我國艦船中壓直流綜合電力系統研究進展

付立軍，劉魯鋒，王剛，馬凡，葉志浩，紀鋒，劉路輝

海軍工程大學船舶綜合電力技術重點實驗室，湖北武漢430033

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我國艦船中壓直流綜合電力系統研究進展

付立軍，劉魯鋒，王剛，馬凡，葉志浩，紀鋒，劉路輝

海軍工程大學船舶綜合電力技術重點實驗室，湖北武漢430033

摘要：艦船綜合電力系統可實現全艦能量的綜合利用，被譽為是艦船動力的第三次革命。介紹了一代和二代艦船綜合電力系統的技術特征。結合我國綜合電力系統設備的技術現狀，介紹我國一代半艦船中壓直流綜合電力系統的研究進展，分析了系統層面存在的難點，主要包括：系統建模和電磁暫態仿真、氣輪機發電機組和柴油發電機組并聯、系統穩定性分析和分層保護等，并給出了解決的方法，指出中壓直流綜合電力系統需要在中壓直流斷路器、系統儲能、系統安全運行和多時間、多目標能量調控方面進一步開展研究。

關鍵詞：綜合電力系統；中壓直流；能量調控

0　引　言

艦船綜合電力系統將傳統艦船中相互獨立的動力和電力兩大系統合二為一，以電能的形式統一為推進負載、脈沖負載、通信、導航和日用設備等供電，實現了全艦能源的綜合利用。采用綜合電力系統，不僅可以為艦船負載提供電源平臺，而且能簡化艦船動力系統結構、提高艦船系統效率、降低艦船噪聲能級、減少艦船全壽命周期費用，符合艦船信息化和智能化的發展趨勢，代表著艦船動力系統未來的發展方向［1-3］，被譽為艦船動力從人力、風力到蒸汽動力再到核動力之后的第三次革命。

美、英等世界海軍強國自上世紀80年代開始進行綜合電力系統的理論探索與關鍵技術研究。美國海軍建立了艦船綜合電力系統陸基試驗站，于2001年完成了全尺寸綜合電力系統陸上演示驗證試驗［4-5］。英、法兩國于2003年建立了電力戰艦技術演示驗證試驗場，與45型驅逐艦的研制緊密結合。2009年7月，英國45型驅逐艦服役，成為世界上首艘采用綜合電力系統的水面主戰艦船［6］。2013年10月，美國DDG 1000驅逐艦下水。這些艦艇的下水與服役表明美國和英國等世界海軍強國已經在主戰艦船上實現了交流綜合電力系統的工程化應用［6-7］。

我國艦船綜合電力系統的研究基礎相對薄弱，與國外相比，在工程化應用方面還有較大差距。目前我國在綜合電力技術方面領先的是海軍工程大學艦船綜合電力技術重點實驗室（以下簡稱“實驗室”），該實驗室聯合國內相關科研院所開展綜合電力關鍵技術攻關，完成了我國一代半艦船中壓直流綜合電力技術關鍵技術驗證試驗，取得了突破，為艦船綜合電力系統的工程化應用提供了技術支撐。

本文將介紹一代和二代艦船綜合電力系統的技術特征，并結合我國綜合電力系統設備的技術現狀，介紹我國一代半艦船中壓直流綜合電力系統的研究進展，分析系統層面存在的難點和解決方法，給出需要進一步開展的研究工作。

1　一代和二代艦船綜合電力系統

艦船綜合電力系統由發電、輸配電、變配電、推進、儲能、能量管理6個分系統組成（圖1）。發電分系統由原動機和發電機組成，用于將原動機的機械能轉變為電能。輸配電分系統由電纜、母線、斷路器和保護裝置組成，將電能傳送到用電設備，且具有自動識別和隔離系統故障的功能。變配電分系統根據用電設備的電能需求實現電制、電壓和頻率的變換，給日用設備、脈沖負載和通信導航設備供電。推進分系統由推進變頻器和推進電機組成，推進變頻器為推進電機輸入電能并控制其轉速，推動艦船航行。儲能分系統用于系統電能的存儲和釋放，根據脈沖負載的需求為其供電，支撐系統安全穩定運行。能量管理分系統用于系統的監測、控制和能量的管理，以實現信息流精確控制系統的能量流［2-3］。

艦船綜合電力系統的6個分系統均有多種技術方案，不同方案的技術性能存在較大差異。按照各分系統的標志性技術特征，可將艦船綜合電力系統劃分為一代艦船綜合電力系統和二代艦船綜合電力系統［2-3］。

世界各國目前正在開展的廣泛工程應用的艦船綜合電力系統可以看作一代艦船綜合電力系統，適合于噸位較大的艦船。該系統的技術特征為：發電分系統采用中壓交流工頻同步發電機組；輸配電分系統采用中壓交流工頻配電網絡；變配電分系統采用中壓交流工頻變壓器或中壓交流供電的直流區域配電裝置；推進分系統采用先進感應電動機及其配套的基于IGBT/IGCT電力電子功率器件的推進變頻器；無儲能分系統；能量管理分系統采用基本型能量管理系統，以實現全系統的監控和基本的能量調度功能。

隨著電工材料、電力電子器件、控制技術和計算機技術的飛速發展，世界各國正在積極開展二代艦船綜合電力系統的研究，以進一步提高系統性能、降低系統的體積和重量。二代艦船綜合電力系統不僅適合于大型艦船，而且可覆蓋3 000 t級以下全系列艦船。該系統的技術特征為：發電分系統采用高速集成中壓整流發電機組；輸配電分系統采用中壓直流配電網絡；變配電系統采用中壓直流供電的直流區域配電裝置；推進分系統中推進變頻器，采用基于組件高度集成的推進變頻器或基于寬帶隙半導體材料功率器件——碳化硅的推進變頻器，推進電機采用永磁或高溫超導電機；儲能分系統采用超級電容器儲能、集成式慣性儲能或復合儲能；能量管理分系統采用智能化能量管理系統，以實現全系統數字化控制和智能化管理功能［2-3］。

美國海軍在其下一代綜合電力系統技術發展路線圖中提出了綜合電力系統的3種電網結構體系：中壓交流電網、高頻交流電網和中壓直流電網。在不需要高功率密度的情況下，艦船設計可以采用中壓交流電網結構，其輸配電網絡采用3相60 Hz的中壓工頻交流電，電壓可以選擇3種標準電壓：4.16，6.9或13.8 kV。高頻交流電網具有較高的功率密度，其輸配電網絡電壓頻率為60～400 Hz之間的1個固定頻率，電壓可以采用4.16或13.8 kV。中壓直流電網具有更高的功率密度，其輸配電網絡直流電壓可以采用±3 000～±10 000 V范圍內的標準電壓［7］。

中壓交流電網結構的技術成熟度最高，技術風險小。由于變壓器鐵芯的橫截面積與工作頻率約成反比，采用高頻交流電網結構可以減小變壓器和濾波器的體積、提高系統的功率密度，但存在發電機組并聯困難，系統線路壓降大等缺點。與中壓交流系統和高頻交流系統相比，中壓直流電網結構具有下列優勢［7］：

1）消除了原動機轉速和母線頻率之間的相互影響。原動機可以和發電機直接連接，無需使用減速齒輪或增速齒輪，發電機的轉速可以突破3 000 r/min的限制，提高了系統的效率和功率密度，降低了設備的噪聲振動水平；

2）取消了大容量的推進變壓器和配電變壓器，其功率變換設備能在更高的頻率下運行，減少了變換設備的變壓器體積和重量；

3）沒有電流的集膚效應，也不用傳輸無功功率，因而減輕了電纜的重量；

4）對原動機的調速性能要求低，調速性能、容量、頻率差異大的不同類型發電機組可以并聯穩定運行。

艦船綜合電力系統采用中壓直流供電，也面臨了一些挑戰，主要有：

1）直流系統短路電流不存在自然過零點，斷路器分斷困難。中壓直流斷路器的性能指標有待進一步提高［8-9］；

2）中壓直流供電系統的靜態穩定性問題突出。推進負載具有負增量阻抗特性，容易引起系統的電壓失穩［10-11］。電力電子變流設備級聯時，如果輸入輸出阻抗不匹配，會引起系統失穩或者系統動態響應性能變差［12-13］。

中壓直流電網結構的技術特征與中壓交流和高頻交流電網結構差別較大，技術風險也較大。中壓交流和高頻交流電網結構都屬于一代艦船綜合電力系統。中壓直流電網結構是二代艦船綜合電力系統的典型特征，具有更高的功率密度和運行靈活性，代表著艦船綜合電力系統的發展方向。

2　一代半艦船綜合電力系統及其研究進展

我國艦船原動機性能落后國外，尤其是大檔燃氣輪機可選機型少、調速性能落后于國外。如果跟蹤模仿發達國家中壓交流綜合電力技術路線，將使得不同類型原動機帶動的發電機組因功率等級和調速性能差異大而難以并聯穩定運行，嚴重制約了我國綜合電力系統的發展。為此，海軍工程大學艦船綜合電力技術重點實驗室于2003年在世界上首先提出中壓直流綜合電力技術路線，采用二代綜合電力系統的網絡結構，為一代綜合電力系統分系統設備供電，構成一代半艦船綜合電力系統，開展了艦船綜合電力技術基礎研究與關鍵技術攻關。在設備層面，研制了高功率密度燃氣輪機發電模塊和柴油機發電模塊、中壓直流輸電模塊、高轉矩密度推進模塊、直流區域配電模塊；在系統層面，先后攻克了一代半艦船綜合電力系統的電網結構理論、系統模型與仿真、并聯機組功率均分、系統穩定性分析與控制、系統分層協調保護、系統接口設計以及高功率瓶頸技術，完成了一代半中壓直流綜合電力系統集成和性能試驗。下面從系統層面介紹一代半艦船中壓直流綜合電力系統的主要難點和解決方法。

2.1系統的電網結構

為了提高系統運行的靈活性，適應艦船各種不同航行工況的需求，發電系統的單元電站一般由大容量發電機組和小容量發電機組構成。大容量發電機組的原動機一般為燃氣輪機或汽輪機，小容量發電機組的原動機一般為燃氣輪機或柴油機。大容量發電機組和小容量發電機組的工作頻率可能不同，而且其原動機的調速性能差異極大，尤其是突加、突卸負載時轉速穩定時間相差一個量級以上。傳統交流發電機組不僅無法實現不同頻率發電機的并聯運行，而且調速特性差異太大，將導致不同容量發電機組并聯運行時功率分配嚴重不均，系統無法穩定地并聯運行。

采用中壓直流網絡將整流發電機并聯運行，利用整流發電機不受系統頻率限制的特點，將高速原動機與發電機直接相連。交流電網結構中，原動機調速器調節發電機的有功功率。發電機勵磁系統調節發電機的機端電壓和無功功率。直流電網結構中，并聯的整流發電機輸出直流電壓越高，其輸出功率越大。雖然穩態時發電機的有功功率由調速器決定，但是發電機功率的動態響應由發電機的勵磁系統決定。這在很大程度上弱化了對于原動機調速性能的要求。利用直流電網中發電機勵磁控制和原動機調速控制共同承擔系統有功功率調節任務的特點，通過快速精確的勵磁控制來彌補原動機調速特性差的不足，從而系統地解決了功率等級以及調速特性差異極大的不同類型發電機組并聯運行的問題。

2.2系統的數學建模與電磁暫態仿真

1）燃氣輪機作為發電用原動機，其傳統的熱力學模型側重于分析設備內部的物理特性，用于綜合電力系統機電性能耦合分析時，存在模型結構復雜、階次高、溫度、壓力、機械、電氣等多物理量緊耦合、計算效率低、準確性不高等問題。

2）傳統十二相整流發電機主要工作在直流側電流連續模式，已有模型只能反映該模式下發電機的動態特性，而中壓直流綜合電力系統中，該型發電機存在直流側電流斷續、連續工作模式及兩者切換的暫態過程，已有模型無法適用。大量復雜拓撲電力電子裝置和多套多相電機使得中壓直流綜合電力系統的建模與電磁暫態仿真十分困難，存在系統模型階次高、非線性強，電磁暫態計算收斂性差等問題。

為此，實驗室開展了如下研究：

1）在考慮容積慣性、執行機構動作慣性，以及燃油流量限制、燃油流量增量限制等控制環節的前提下，構建了燃氣輪機壓縮機—渦輪系統、燃料系統、調速器等組成部件的簡化數學模型，提出了燃氣輪機的簡化數學模型結構及其參數辨識方法。在商業仿真軟件PSCAD/EMTDC中建立了該燃氣輪機的仿真模型，試驗表明，該模型可準確描述燃氣輪機發電機組的動、靜態電氣性能。

2）將十二相交流發電機等效為4個三相交流發電機，將二十四脈波不控整流器等效為由4個理想電源供電的六脈波不控整流器，建立了計及勵磁系統和二十四脈波不控整流器動態特性的十二相整流發電機全工況范圍內的動態數學模型，以及計及線路電阻的十二相整流發電機直流側短路時的解析模型。時域仿真和物理試驗證明，該模型可準確描述十二相整流發電機直流側電流連續、斷續和短路工作模式［14-16］。

2.3燃氣輪機發電機組和柴油發電機組的并聯

為了經濟有效地確保巷道穩定，建議各礦根據自己的巖體條件及地壓，對巷道穩定性實施分類。各礦山的Ⅲ～Ⅴ類巖體，可以參照如下描述分4類，即：巖性較好、地壓不大的巷道不支護；巖性稍差或可能因開采而出現微弱拉應力區，但最大拉應力不會超過巖體單軸抗拉強度的20%，且基本不太產生開裂的巷道，素噴5～8 cm混凝土支護；巖性較差或因開采地壓而只出現分布不密集裂紋的巷道，錨桿條網噴漿支護；會普遍產生較大的受拉區，且最大拉應力超過巖體單軸抗拉強度的20%，或密集分布的裂紋將巖體切割成小塊的巷道，應錨桿方網噴漿支護。

燃氣輪機發電機組和柴油發電機組不僅工作頻率不同，而且調速性能差異極大，尤其是突加突卸負載時轉速穩定時間相差一個量級以上。傳統交流發電機組不僅無法實現不同頻率發電機的并聯運行，而且調速特性差異太大容易導致不同容量發電機組并聯運行時功率分配不均，甚至無法穩定地并聯運行。針對上述問題，實驗室開展了如下研究：

1）綜合分析燃氣輪機、柴油機的調速特性和發電機的調壓能力，提出了采用中壓交流整流型發電技術方案，有效克服了傳統交流發電機組并聯需要電壓的頻率、相位和幅值相同的苛刻條件，使得發電機組并聯時間由傳統交流系統的數十秒縮短至百毫秒級。

2）在電壓下垂和雙閉環反饋控制的交流整流發電機勵磁控制策略的基礎上，提出了采用柴油發電機機組電流負前饋的勵磁控制方法。經試驗驗證，該控制方法改善了燃氣輪機發電機組和柴油發電機組并聯運行時的暫態功率均分度，降低了雙機并聯突加負載時柴油發電機輸出電流的超調量，以加載后電流超調最大值與穩態電流值之比作為超調量的評價指標，引入該負前饋控制后，超調量顯著下降。

2.4系統的穩定性分析與控制

推進負載的恒功率特性是綜合電力系統穩定性的主要影響因素。國外普遍采用推進變頻器增加輔助控制環節來增強系統阻尼，避免發電機帶推進負載時振蕩失穩的問題。但該方法存在推進變頻器控制復雜、控制特性易受影響等缺點。電力電子裝置級聯時阻抗不匹配是影響綜合電力系統穩定性的另一個重要因素。直流區域變配電分系統存在大量復雜拓撲電力電子裝置和多級電力電子裝置的級聯問題，輸入輸出阻抗特性的準確計算是該分系統穩定性評估的關鍵。針對這些問題，實驗室開展了如下研究：

1）采用時域仿真和基于狀態方程的特征值分析方法，計算中壓直流綜合電力系統的穩定性，通過合理設計發電機、推進變頻器等參數，解決了交流整流發電機并聯運行時帶恒功率負載時的穩定性問題［17-19］。

2）利用直流區域變配電分系統的狀態空間平均數學模型，采用輸入輸出阻抗比奈奎斯特曲線的相角裕度和幅值裕度，評估了該分系統的穩定性，計算得出該分系統在全工況范圍內均能保證穩定運行。

2.5系統分層協調保護

中壓直流綜合電力系統可劃分為3個層次網絡，即中壓直流輸電網、直流區域變配電網和日用負載配電網。為減少系統不同層次網絡短路故障的影響范圍、提高負載的供電連續性，3個層次網絡之間的保護配置應相互匹配。為此，實驗室分析了3個層次網絡的短路故障特性，研究了短路故障的快速提取方法，提出了中壓直流綜合電力系統分層協調保護策略，給出了3個層次網絡內部和網絡之間保護匹配性技術要求及其具體的實現方法。進行3個層次網絡的短路故障試驗，結果表明，所提出的保護策略可實現系統不同層次網絡內部和網絡之間的協調保護［20-21］。

2.6系統接口設計與電纜布置

艦船綜合電力系統的集成設計除需解決上述主電路方面的理論計算和分析外，還需研究各設備之間的電氣與信息接口形式，以標準化、模塊化為設計原則，以提高系統能量和信息傳輸效能為目的，對綜合電力系統各組成設備之間的接口進行優化設計。為此，實驗室分析了中壓電纜電磁屏蔽效能和周圍產生的動態磁場，提出了中壓直流電纜設計和敷設方法，以提高電纜的電磁屏蔽效能和降低電纜周圍的動態磁場。提出了信息網絡+現場總線+點對點硬線連接的信息接口設計原則，提高了數據傳輸速率和可靠性。

2.7系統的試驗研究

實驗室設計并構建了燃氣輪機發電機組和柴油發電機組并聯，且給推進分系統和直流區域配電分系統供電的最小中壓直流綜合電力系統，完成了設備和分系統的性能試驗，完成了系統額定效率、系統穩態電能品質、系統動態性能、推進功率限制、系統連續運行、系統故障保護、能量管理、系統電磁兼容、振動噪聲、動態磁場、超導限流等試驗，試驗結果達到了設計的技術指標要求。

3　需要進一步研究的系統關鍵技術

隨著艦船功能需求和綜合電力技術的不斷發展，系統的容量越來越大，可達數百兆瓦，這給中壓直流斷路器帶來了巨大的挑戰。同時脈沖負載將裝備艦船，脈沖負載因功率超大、時間極短、容量可達吉瓦級、負載容量大于發電容量，系統基本處于短時重復非周期暫態極限運行狀態，其能量密度、功率密度和對于系統的沖擊都極其巨大，因此需要給該類型負載配備合適的儲能系統。配有儲能系統和脈沖負載的艦船綜合電力系統的電磁暫態與機電暫態耦合緊密，脈沖負載對系統的沖擊大，系統能量調控具有多時間尺度特性，系統的運行特性將由簡單的周期穩態運行向周期穩態與非周期暫態相結合的運行方式轉變，系統數學模型呈現時變、強非線性、階次高、剛性強的特點，其數值仿真計算方法收斂困難。艦船綜合電力系統的這些特點需要在系統層面進一步研究下列關鍵技術。

3.1中壓直流斷路器

為了提高一代半艦船綜合電力系統的功率密度，發電機的超瞬態阻抗設計值很低，加之饋電線路比較短，系統短路時，直流短路電流上升速度很快，短路電流很大。直流斷路器切除故障的快速性指標遠高于交流斷路器，一般在20 ms左右。隨著艦船綜合電力系統的發展，系統的容量越來越大，使得直流斷路器的額定電壓、額定電流和分斷能力等指標需求不斷提高，給中壓直流斷路器的研發和試驗帶來了巨大的挑戰。中壓直流斷路器一般有2種技術方案：中壓直流空氣斷路器和中壓直流真空斷路器。

中壓直流綜合電力系統若采用中壓直流空氣斷路器方案，需重點解決空氣斷路器的滅弧問題。系統直流主網短路時，短路電流沒有自然過零點，空氣斷路器將采用直接硬分斷的方式實現短路保護，分斷過程中將產生高能量電弧。主網直流電壓較高，如何有效吸收該電弧能量，即采用有效的滅弧技術是決定空氣斷路器能否有效分斷的關鍵。

中壓直流綜合電力系統若采用中壓直流真空斷路器方案，需重點解決反向脈沖電路的設計問題。系統直流主網短路時，直流真空斷路器采用在真空滅弧室中疊加反向脈沖電流以制造人工過零點，從而分斷短路電流。由于真空觸頭打開時滅弧室的燃弧能量、觸頭開距、恢復電壓以及燃弧時間與真空滅弧室關斷的可靠性密切相關，因而選擇合適的反向脈沖電路參數及反向電流的投入時機至關重要，也是該技術的難點［22-23］。

3.2復合儲能裝置

復合儲能裝置將為綜合電力系統能量調控能力的提升帶來顯著改善。一方面，諸如超導、超級電容器等儲能裝置，具有功率密度高（2～18 kW/kg）、能量密度低（1～10（W·h）/kg）、響應速度快（1 s～10 min）、循環使用壽命長（5～10萬次）、轉換效率高（90%～100%）等特點，利用該類型儲能裝置的快速能量吞吐能力可以有效支撐脈沖負載的啟停工作，結合蓄電池這類具有功率密度低（75～300 W/kg）、能量密度高（30～50（W·h）/kg）、響應速度慢（1 min～3 h）的儲能裝置，形成復合儲能的組合方案，通過研究其協調控制方法，再設計容量優化和拓撲優化配置策略，可進一步提高脈沖負載的運行特性，并大幅降低其對艦船綜合電力系統造成的沖擊，維持系統的安全穩定運行；另一方面，儲能裝置的接入，也可全面改善系統正常工況下的運行經濟性，有利于提高系統的電能質量［2-3，24-25］。在故障情況下，儲能也能保障對艦船重要負荷提供電能，提高其供電連續性。

在利用復合儲能改善綜合電力系統能量調控能力方面，主要技術難點表現在以下方面。

首先，由于單一儲能元件的功率密度、能量密度、響應時間差別較大，難以同時滿足綜合電力系統不同運行工況下的各類控制目標，如輸出脈沖功率（功率需求高、能量需求低、響應時間快）和維持能量平衡（功率需求低、能量需求高、響應時間慢）。因此，如何建立差異明顯的多種儲能方式之間的復合協調配置模型，并設計相應的協調控制方案，以全面滿足不同運行工況下艦船綜合電力系統的電氣特性需求，顯得尤為重要。其次，合理的儲能容量、位置配置將有效提升綜合電力系統不同運行工況下的電氣性能。可是，一方面綜合電力系統本身的電氣結構復雜，儲能并網點以及儲能的類型、容量可選擇方案多；另一方面，運行工況也較為靈活，儲能裝置優化配置需要同時滿足的優化目標較多。因此，如何求解該多目標、多變量的優化問題，實現方法上存在較大困難，且考慮到艦船的空間相對有限，對安全性指標有嚴格要求等，求解約束、計算復雜度將進一步增加，若采用常規的智能算法求解該優化問題，可能會存在計算效率低，計算結果不收斂等問題。因而需要研究復合儲能裝置的組成和控制策略、儲能裝置的優化配置方法和系統能量的調控方法。

3.3系統安全運行分析

為了兼顧脈沖負載用電需求和改善系統運行性能的需要，艦船綜合電力系統的儲能裝置將從目前專門用于脈沖負載發射的集中式儲能向兼顧系統運行需求的分布式儲能方向發展，這導致脈沖負載瞬時功率沖擊特性直接作用于艦船綜合電力系統，若分布式儲能配置及其協調控制不當，將嚴重影響綜合電力系統的供電品質和系統的安全穩定運行。脈沖負載對綜合電力系統電能品質和安全穩定運行的影響機理還不明晰，使得系統設計人員難以有針對性地提出改善電能品質和提高系統安全穩定性的措施。因此，必須深入研究脈沖負載的運行特性及其對艦船綜合電力系統的電能品質和安全穩定性的影響機理。

隨著系統運行的工況不同，含分布式儲能的綜合電力系統投入運行設備的類型和數量也不同，使得系統等效電路的固有頻率呈現多頻譜特征。如果系統在某一工況的固有頻率下呈現弱阻尼特征，那么脈沖負載的瞬時沖擊可能導致系統在該固有頻率及邊頻帶處產生諧波放大問題，從而影響系統的電能品質。與傳統電力系統相比，艦船綜合電力系統含有大量的電力電子裝置，使其多頻譜諧振特性表現得更為嚴重，亟需建立一種多頻譜諧振條件下系統電能品質影響因素的數學模型，并進行定量分析。

艦船綜合電力系統包含分布式儲能裝置和脈沖負載。脈沖負載發射時處于短時重復的充電和放電的交替運行狀態，使艦船綜合電力系統不再只有一個平衡點，而是表現為一系列運行點的周期性交替過程。陸用電力系統的靜態電壓失穩主要是由感應電動機的負荷特性、變壓器有載調壓的負調壓特性和發電機的勵磁限制之間不匹配，導致系統無功功率不足而引起。電力系統的電壓失穩大多是單調失穩，是在達到電力系統承受負荷增加的臨界能力時導致的電壓失穩。靜態電壓穩定分析方法的基本模型是電力系統的連續潮流模型，本質上是把臨界潮流解看作電壓穩定的極限。艦船綜合電力系統的失穩機理是恒功率負載的負阻特性和電力電子裝置級聯系統的阻抗不匹配。使系統靜態電壓穩定不僅要求系統具有平衡點，而且該平衡點還是小干擾穩定。因此，需要研究脈沖負載對于艦船綜合電力系統穩定性的影響機理，建立系統安全運行分析方法。

3.4系統多時間尺度、多目標能量調控策略

艦船綜合電力系統的結構和動態過程十分復雜，既存在著由開關動作引起的快速電磁暫態過程（微秒級）；也存在著由電機調速引起的機電暫態過程以及脈沖負載啟停時的大功率瞬變沖擊過程（毫秒級）；同時含有儲能設備的充電動態過程（秒級）和艦船機動控制過程（分鐘級）；以及對應艦船巡航的長期穩態變化過程（小時級以上），具有多時間尺度的特點。艦船綜合電力系統還具有多目標需求，如艦船續航能力、脈沖負載的供電保障能力、負載的供電連續性、艦船機動性、系統故障后的重構能力等。

在多目標、多時間尺度能量調控優化策略自動生成方面，主要有4點困難：

1）不同工況下，艦船綜合電力系統對自動發電控制的要求不同。具體而言，在正常工況下通過集中優化來提高燃油經濟性，在通信受阻或系統故障等異常工況導致集中式控制失效時，采用分散式控制保障基本性能。因此，需要設計不同的控制架構與優化方法來滿足不同工況下艦船綜合電力系統的需求。

2）針對脈沖負載發射需求進行高功率短時間尺度的跟隨控制，要求能量調度趨優控制算法具備實時解算、快速響應的能力，而同時能量調度又需要協調脈沖負載連續發射、電力推進負荷調整等低功率長時間尺度的能量需求。

3）由于故障破壞及故障分區隔離都會使系統偏離原來的運行狀態而造成較大的暫態沖擊，因此，在艦船綜合電力系統緊急自愈重構中動態安全問題較為突出。

4）艦船綜合電力系統能量調度需要配合艦船任務需求進行多目標實時權重調整。與陸用電力系統在單一時間斷面上實現多目標尋優求解不同，艦船綜合電力系統的多目標優化調度應能不斷變換目標函數權重實現運行模式的切換，同時，保證頻繁切換下系統的穩定性［26-27］。

艦船綜合電力系統多時間尺度、多目標優化控制策略的自動生成是智能能量管理系統的核心功能。智能能量管理系統既需要能以燃油經濟性為目標，進行發電機組的自動發電控制，實現能源的高效利用；同時也能對應艦船不同的任務需求，以脈沖負載最大發射能力以及艦船機動性能為目標生成能量調度策略；并能在故障后以關鍵設備的供電連續性為目標，通過快速網絡重構和一系列緊急控制措施，保證系統的最大存活性。智能能量管理需要能夠在多個時間尺度、多個目標維度上優化和調控綜合電力系統的動態過程，保證系統經濟性、機動性和安全性都不斷趨向最優。

4　結　語

本文介紹了我國中壓直流綜合電力系統的進展，該系統采用二代綜合電力系統的網絡結構為一代綜合電力系統分系統設備供電，構成一代半艦船綜合電力系統，分析了該系統在建模仿真、不同類型機組并聯、系統穩定性分析和系統保護等方面存在的難點，給出了解決這些難點所采取的方法，并指出了我國中壓直流綜合電力系統下一步需要開展的研究工作。

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The research progress of the medium voltage DC integrated power system in China

FU Lijun，LIU Lufeng，WANG Gang，MA Fan，YE Zhihao，JI Feng，LIU Luhui

Science and Technology on Ship Integrated Power System Technology Laboratory，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China

Abstract：With the constant development of modern marine technologies, the vessel energy now can be distributed through an Integrated Power System, which is known as the third vessel power revolution. In this paper, the technical features of the first and second generation integrated power system are introduced. Next, based on the present domestic technical status, the research progress of the quasi second generation medium voltage DC integrated power system in China is presented, with the corresponding difficulties and problems analyzed, including the system model, electrical-magnetic transient simulation, the connected op?erator between the gas turbine generator set and the diesel generator set, the system steady analysis, and system layered protection. Finally, the solutions are proposed, which indicates that the development are re?quired on the medium voltage DC breaker, system energy storage, system safe operation, multi-time scale, and multi object system energy regulation.

Key words：integrated power system；medium voltage DC；energy regulation

作者簡介：付立軍（通信作者），男，1967年生，教授，博士生導師。研究方向：電力系統仿真建模、分析、系統設計、能量管理。E-mail：lijunfu2006@sina.cn

基金項目：國家重點基礎研究發展計劃資助項目（2012CB215103）；國家級重大基礎研究資助項目；國家自然科學基金資助項目（51377167）

收稿日期：2015 - 06 - 19網絡出版時間：2016-1-19 14:55

中圖分類號：U664.14

文獻標志碼：A

DOI：10.3969/j.issn.1673-3185.2016.01.009

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20160119.1455.004.html期刊網址：www.ship-research.com

引用格式：付立軍，劉魯鋒，王剛，等.我國艦船中壓直流綜合電力系統研究進展［J］.中國艦船研究，2016，11（1）：72-79. FU Lijun，LIU Lufeng，WANG Gang，et al. The research progress of the medium voltage DC integrated power system in China［J］. Chinese Journal of Ship Research，2016，11（1）：72-79.