船舶配電系統的新技術及發展

李也

摘 要：為保證船舶電力變換系統能夠穩定可靠工作，船舶電力變換系統之間的相互作用理論及相關穩定控制方法是目前綜合電力系統的重要研究內容之一。本文就船舶電力變換系統的穩定性、源和負載電力變換裝置的控制方法設計以及模塊之間的相互作用等方面內容展開研究。

關鍵詞：船舶 配電系統 電力變換裝置

中圖分類號：F407 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）04（b）-0097-01

隨著船舶綜合電力系統的發展，越來越多的電力變換裝置逐漸應用到船舶配電系統中。電力電子器件本身的非線性特性會使得電力變換系統之間產生互相影響，從而發生不穩定、諧波以及其他的系統級問題。船舶電力系統在船舶上具有極為重要的地位，電力系統供電的連續性！可靠性和供電品質，將直接影響船舶的經濟指標、技術指標和生命力在現代化船舶上，電站操作越來越復雜、電站自動化程度日益提高，對電站管理人員的要求也越來越高。

1 船舶配電系統的概述

船舶電站是船舶的一個重要組成部分，其自動化程度是船舶技術的重要標志。船舶電站供配電系統一是供電質量和供電可靠性，二是船舶電站自動化程度。隨著計算機技術、控制技術、通信技術以及網絡技術的發展，船舶電站自動化系統的結構也發生了很大程度的變化，船舶電站逐步形成以網絡集成自動化系統為基礎的船舶電站自動化控制、管理信息系統，集監、控、管于一體的網絡型船舶電站綜合自動化系統。

船舶電力系統發展到一定階段以后必然會進入船舶綜合電力系統階段，其主要標志之一就是集成化和模塊化。所謂綜合全電力推進系統，就是動力推進和日常用電共同用一個電力系統，從而構成一個綜合的電力系統。IPS最大的特點是模塊化，根據功能不同，這些模塊在具體的艦艇IPS系統中，被劃分在4個子系統中，即發電和推進子系統、艦艇日用電配電子系統、區域配電子系統和系統監控子系統。

在船舶綜合電力系統中，發電機組、配電裝置、系統調度和監控、電力推進和高能武器通過電力網絡集成在一起共同工作和運行。電能在船舶電力系統中一開始只是作為一種輔助能源，實現船舶的照明等一般性功能。隨著綜合電力推進技術的發展以及采用電力作為能源的先天優點，原先一些采用常規動力系統作為能量來源的設備，也逐漸向電力化方向發展，另外電能開始逐漸取代傳統動力成為艦船的推進能源。因此，綜合電力系統（IPS）的出現滿足了船舶的實際應用需求，促進了船舶電力系統向集成化與模塊化方向的過渡。

2 船舶配電系統的新技術

作為船舶綜合全電力推進技術的重要研究內容之一，基于電力變換裝置的船舶直流區域配電系統得到了越來越多的關注和研究。傳統的船舶輻射式配電方式靜態和動態負載自動調節性能比較差，冗余電源實現方案較為復雜，難以滿足余度供電和不間斷供電的要求。

船舶區域配電系統具有和分布式電源系統類似的特點，比如：（1）系統容量有限，同時由于推進負載和高能武器等大功率負載的存在，負載的容量和發電機的容量接近；（2）電能經過多次變換，最終為全船負載供電。同一個電力變換裝置既是前端變換裝置的負載，同時也是后端負載變換裝置的源，各個電力變換裝置之間相互耦合，源效應與負載效應較明顯；（3）全控型半導體器件在電力變換裝置的大量使用，提高了功率密度。但是由于半導體器件本身具有開關特性，因此電力變換裝置也同樣具有非線性特性。這種情況下，在某一穩態工作點對電力變換裝置作小信號線性化處理和分析而得到的阻抗特性也會隨著電力電子器件的開關頻率不同而發生一定的變化。

隨著綜合電力系統的發展，僅僅對電力變換裝置的功率器件、拓撲結構以及各種先進的控制算法進行研究已經不能滿足船舶電力變換系統的要求了。因此，需要從系統的角度出發，對電力變換裝置進行優化設計和穩定控制，以便更好的滿足不同類型負載的供電要求。

船舶電力變換系統具有冗余度高、控制靈活等優點。在船舶配電系統中，其電能的主要來源是燃氣輪機發電機組和儲能系統，系統中的各種獨立、并聯的負載從左右直流母線上獲取電能。雖然系統中的這些電力變換裝置能夠獨立穩定運行，但在系統中運行由于模塊之間互聯的相互影響，會導致系統性能的下降甚至發生不穩定現象。

在進行船舶電力變換系統設計的過程中，由于缺少了對船舶電力變換系統穩定性方面的系統級分析和設計，因此，影響了船舶區域配電系統的可靠性。一般情況下，船舶電力變換系統設計的主要標準是各個電力變換裝置模塊的電氣性能、功率密度和外部接口等，而沒有考慮模塊在系統中運行的穩定性和對其他裝置的影響。在實際應用中，由于電力變換裝置的互聯，可能出現獨立工作時性能指標合格的電力變換裝置在系統中發生嘯叫或者振蕩的現象，極端情況下還會導致器件損毀。目前，關于船舶電力變換系統的穩定性分析和驗證主要還是通過實驗進行驗證，這種方法缺乏有效的理論指導，造成了大量時間的浪費，增加了系統研發和制造成本。在實際船舶區域配電系統中，存在著各種不同的用電設備，很多電力變換裝置的負載往往是容性或者感性，亦或是其他電力變換裝置。在設計的過程中，如果沒有考慮和分析單個電力變換裝置對系統整體的影響，那么即使裝置滿足單獨測試時的性能要求，在系統中運行時也可能會出現不穩定現象，影響配電系統和其他電力變換裝置的安全性及可靠性。因此有必要在單個電力變換裝置設計過程中從系統級角度出發，通過優化設計和控制方法的研究使得電力變換裝置能夠在滿足自身各方面電氣性能要求的同時，也能夠保證其在系統中穩定運行而不對系統產生嚴重影響。

3 船舶配電系統的發展趨勢

目前，我國船舶自動化技術發展達到了世界先進水平，正朝著微機監控、全面電氣化、綜合自動化方向發展。高可靠性、功能齊全、分布式、多微機網絡式自動化系統，將是未來船舶電站自動化的發展方向。

4 結語

綜上所述，船舶電力變換系統穩定性研究的目的和意義是為了從系統級的角度出發，對船舶電力變換系統及其互聯系統的相互影響進行分析和研究，為船舶區域配電系統的穩定性研究奠定理論分析基礎，為故障情況下船舶配電系統的供電路徑重構提供理論依據和現實參考，從而提高船舶配電系統的運行穩定性和生命力。

參考文獻

[1] 張江龍.船舶電力系統的分析與設計[D].大連海事大學，2010.

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