每艘电动船都必须进行的4项功率测量

电动船本质上就是一套被船体包裹起来的动力传动系统。包括发电机、变流器、直流母线、蓄电池、电动机和传动轴。用于评估其性能的各项测量指标，正是电动驱动试验台多年来一直在测量的那些指标，只不过是在更高功率条件下、在移动平台上进行，并且由船级社验船师读取测试结果。

支撑这些结果的规则手册非常简短，一口气就能说完。 分类规则将主母线上的电压畸变限制在8%以内，对于依赖谐波滤波器的船舶，要求每年进行一次海上测量。海军标准更为严格，约为5%，且其评估的是负载步变期间的供电状况，而非稳态条件下的情况。其余的都属于工程范畴。

每次都会涉及四项测量：型式试验、台架试验、海试以及服役期间的测量。无论是电池动力渡轮、混合动力拖船还是军舰，这四项测量都是一样的，这也正是专为电动传动系统设计的功率分析仪无需重新设计即可应用于船舶的原因。

本文介绍的是 Q.boost 功率分析仪 GPA100/101，这是一款宽带仪器：每通道 4 MHz，带宽 1.7 MHz，因为布满转换器的母线并非正弦波系统。 对于符合正弦波特性的系统——例如向清洁配电盘供电的发电机组、光伏系统或电池接口——则有正弦波专用型号GPA110/111 SL，其采样率为100 kS/s，并可将数据连续记录到内置的SSD中。 下文中的四项测量结果在两种情况下均相同；所列数值均为 GPA100/101 的测量结果。

1. 测量满布变流器的母线上的电能质量

船舶的主母线由各类开关设备供电。每个驱动器、每个变流器、每个电池接口都会向电网注入此前不存在的电流，而这些电流的总和正是船级社规则所限制的上限。

您需要的测量数据并非一个单一数值，而是有效值电压和电流、有功功率、视在功率和无功功率、功率因数以及总谐波失真，这些参数均来自同一时刻的同一三相系统，且在工厂运行期间实时更新，而非事后重建。

有两个因素决定了您测得的失真是否真实存在。首先是带宽。转换器的开关频率远高于基频，而现代规范所关注的谐波次数——在有源前端驱动器中甚至可达百分之一——恰好位于窄带仪器已开始滚降的频段。 在每通道4 MHz、带宽为1.7 MHz的情况下，开关边缘本身仍处于记录范围内，而不仅仅是其后续信号。

第二点是仪器本身的噪声。 GPA100的输入端噪声底限低于−140 dB，自身失真率低于3 ppm。当测试限值为8%时，这正是您所需要的裕度；而您可能需要证明的，正是失真究竟源自工艺系统还是测量过程。

2. 一次测量直流和交流

直流电网将有意义的数值分布在换流器的两侧，而只有当两侧的数据都是在同一瞬间测得的，效率数值才有参考价值。

该分析仪配备四个支持±1,500 V直流电压的高压输入通道（电隔离），以及四个电流变送器输入通道。测量范围从±500 mV到±1,500 V， 因此，同一台仪器无需更换前端即可同时处理分流信号和直流母线，且每个通道均与其他通道电气隔离——在船上，这并非一项舒适性功能，而是您能够同时监测直流母线和三相线路的关键原因。

因此，一台仪器可以同时监测直流侧和交流侧，而该转换级别的效率是一个单一结果，而不是两个随后对齐的测量值。

3. 将机械能与电能并列

电能输入只是答案的一半。船东所支付的是推力，而关于变流器供电电动机的船级社规则所关注的是两者之间电动机的效率。

GPA 配备四个频率和计数器输入：其中两个用于具有频率输出的转矩传感器，另外两个用于速度传感器的计数器输入，分辨率范围为 0.1 Hz 至 1 MHz，精度为 0.01%，并包含旋转方向信息。在 GPA101 上，解码器选件还可以读取电机内置的解码器信号。 机械功率是在同一设备中，基于同一采集数据直接计算得出的，而非事后与带有独立时间戳的第二个系统数据合并而成。轴功率、电功率以及二者之间的效率以单条记录的形式输出。

正是这一记录，使得海试与台架试验具有可比性。船舶会发生变化，但测量方法始终不变。

4. 将分析仪安装到您现有的实验台上

无法测得的数值就不能算作测量结果。测量结果和原始数据通过EtherCAT和TCP/IP传输至GPA，因此分析仪成为测试台中的一个节点，而非测试台旁的一个独立单元。

软件方面刻意设计得平淡无奇。GI.bench 可在 Windows 和 Linux 系统上运行。当无人监视屏幕时，一台配备 32 GB 内存和 1 TB SSD 的 Q.station HP 会记录运行日志。 数据可通过 MATLAB、LabVIEW、OPC UA、MQTT、CAN 以及开放式 API 输出，该仪器既可安装在 19 英寸机架中（占用 4U 空间），也可装入 Q.brixx 机箱作为便携式设备使用。台式版和海试版本质上是同一台仪器，仅外壳不同。

这在某一方面尤为重要。海军载荷阶跃测试必须显示，系统能在2秒内将响应恢复到±16%的范围内。这是一个涉及原始数据的问题。平均值无法解答这个问题，而仅能导出结果的系统，实际上已经丢弃了关键证据。

相同的四项测量，同一台仪器

这四项测量数据并非源自船舶行业。它们来自电动汽车和电动驱动系统的测试领域——在那里，相同的变流器、相同的直流母线以及相同的效率问题早在十年前就已出现，而Q.boost功率分析仪正是诞生于该领域。船舶提高了功率并增加了盐水因素；而测量任务则保持不变。

其实际效果虽不显眼，却值得追求：在同一台仪器上进行实验和验证，这样比较的便是数据，而非方法。

关注数据链而非功耗测量？请参阅配套文章《保持可测量性》。