新型電源結構下船舶綜合電力系統區域配電網技術

鄧任任，楊冬梅，陳永華，呂宏水

(南京南瑞集團公司，江蘇 南京 210000)

新型電源結構下船舶綜合電力系統區域配電網技術

鄧任任，楊冬梅，陳永華，呂宏水

(南京南瑞集團公司，江蘇 南京 210000)

隨著船舶行業技術逐漸向高端化發展的趨勢，綜合電力系統技術作為未來清潔高效環保的發展方向日益被重視。船舶電力系統的電源、配網、用能3部分相互影響，用能日益提高，電源部分的高密度、大容量要求嚴格，多相設計是滿足目前電源大容量需求的主要途徑。分析當前常用的配網結構，直流區域配電網技術具有結構適宜、安全性高的特點。結合區域配電的思想，本文提出配電網區域鄰接矩陣負荷管理辦法，對電網多級負荷的運行狀態、負荷計算、能量管理及其網絡重構進行分析，對飛輪儲能系統進行分析，相比傳統的鄰矩陣算法，分區管理思路能夠減少計算量，輔助能量管理系統提高船舶的管理效率。

綜合電力系統；電源；區域配電網；鄰矩陣；能量管理

0 引 言

面對海事環境污染問題，船舶逐漸向節能環保綠色方向發展，新型的高端船舶技術已成為研究熱點。作為船舶重要的組成部分，推進部分由機械式傳動逐步向電力系統發展，船舶的推進電力系統和日常用能電力系統合二為一構成船舶綜合電力系統[1-3]。

根據船舶電力系統設計的流程，負荷、電源、配網是設計電力系統首先考慮的三大部分，通過計算負荷確定電源的容量，根據電源的組成確定電力系統配網方式。推進部分是船舶用能占比最大的負荷，隨著大功率電力電子器件、電力電子拓撲結構和變頻調速技術的飛速發展，電力推進[4-9]技術逐步提高，成為新型船舶動力主要采用的方式。運用智能化、信息化技術，對船舶的主推進和其他用能進行綜合管理形成船舶綜合能量管理系統[10-12]。現代艦船一般配備基本的戰斗攻擊和防御系統，在滿足權限管理、大功率脈沖等作戰武器[13]特殊用能方向，提出能量動態優先管理[14-15]、飛輪儲能控制[16]等技術，實現用能的靈活調度。在電源方面，現代大型船舶要求具備高密度、大容量特性，多相發電技術[17-20]逐漸得到應用，采用技術成熟的電力電子器件，結合新型的拓撲結構，滿足大功率電力變換，克服了現有器件技術的不足。通過主配電板、分配電板、區域配電板等組成電源的供電網絡供給負荷側用能，新型配電網絡拓撲結構[21-22]也是綜合電力系統的重要部分，相關學者在區域配電網[23]、配電網重構[24-25]、智能體結構優化[26]、電網的穩定性[27]等方面開展研究。區域直流配電技術是目前研究的重點，包括區域直流配電網穩定性[28-29]、中壓直流綜合電力系統[30]、電力電子設備[31]等研究。

基于上述研究現狀，分析現有的電源技術，研究區域配電網原理及其拓撲結構，在電網故障時利用結構重構的方法維護電網安全穩定。提出適應未來新型需求的區域配網管理辦法，并根據目前的直流配電網的發展趨勢，研究區域配電在直流配電網中的應用。系統可通過連接市電搭建，進行仿真模擬，通過監控裝置、傳感裝置清晰地了解船舶負荷運行狀態、負荷等級、負荷功率。區域管理辦法可以減少數據的計算量，有效地輔助船舶能量管理系統進行負荷管理及配網故障的實時處理。

1 配電網電力類型

1.1 集成電源

多相交流電源、整流電源、交直流電源等新型的電源在大型的船舶和艦船上已得到應用，能夠同時滿足功率、空間上的要求。多相電源是一種集成電源，在發電側能夠提供足夠的電能，在推進部分，配套多相發電技術的多相變頻技術，可以降低各相的電壓電流水平，能夠使用目前較為成熟的功率器件實現大功率變頻調速。

如圖1所示為交直流發電機拓展結構，其直流側可視為多相整流電機，將交流電機、12相整流模塊、勵磁系統集成為一體，發出的直流電供直流配網使用，交流側發出的三相交流電供交流配網使用。交直流發電機采用5出線，三相交流和兩相直流，功能上能夠同時滿足交直流負荷的需求，即交流電源-交流配網和直流電源-直流配網。

圖 1 交直流發電機電路拓撲結構Fig. 1 AC and DC generator circuit topology

1.2 區域配電

環形配網結構能夠提高電網的安全性，但會隨著負荷的增加逐漸形成具有冗余功能的臃腫的大系統，回路交叉，布線復雜。相比于這種配電方式，區域配電作為一種新的思路，具備環形電網的冗余技術，并且可以減少電纜用量，減少電纜穿艙孔數量和面積，降低配電系統尺寸、重量，提升了船舶整體架構的安全水平。

圖 2 區域直流配電網絡Fig. 2 Regional DC distribution network

直流配電相比與交流擁有總體損耗較少、諧波失真較少等明顯優勢，并且直流配電能夠實現發電機與電動機的頻率解耦，使得發電機維持在最大工作效率狀態，已經成為新一代船舶電力系統發展的方向。

2 配電網管理辦法

船舶電網是一個整體連通的網絡，當電網中某些關鍵的線路發生故障時，會對其他邊緣的線路和負荷功能產生影響。對比現有的配電網結構，輻射式配網結構不能保障重要負荷在受到故障影響時的連續運行，網形結構比較復雜，環形結構是現代船舶、艦船應用最多配網方式，它具備對電網安全性要求的設計，同時也滿足對現有負荷的承載量。

如圖3所示為環形配電網的電源、負荷無向圖結構，對于連接通路的表示方法，目前采用較多的是鄰接矩陣法。bij表示節點i和j的連接關系，bij=1表示2節點在電氣連接上存在連接通路，bij=0則表示兩點無連接，從而形成改配電網絡的鄰接連接矩陣{bij}，如圖4所示。

鄰接矩陣法的優點是結構性強，分析過程清晰，數據組織簡單，適應性強。適用于任何復雜的連接方式，但其缺點是計算量大，計算速度比較慢，不適用于網絡拓撲的實時分析。特別是隨著船舶配電網的復雜程度的增加，關聯矩陣表示法的計算量會更加龐大。

圖 3 環形配網無向圖Fig. 3 Ring distribution network undirected graph

圖 4 鄰接矩陣Fig. 4 Adjacency matrix

3 基于區域鄰接矩陣算法的直流配電網負荷管理應用分析

3.1 區域負荷管理

直流區域配電是未來新型的配電網技術，電力系統網絡結構的變化必然會導致原有能量管理系統的不足之處。配電網的負荷管理是能量管理的重點內容，結合船舶的工作模式，通過動力配置及電力負荷計算，確定用電模式及其切換策略。

如圖5所示為某一中壓艦船的直流區域配電網的電力系統示意圖，其能量管理涵蓋發電、輸變電、推進、配電各部分，實驗時可借助于市電電源，結構示意如圖6所示。

圖 5 艦船電力系統結構示意圖Fig. 5 Ship power system structure diagram

圖 6 市電電源結構示意圖Fig. 6 Mains power supply structure diagram

結合區域配電網獨立運行的特點，本文在研究配電網負荷管理上，采用區域鄰接矩陣算法，縮減了算法的復雜程度。如圖7所示，Labcd為船舶的某一負荷，a為負荷所處的配電區域，船舶的主要配電區域不超過2位數；b為負荷等級，按照負荷重要性的優先等級劃分為I級、II級、III級等多級負荷，I級負荷為最高優先權；c為對應負荷區域等級下的負荷編號；d為負荷的狀態，1為工作狀態，0為非工作狀態。

圖 7 區域負荷分布矩陣Fig. 7 Regional load distribution matrix

通過矩陣式的表達形式將各區域的電力負荷清晰的表達出來，實時了解每個配電區域、各級負荷的狀態，在遇到特殊情況或故障狀態時，輔助能量管理系統進行負荷的計算，實現最佳的操作方案；在滿足電力電子器件的容量限制的前提下，最大限度地恢復重要負荷的供電，并且減少重構開關的操作次數。

區域配電將各區分別進行監控管理，每個區域的負荷電氣連接狀態如圖8所示，bijk為i區域中的負荷j與負荷k的電氣連接狀態，通過每個區域負荷的縱向矩陣了解此負荷的連接通路情況，根據負荷編號的編碼原則，按照負荷的優先等級從小到大依次編號，每個負荷的編號在系統中已經對應其負荷等級。

圖 8 區域負荷關聯矩陣Fig. 8 Regional load correlation matrix

關聯矩陣能夠輔助能量管理系統快速定位負荷及其運行狀態，對于出現故障工作失效的負荷能夠及時反應并對其進行維修或者采用備用連接；在電機故障需要減負荷運行時可以通過負荷的優先級進行有序調整，保證重要負荷的用電；在特殊情況下還可以轉移其他負荷的用能來保證某些特殊負荷的持續運行，實現船舶負荷靈活調控管理。

3.2 儲能系統管理

電力系統都會受到動態特性故障、投切負載、敏感負荷供電、大功率電力電子器件諧波干擾等影響，對于用電質量要求高或者有大功率脈沖負荷需求的船舶，會配置儲能模塊以滿足系統供電需求。

如圖9所示為飛輪儲能電力系統結構示意圖，儲能系統作為配電網的一種負荷，和其他配電區域一樣通過配網母線連接形成獨立的運行空間。利用區域配電管理的思想，將儲能電力系統分為2種工作模式，一種是電網的調節模式w1，起到平滑電力系統波動的作用，可以提供重要負載不間斷供電并對大功率脈沖負載引起的電壓波動進行補償；另一種是大功率脈沖模式w2，為某些特殊負荷提供脈沖電源。Lw1-1表示初始儲能，Lw1-2表示保持儲能，Lw1-3儲能狀態，Lw1-4表示釋能狀態。Lw1是一種被動模式，隨著船舶電力系統的波動進行調整，Lw2是一種主動模式，是為滿足一些大功率脈沖用能，配合結合能量管理系統進行能量的合理調度。

圖 9 飛輪儲能電力系統結構圖Fig. 9 Flywheel energy storage power system structure

通過儲能系統的運行狀態（見圖10）將其作為電源和負荷進行管理，在儲能狀態作為負荷管理，在釋能狀態作為電源管理。特殊情況下的脈沖負荷作為優先權最高的負荷，配合能量管理系統減少其他負荷用能，滿足高功率大脈沖的需求，結合區域配電網思想將儲能系統納入區域負荷計算，展示船舶的整體負荷特性。

圖 10 儲能系統運行狀態矩陣Fig. 10 Energy storage system operational status matrix

3.3 試驗預期結果分析

3.3.1 網絡重構

類比陸地的區域配電網的思路，運用此方法，對現有陸地配電網的65個1級和2級負荷進行模擬試驗，其中包含1級負荷25個，2級負荷40個，分別進行10次試驗測試，其中1級負荷的故障狀態下網絡重構成功率較高，2級負荷的故障重構率為80%，2種負荷同時進行故障測試時，重構率為70%。隨著故障復雜程度的增加，開關動作次數變多，重構效率也會降低，出現不動、誤跳現象，有時候需要人工完成。對于船舶電力系統，目前可能會面臨較多的難題，分析原因可能會由于線路結構設計不合理、電力電子器件諧波引起系統波動性大、電磁兼容性、優先級管理、負荷實時計算算法等問題，會出現過流、過壓、開斷信號出現誤差，造成試驗結果（見表1）的成功率不高，還需在精確度上要做好相關技術改進。

表 1 試驗結果Tab. 1 Test results

3.3.2 區域能量管理

按照區域獨立運行，聯合調度的思想，船舶電力系統的能量管理仍然需要各個區域的相互協調。設Pimax為系統i區能夠提供的最大功率，Pi為i區域的負載總功率，Pir為i區的備用容量，它們之間的關系為：

Pir為負值時，表示該區域的負荷超載，需要從其他區域提供更多的能量；Pir為正值時，表示該區域容量有剩余，可以作為其他區域的備用容量。

在選擇區域能量調度方案時，每個區域轉移進來功率一定是大于轉移出去的功率，如果區域內出現故障，無法有效的轉移負載，采取卸載負載的辦法。

儲能系統區域通過直流母線為船舶電力系統提供故障時間的功率支持，是一個特殊的區域，在保持狀態時Pir為正值，是一個定值，在儲能狀態時Pir為負值，需要從其他區域吸收能量，是一個動態值。一般系統出現區域能量的不均衡時，優先考慮各區域內部、區域之間的調節，不會考慮儲能系統。能量的不均衡分為2種情況，一種是短時間的波動，另一種是持續的故障。船舶配網的距離短，系統耦合性強，采用較多的電力電子器件，飛輪儲能系統在電網短時故障時可以起到平滑波動的作用，使得系統電壓穩定。

如圖11所示為系統故障后對儲能輸出功率進行的仿真試驗，結合勵磁調節作用使得電壓恢復到正常運行狀態。圖11（a）試驗通過儲能系統達到某一穩定狀態后，在第15 s對其中某一區域的功率缺失進行補償，在功率缺失的一瞬間，電壓有下降趨勢，通過儲能加勵磁調節作用將電壓恢復到700 V左右。圖11（b）為增大區域功率缺失的試驗，同樣取得較好的效果。

圖 11 儲能系統能量調度仿真結果Fig. 11 The simulation results of storage system energy scheduling

3.3.3 配電網方式的比較

依據能量矩陣的方式能夠快速的鎖定故障區域，減少節點和支路的遍歷次數，減少故障重構解的總次數；結合鄰接矩陣管理辦法，清晰地展示各區域開關、負荷的配電拓撲關系；基于區域功率的約束條件，尋找最優解。

在系統計算重構解的過程中，如果采用區域跨接重構的方式會使得整體解成倍增長，一般不計算整體重構的次數，這也是區域配電網的最大優勢。當區域之間的能量缺失過大時，會通過能量矩陣反饋相關的信息，建立區域聯接的重構方案，這些都是要通過能量矩陣中Pir的變化來判斷。

如圖12所示為船舶電力系統的一個配電區域，直流配電網在母線變換側通過多路DC/DC直流變換模塊降低電壓，在配電區域通過多路DC/AC逆變模塊進行轉換，滿足交流用電負荷的需求。圖中1，2，3，4為常開的聯絡開關，在系統內部設置有多處這樣的開關，保證重要負荷的穩定運行。上層的聯絡開關，包括區域之間的聯絡、區域與電源母線的聯絡開關等也是船舶電力系統靈活拓撲結構的關鍵組成部分。

圖 12 整流逆變模塊拓撲圖Fig. 12 Rectifier inverter topology

采用2種方式進行對比，方式1為區域配電網，方式2的對象是配電網整體。方式1中的上層聯絡開關為常開開關，方式2中的上層聯絡開關為常閉開關。試驗結構為重構解的次數和計算時間，如表所示，方式1是通過能量矩陣快速鎖定區域配電網的重構結果，方式2是全網遍歷后的計算結果。試驗具有一定的代表性，但方式1也會遇到相對復雜的情況，需要通過區域聯接來進行能量的平衡和故障排除，這種情況會增加重構的次數和計算時間，具體需要結合實際情況處理。

表 2 配網方式的比較Tab. 2 Comparison of distribution network

4 結 語

隨著船舶電氣化、智能化及其模塊化技術不斷的發展，綜合電力系統將成為未來船舶重要特征之一。本文對船舶綜合電力系統的源、網、荷進行了研究分析，目前高功率密度的集成電源、新型結構的配電網研究成果已經在很多場合得到應用，解決了船舶電站大容量和高可靠性供電的需求，形成船舶綜合電力系統的時機逐漸變得成熟。通過研究船舶環形配電網結構，分析現有的電源、配網、負荷三者的相互關聯及其影響，基于區域配電網的思想提出配電區域負荷的鄰矩陣管理方法。利用區域配電網分區獨立運行的特點分別對負荷進行管理，可以在負荷實時分析、網絡故障重構方面減少總體計算量，提高運行效率。同時文章對船舶電力系統的飛輪儲能系統進行分析，滿足區域配電網獨立運行的特征，可采用區域管理的辦法，納入負荷矩陣計算。在試驗驗證部分，通過對網絡重構、能量調度、區域配電網優勢對比分析，闡述了本文提出方法的優勢和仍需完善的內容。船舶電力系統是未來發展趨勢，區域配電網是現代主流思想，結合新型電力配網結構下的電力系統保護、冗余技術、電網安全穩定技術、大功率脈沖技術，輔助綜合電力系統能量管理，是接下來研究的重點方向。

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Research on regional distribution technology of the ship integrated power system with the new power supply

DENG Ren-ren, YANG Dong-mei, CHEN Yong-hua, LV Hong-shui
(NARI Group Corporation, Nanjing 210000, China)

With the high-end development trend of marine industry technology, integrated power system (IPS) as a clean, efficient and environmentally friendly way in the future developing direction which is being paid more attention to be researched. The ship power, distribution network, energy parts influence each other. The ship energy increase fast, high density and large capacity power supply requirements strictly. Multi-phase power system is the main way to meet the demand of the power supply. By the analysis of the existing distribution network structure, DC regional distribution has the characteristics of structure is suitable and high security. Combined with the regional distribution thought, the paper proposes regional adjacent matrix load management approach witch adopted on multilevel load operating condition, load calculation, energy management and network reconfiguration analyze. We also analyzed the flywheel energy storage system. Compared with the traditional adjacent matrix algorithm, area partition management can reduce the calculation quantity, is a useful auxiliary method for improving energy management efficiency.

integrated power system；power；regional distribution network；adjacent matrix；energy management

TM743

A

1672-7649(2017)11-0111-06

10.3404/j.issn.1672-7649.2017.11.021

2017-03-22

鄧任任(1987-)，男，碩士研究生，研究方向為電力系統及其自動化。