艦船電力系統暫態穩定性分析

戚雙斌 楊學春 楊學冬

摘 要：艦船上的電力系統是一種獨立運行的電網，其本身結構裝置復雜；而暫態穩定性所研究的是電力系統在受到較為強烈地干擾后，各發電機是否依舊能維持同步運轉。該文旨在對船電系統在出現短路瞬間的穩定性進行研究，并建立數學模型來進行仿真分析。

關鍵詞：艦船 電力系統 暫態穩定性 分析

中圖分類號：TM712 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）12（a）-0079-03

近些年艦船的設計愈加復雜，其中所使用到的設備儀器也越來越精密，因此更加需要一個能夠穩定、完善、高效運作的電力系統。在艦船的電力系統中，發電機能否持續穩定地進行供電和暫態穩定性顯得尤為重點，甚至會影響到艦船是否能安全平穩運行。針對電力系統而言，艦船電力系統的研究起步時間較晚，經驗不足，還存在很多問題，但陸用電力系統的研究已經逐步完善，可提供一定的經驗參考。

1 艦船電力系統的特點

艦船電力系統與陸地電力系統從基本概念上來說是一致的，即電力系統不僅能在一般環境的平衡狀態下正常運行，在受到干擾影響后能夠恢復到原來的平衡狀態或者在新的平衡狀態下繼續運行。

1.1 艦船電力系統的特征

雖然艦船電力系統與陸地電力系統一樣，都是由發電設備、輸送網絡、變配電設備以及用電設備所組成，然而因運行環境的差異，使得艦船電力系統有著幾個明顯的特征。

首先，艦船上的電力系統一般容量較小；

其次，艦船的電力系統在設備配置上相對來說集中，運輸電力的距離較短，輸配電網絡較為簡單；

再次，船電系統所處的環境，要比陸地電力系統所處環境惡劣；

最后，對艦船電力系統穩定性產生影響的因素較多，例如風浪、戰斗等，其中主要因素為載重，大容量負載的切換動作對電力系統會產生較大影響。

1.2 艦船電力系統穩定性的分類

研究艦船電力系統的暫態穩定性，就要先對其進行分類，這樣有利于電力系統穩定性的分析、迅速識別出導致電力系統不穩定的原因。然而要想準確進行分類，就要考慮到以下的情況。

（1）造成電力系統不穩定的物理性質；

（2）干擾因素的影響規模；

（3）為確定穩定性所需的裝置、過程和時間；

（4）符合實際情況的穩定性計算與預測方法。

目前大部分國家，將艦船電力系統穩定性分為3類。

第一種，靜態穩定性，指的是電力系統在受到小范圍干擾的情況下依舊能夠保持發電機同步運行；

第二種，暫態穩定性，指的是艦船電力系統在遭受到較大范圍干擾的壞境下保持發電機同步運行的能力；

第三種，動態穩定性，是指電力系統在受到干擾后能夠有效抑制系統產生自發動蕩的能力[1]。

根據船電系統本身結構和整體運行模式的不同，電力系統的穩定性又可以通過不同的途徑表現出來，分別是功角穩定、電壓穩定以及頻率穩定3種。

2 模擬計算暫穩性的模型

艦船電力系統中包括眾多精密的電子儀器，且回路較為復雜，使得對其暫態穩定性的研究本身具有一定的困難。又因研究中所牽扯到的因素，需考慮的問題也較多，因此該文將以放電機組為基礎，建立一個全方位的數學模型，對艦船電力系統發電機的工作進行分析，并采用合理的算法對電力系統的暫態穩定性進行模擬仿真[2]。

艦船電力系統的構成可大致分為兩部分，一為發電機和相關傳輸設備，這部分主要是為電力系統提供所需能量，另一部分則是由調節電力系統工作狀態的勵磁器、調速器等部件構成[3]。

2.1 艦船電力系統的同步發電機模型

2.3 艦船電力系統的調速模型

3 艦船電力系統暫態穩定性的分析

3.1 發電機節點分析

艦船電力系統暫態穩定性，其主要影響有兩方面：一方面是電力系統中運行的發電機節點在受到干擾時，其本身穩定狀態的變化；另一方面則是電力系統負荷狀態節點在受到影響時穩定性的變化。由于艦船電力系統構成較為復雜，其中節點眾多，且不同位置之間的狀態計算也不盡相同。依據實際生活中遇到的工作模型來進行分析處理時，要選用有效、合理的算法來進行模擬仿真。為便于分析，現對艦船電力系統的節點處做出適當處理[5]。

從以上計算結果不難看出，如電力系統中不含調速器和勵磁器，那么轉子的搖擺曲線幾乎不衰減，然而船電系統中增加了調速器和勵磁器后，轉子的搖擺曲線會很快衰減至穩定值，這說明調速系統有助于艦船電力系統的穩定，使船電系統的阻尼得到明顯增強。

4 結語

該文對目前我國艦船電力系統在發電機組的暫態穩定性方面進行了一定地分析和研究，顯而易見當電力系統內部的發電機組之間出現功率傳遞或受到一定程度的外部干擾時，艦船的電力系統就有可能出現電力不穩等現象。隨著艦船的配置和功能的升級換代，對于船電系統的穩定性要求也日漸提高。參照陸地電網較為成熟的監測系統，結合已有經驗，以艦船電力系統的特點為基礎，運用數學模型對實際案例進行暫態穩定性仿真分析，為艦船電力系統的暫態穩定性研究提供了很好的范本，具有一定的指導意義。

參考文獻

[1] 方雄偉，韓旗.艦船電力系統暫態穩定性仿真分析[J].電力自動化設備，2011（3）：35-38.

[2] 李文才，郝國芬.艦船電力系統暫態穩定性研究[J].艦船科學技術，2015（1）：140-143.

[3] 張靈杰，孫建波，郭晨.船舶電力系統暫態穩定性的混合分析法[J].船舶工程，2015（5）：45-49.

[4] 李冬麗，趙躍平，唐石青，等.船舶大容量負載對電力系統的影響[J].船舶工程，2003（6）：47-50.

[5] 葉樹江，劉金波，劉勇.船舶電力系統建模及其并行算法實現 [J].黑龍江工程學院學報，2001（3）：57-60.