電力電子化趨勢下的艦船電力系統面臨的主要問題

劉漢宇 王 偉

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

引 言

自電力系統建立以來，電能的靈活控制、特性調節和高效存儲就一直是希望解決的重大難題。近年來，電子集成工藝技術與電力控制技術的成功集合，使大功率電力電子器件開始有能力在電力系統發揮突出的作用，并有望逐漸實現電力系統走向智慧電力可控的重大需求。電力電子器件（包括全控型、半控型和不可控型的電力二極管等）以不同時間尺度的快速固態通斷替代了傳統電路中的機械開關，而且通過各類拓撲結構的變換改變著電力系統的電氣性能和運行性能。

在電力系統的某一環節或多個環節中，當電力電子變流器的數量和容量達到一定規模時，此系統與傳統交流電力系統的運行特性相比有很大差異，傳統電力系統中所用的分析方法已不再完全適用，或者使用時會帶來較大分析誤差，此時的電力系統就不再是完全的慣性發電機組特性的電力系統，而是電力電子化電力系統［1］。這些電力電子裝置由各種電力電子器件構成的電路組成，并非直接用于產生電能，而主要用于大功率電能的變換和控制其主要包括直流/直流變流器、交流/直流變流器、開關電源、變頻調速裝置、無功補償裝置等。這些裝置的核心是各種功率半導體器件，包括：半控型器件，如晶閘管；全控型器件，如GTO（門極可關斷晶閘管）、GTR（電力晶體管）、MOSFET（電力場效應晶體管）、IGBT（絕緣柵雙極晶體管）；不可控器件（電力二極管）。

電力系統的電力電子化程度直接影響著系統的配置、建模、控制、運行和保護等所有方面，是最重要的指標之一。當前對“電力電子化程度”的定義并未形成共識，但一般以電網中具有多大的電功率是通過電力電子化的裝置傳輸到負載使用端來描述電力電子化的程度。

電力電子化的電力系統包含以下3個應用層次：

（1）裝置的電力電子化

由電力電子器件構成的實現特定電能轉換功能的裝置，比如交流/直流變換器DC-DC 裝置和電壓源型變流器VSC裝置等。

（2）電力系統局部的電力電子化

電力大系統中的某些子系統，由多個電力電子變流器構成，但是向負載供能裝置仍包含傳統的鐵心器件或慣性器。這是一個不完全的電力電子化系統，其變流裝置仍然需要按照傳統的交流電力系統特性來運行，這也是當前陸用的一些配電網中變流裝置要采用虛擬慣性控制、虛擬發電廠/電站、虛擬同步控制等產生的原因。

（3）全局性系統

在全局性系統中，所有負載的功率均由這些電力電子裝置提供，是完全化的電力電子系統。目前陸網中尚無成熟的此類系統應用，因此，其必然需要形成一套全新的與電力電子器件網絡相適應的分析方法和調度、運行、控制、保護策略。

圖1 陸地大電網電力電子化示意圖

隨著技術的成熟，在陸地大電網中，不少電磁式的變換裝備正逐步被電力電子變換裝備所取代，這也成為陸地大電力系統發展的一個重要趨勢之一［3］，如圖1所示。當前若干非慣性發電機組的新能源發電裝置通過電力電子上網裝置共同組成具有全新特性的發電側，與傳統的水電、火電、核電等電源端共同向電網輸送電能，且其滲透率已經不可忽視。同時，在輸電、變電、配電側也出現了電力電子化的功能設備。這些電力電子化的電源、負荷裝備及電力網絡的動態特性是電力電子化電力系統與常規電力系統最核心的區別，也正是體現電力電子化電力系統特殊動態問題的關鍵所在。

1 電力電子化對電力系統帶來的影響

電力系統經過電力電子化后將面臨以下的主要問題：

（1）傳統的電參量理論已經不適應，因為傳統的系統時間尺度較大。

（2）系統慣性變小。傳統的旋轉型發電機組帶來的慣性優勢被整流環節或者低慣性電源所取代［4］。

（3）短路容量減小。電力電子設備快速閉鎖，變流器大量應用。

（4）網絡特性發生根本性變化。若干變流器和逆變器經過串聯、并聯或者串并聯之后形成的變流器網絡在協調控制的前提下可實現特定的技術目標。這樣的網絡優勢就是可以根據應用需求方便地通過串聯、并聯來改變電力電子化網絡的電壓、電流等級。當然，模塊化也帶來了潛在的風險，即系統可靠性降低。系統由一個RL型網絡變成了RLC型網絡。

（5）穩定性問題發生了重大變化。大功率的電力電子裝置降低了網絡區域間震蕩的阻尼，導致在交流側系統振蕩時，無法做出克服震蕩的貢獻；功角穩定和電壓穩定的過渡過程縮短；裝置帶載能力降低；系統振蕩問題凸顯，包括電力電子裝置內部自身振蕩，電力電子裝置與系統之間的振蕩，多變流器并聯運行的振蕩問題，電力電子裝置與大功率電動機負載的振蕩問題等等。

（6）系統保護要求的變化。電力電子設備保護動作時間（十幾微妙級甚至更小）比現有保護動作時間短，系統保護與裝置自身保護之間的配合困難。

2 綜合電力系統的電力電子化

目前世界各國正在廣泛地開展艦船綜合電力系統技術的工程應用，綜合電力系統對艦船中原來相互獨立的動力和電力兩大系統進行整合，并以電能的形式統一為艦船推進負載、脈沖負載、通信、導航和日用設備等供電，從而實現了全艦能源的綜合利用［2］。當前應用最廣的綜合電力系統技術為第一代艦船綜合電力系統技術，其技術特征為：發電子系統采用中壓交流工頻電制的同步發電機組；供電子系統采用中壓交流工頻電制的配電網絡；變配電子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；推進子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。

未來大功率脈沖型負載的規模化上艦的需求越來越明晰，對艦船電力系統的構建提出了更高的性能要求，響應更快、功率更大的負載和電源將被要求接入到系統中來，第一代綜合電力系統很難滿足這樣的要求。近年來，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，為滿足更高要求的綜合電力系統構建創造了堅實的硬件條件，在此背景下，提出了第二代綜合電力系統。由于其電站采用中壓直流電制進行能量輸出，故第二代綜合電力系統也被稱為中壓直流綜合電力系統。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。其系統組成如圖2所示。圖2的中壓直流綜合電力系統根據電制的不同劃分成3個層次網絡，分別是中壓直流供電網、直流區域變配電網和日用負載配電網。三個網絡分別由整流發電機組、大功率變流器和標準化逆變器進行能量輸出。從能量的流動角度看，中壓直流綜合電力系統中負載的每一瓦功率都是由這些電力電子裝置直接提供（如圖3所示）。

圖2 二代綜合電力系統的系統組成圖

圖3 二代綜合電力系統的系統單線圖

中壓直流供電網絡，無論其電站形式中是哪種原動機（包括柴油發電機組、燃氣輪機發電機組或者汽輪發電機組等），其電能出口端都是通過十二相整流裝置直接提供中壓直流電，中間通過若干電力二極管實現整流，輸出數千伏的中壓直流電。

直流區域變配電網絡，其任務是將中壓直流電能變換到電壓等級低于1 kV的低壓直流電，并由若干DC/DC變流器構成左右舷母線配電的直流區域變配電網絡形式。整個直流區域配電網絡由多臺獨立的DC/DC變流器構建，兩條母線共同承擔分區的負載。因此，如果在該區域配置低壓直流負載，其電能的獲取只能來自于DC/DC變流器。

日用負載配電網完成對低壓交流負載配電，其負荷要求與傳統的交流艦船電力系統相近，往往采用AC380V的輸出電制。然而電能來源并非慣性交流發電機組，而是來自于DC/AC逆變器裝置。該裝置的電能輸出端為直流區域變配電網絡，輸出為低壓交流電。逆變器裝置采用了標準化的逆變器模塊單元［5］構建，功率等級可調。典型的中壓直流綜合電力系統的單線圖如圖3所示。中壓直流綜合電力系統的交直流混聯三級網絡都由電力電子器件供電并相互隔開，每級網絡都可以接入所需的電力負載，由于電力電子供電裝置的特殊工作條件，將會對整個系統的運行工況和運行條件帶來根本性的變革。顯然，系統的運行變得非常靈活，特別是低壓直流區域配電網絡，多個DC/DC和DC/AC的相互匹配，存在多種供電方式和供電路徑，但同時也大大增加了系統保護的難度。

因此可以認為，無論是掛在中壓直流供電網的負載，直流區域變配電網絡的負載還是日用負載配電網的負載，其電能都來源于電力電子裝置，即整個中壓直流綜合電力系統中所有負荷的電能需求都是由電力電子化的裝置提供。所以中壓直流綜合電力系統是一個“完全電力電子化”的全局性系統，通過電子電子化變配的電能滲透率達到100%。中壓直流綜合電力系統的本質也并不是“中壓直流”，這只是所選擇的電制而已，其本質應該是“完全電力電子化”。正是因為中壓電力系統具有“完全電力電子化”的特征，故使其眾多特性發生重大變化。

3 綜合電力系統的特性

中壓直流綜合電力系統具有完全的電力電子化特性，因此系統面臨的問題將比局部電力電子化的陸地主動配電網更加嚴重。電力電子化帶來的影響在中壓直流綜合電力系統中主要體現在以下幾個方面。

3.1 電力電子化電力系統的電網結構

中壓直流綜合電力系統可以利用其大功率電力電子裝置在電能快速轉換上的巨大優勢，解決傳統船舶電力系統中當配置不同運行特性的發電機組時的并網難題；同時，還可更進一步針對不同應用需求和裝置條件快速方便地構建某一特殊電制的單獨功能子網絡，這大大提高了對不同要求的負荷供電的靈活性。比如，為了提高系統運行的靈活性，滿足艦船在各種不同航行和任務工況下的電能需求，艦船發電系統的電站一般都會配置大容量發電機組和小容量發電機組。而對于中壓直流綜合電力系統而言，大容量發電機組如果選用燃氣輪機或汽輪機組，小容量發電機組如果選用較小功率的燃氣輪機或柴油機，其運行頻率和出力特性是完全不同的，而且相互之間的最佳工作頻率點也不相同；更關鍵的是其原動機的調速性能差異極大，尤其在是艦船負荷突加或突卸時，機組所需承擔的功率額度反映到轉速上，其穩定時間尺度甚至相差一個量級以上。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，系統無法并聯運行。

電力電子化后的中壓直流綜合電力系統通過整流發電機將不同的原動機發電機組并聯運行，發出中壓直流電，同時可構建中壓直流供電網絡，并向下級網絡提供中壓直流電能的輸出。下級配電網絡利用變流器裝置進行構建。由于中壓直流電能直接變換到低壓交流電制時往往需要設置中間環節，同時考慮到低壓交流電制的變換裝置DC/AC變流器的帶載能力也有限，因此可設置低壓直流電制進行過渡，并根據實際情況進行構建低壓直流配電網絡，此網絡往往設置成區域配電網的形式，并可在其中配置相應負載，組成新的直流區域配電網。

通過直流區域配電網絡將電能再向下級變化和配送時，可較容易且高效率地實現DC/AC向低壓交流電制轉換，構建低壓交流配電網。但由于逆變器功率能力、過載能力和并聯運行能力的限制，則是多個逆變器組成的配電網結構，從而進行分布式配電或局部集成配電。

3.2 系統的控制

中壓直流綜合電力系統的控制涉及到多個方面，比傳統的交流艦船電力系統要復雜很多，主要是因為其控制對象增加了大量的電力電子裝置，而這些裝置將與電站機組共同構成主要的控制手段，實現功率的二次調節。

對于直流電網的功率控制與交流電制電網相比差異較大。并聯的整流發電機的輸出直流功率大小直接由電壓高低決定，電壓越高，輸出功率就越大。發電機調速器調節其穩態有功功率，而勵磁系統則調節發電機的動態響應情況，兩者相互協調，從而弱化了對原動機調速性能的要求。利用勵磁系統快速精確的勵磁控制特點來彌補原動機調速特性差的不足，從而在系統上解決對不同功率等級、不同調速性能的發電機組并聯問題。

另外，中壓直流綜合電力系統中的三級供配電網的結構，使不同參數的電力電子化器件構成上下級聯。這些電容型裝置將使網絡阻抗特性發生根本性變化，整個電網將有可能呈現出RLC特性，這些電力電子裝置級聯時阻抗不匹配成為影響綜中壓直流綜合電力系統穩定性的重要因素如果在某種運行工況下配置失當，將會引起嚴重的穩定性問題，另一個影響穩定性的重要因素是推進變頻器對電力推進負載的帶載能力問題。推進負載功率較大，所以一般由中壓直流供電網絡供電，但是由于推進負載的恒功率特性，需要通過對變頻器進行相關處理以增強系統阻尼，避免發電機帶推進負載時振蕩失穩的問題。

3.3 系統的保護協調

綜上所述，通過電力電子裝置的能量變化器，中壓直流綜合電力系統的電網結構被劃分為中壓直流供電網、低壓直流區域配電網和低壓交流負載配電網三個層次。雖然三個層次網絡彼此之間仍然存在強耦合聯系，但對各層級的負載和保護而言，三個層級的運行和保護聯系最緊密的是各自的直接供電裝置。中壓直流供電網是整流發電機組，低壓直流區域配電網絡是變流器，低壓交流負載配電網是逆變器，三個網絡在保護上既相互聯系，又被這些電力電子裝置進行隔離。因此，為減少系統不同層次網絡短路故障的影響范圍，對保護的要求不僅要解決本層次網絡中電力電子裝置保護與系統保護的矛盾，還需要實現三個層次網絡之間的保護配置應相互匹配。當前還沒有成熟的保護策略，未來需要提出保護策略來滿足實現系統不同層次網絡內部和網絡之間的協調保護。

由于中壓直流綜合電力系統的電力電子器件起到電源和隔離的作用，逆變器和變流器等設備都缺乏慣性，其故障電流持續時間完全由支撐電容來提供，發生故障時的逆變器輸出端電壓跌落非常快。因此采用由電力電子器件構建的固態斷路器在未來綜合電力系統中具有廣泛的應用前景。與傳統的機械式斷路器相比，固態斷路器具有以下顯著優點，主要為：

（1）開關速度極快，其開關時間可達微秒級；

（2）具有短路電流限制能力；

（3）能準確控制開關時刻；

（4）開關工作時沒有電弧產生；

（5）工作可靠性高、壽命長；

（6）易實現精確、智能控制。

3.4 系統的儲能

中壓直流綜合電力系統中存在多種不同需求的功率脈沖型負載和其他一些常規負荷，由于慣性發電機組很難在小時間尺度下提供較大功率，所以需要儲能裝置進行支持。

傳統的艦船電力系統都只采用某一種儲能裝置且往往只作為應急電源使用。但在二代綜合電力系統中，由于單一儲能裝置主要在能量密度、功率密度和響應時間等方面都難以滿足系統在多種不同運行工況下對各類儲能需求負荷，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）上的要求，因此需要考慮采用負荷儲能的方式，并且從全系統應用的角度出發來構建系統級儲能，建立基于多種不同儲能方式的復合協調配置模型，并設計相應的協調控制方案。由于中壓直流綜合電力系統的電網結構復雜，運行工況靈活，其儲能配置運行方案將以滿足多目標運行優化的目的來構建。同時，考慮到儲能裝置的不同特性，需要專門研究不同類型儲能裝置之間所組成的配置方案、能量調控方法以及相關控制策略。

3.5 系統的安全運行

由于需要大規模搭載大功率脈沖型負載，如不加以限制，其瞬時功率沖擊效應會通過電網直接作用于整個系統。若此時系統慣性儲能不足，則必將拖垮整個系統，造成全艦失電或部分區域失電的后果，影響到全艦域的綜合電力系統供電品質和系統的安全穩定運行。在艦船綜合電力系統中需設置系統級儲能來吸收這樣的瞬間電能沖擊。大功率脈沖負載在運行中的表現為其處于短時重復性放電和充電的交替狀態，這就使得整個綜合電力系統不再只有一個功率平衡點，而是表現為一系列周期性的交替過程。

傳統交流艦船電力系統的穩態電壓失穩主要是由發電機的勵磁輸出與電動機的負荷特性和變壓器帶載調壓特性不匹配所致，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，造成系統無功功率不足而引起。而中壓直流綜合電力系統的失穩主要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所致，而且此系統的穩態電壓穩定屬于小干擾穩定［6］。

由于大量電力電子裝置的存在，使得中壓直流綜合電力系統的動態過程十分復雜，系統控制在時間尺度上的跨越很大。系統中既存在著由開關電源動作所引起的快速電磁暫態過程（微秒級）；也存在機電過渡暫態過程（毫秒級）和脈沖負載運行時的大功率瞬間沖擊（毫秒級）；除此之外，還有儲能設備的充電過程（秒級）和艦船船體機動控制響應過程（分鐘級），以及艦船航跡規劃的長期穩態變化過程（小時級以上）。顯然，這就要求對中壓直流綜合電力系統的控制和能量調控具有多時間尺度的能力［7］。正是由于設備和系統上時間尺度上差異較大，使得對中壓直流綜合電力系統的控制和調度非常復雜，需要針對以上特征重新設計系統控制策略和運行方式。

4 結 語

隨著電力電子技術的不斷發展，艦船電力系統（特別是綜合電力系統）已經逐步開始不同程度的電力電子化進程。為解決當前綜合電力系統所面臨的挑戰，特別是滿足大功率脈沖型負載的規模化上艦需求，艦船電力系統也必須從多個方面進行根本性的變革，而電力電子化的綜合電力系統就是解決這個問題的主要方法。由于中壓直流綜合電力系統的完全電力電子化，使其與傳統的艦船電力系統存在根本區別。本文分析了電力電子化電力系統面臨的主要問題，針對綜合電力系統的特點，梳理并提出中壓直流綜合電力系統所面臨的主要問題，為后續研究和系統設計提供參考。