船舶電力系統穩定性研究

【摘 要】由于市場經濟的持續發展和全球貿易的逐步深入，不同區域和國家之間的貿易往來越來越多。在這種情況下，船舶運輸由于其高容量裝載和低成本傳送的獨特特性，已演變為跨境貿易的主要運輸方式。為了保證海上運輸的安全，在當前船舶運力不斷增加的情況下，對其電力系統運行的穩定性情況開展深入研究有著非常關鍵的意義。因此，本文以船舶電力系統的配置分析為起點，闡述了影響系統穩定性的原因，并就提高穩定性提出一些觀點，從而為相關行業提供參考和思路。

【關鍵詞】船舶電力;系統運行;穩定性

一、船舶電力系統配置概述

船舶動力系統主要由四個部分組成：供電、配電、電網和電力負荷[1]。這些要素是用于電力系統中電能的供應、分配、傳輸和消耗的整個設備。發電單元主要是發電機組或電池，而通用發動機是柴油發動機。配電設備是發電和消耗電力的重要組成部分，而電網是連接各種電源電纜的通用術語。應急電力系統在補充電力系統穩定運行中起著關鍵作用。

由于船舶的電容量較小，輸配電距離短，因此任意部件出現損壞都會影響船舶整個電力系統的運行，并給船舶的運行造成潛在隱患。當船舶出現短路故障時，會產生很大的突擊電流，即使突擊電流只存在了一段時間，但也會極大地影響船舶的電氣裝備，從而導致一連串的問題。為了確保穩定性，在船上運行的情況下，有必要改進同步發電機的電壓調節器和電機轉速調節器的動態性能。過去使用的PID控制模式往往會由于電磁參數的變動而影響電力系統的穩定性，所以有必要更改控制方法，并采用相對先進的控制算法。

二、影響船舶電動機運行穩定性的因素

在研究船舶的電力體系時，有必要在小干擾后根據電力體系的運行情況對電力體系開展歸類。假如電力系統在受到干預后可以立即返回其正常運行狀態，則說明這是靜態穩定性，這表明電力系統在持久使用階段中具有控制自身的能力。發生故障后，電力系統會在短時間以全新的運行狀態工作，該狀態不能維持太久而且與原始運行狀態存在差異性，在這種狀況下，表現為電力系統的動態穩定性。靜態穩定性是指電力系統可以確保系統能夠回歸到類似于故障后的干擾之前的運行情況，所以它對船舶電力系統的穩定性影響很小，而動態穩定性對船舶動力系統的影響越來越大。

影響電力系統運行狀況的主要原因是系統里負載的變更。在船舶操作階段，常常會出現諸如轉向器接入和起錨機接入的情況。這樣的負載裝備通常不存在于電力系統中。但如果開始使用并連接到電網，載流量便會立即增加。此時，電網的正常運行會受到嚴重影響，并將迅速增加電網的運行壓力，損壞電網的穩定運行。另外，在船舶的電力體系中，因為自身故障和錯誤使用引起的短路也會影響動力系統的穩定性，而且在這種狀況下，對電力系統穩定性的影響相比于負載設備的突發訪問產生的影響要大的多。

三、電力系統建模分析

在對電力系統展開建模研究時，必須提前考慮系統的關鍵組件。電力體系中最要緊的組件是電網、負載、發電機和勵磁體系[2]。所以，建模整個階段應一直以發電機為中心來執行，然后在此基礎上研究船舶動力系統的穩定性。

上式是同步發電機的建模方式。除此之外，在分析船舶電力系統穩定性時，還應該進行勵磁系統分析。在這里，我們將設備的輸出電壓設定為Ur，將d軸端電壓設定為Ud，將q軸端電壓設定為Uq，并將移動電抗設定為x。那么建模公式為：

有關研究表示，分析電力系統的穩定性可以有效提高船舶運行的安全性。我們有必要控制電源系統的運行，以使其不會由于運行期間突然的負載連接而引起劇烈的波動。首先，應按照負載設備的重要性對其進行分類，并在電路上連接必須的設備。如果某些設備連接緩慢或容易連接失敗，則需要交錯電路的連接時間。這樣可以盡可能地減輕電路系統的壓力，避免了許多負載設備同時進入電路，以此導致很大的電流波動，從而影響了電源系統的平穩運行。其次，當由于自身損壞或錯誤操作而在電力系統中發生短路時，一般使用空調和強制勵磁來完全釋放發電機的勢能，從而保證電力系統可以在故障時期保持在相對穩定的狀態連續運行，防止出現安全事故。

四、提高船舶電力系統穩定性的措施

1.進行勵磁裝置的自動調整

采用勵磁調節系統的優點主要是可以迅速將發電機端的電壓保持在工作所需的等級，并且可以防止產生因電抗補償不足而影響電力裝備消耗的情景。事實證明，使用自動勵磁調節器能夠縮減發電機的制造成本，因為它可以減少發電機電抗的方式，因此具有很大的優勢。自動勵磁調節器的功能可以大大縮小發電機與母線之間的電氣間隔，并且提升了電力系統的穩定性。除此之外，為了來避免當放大系數較大時勵磁裝置的自動調節成為負衰減，應在勵磁系統中添加穩定器以防止補償功率的持續擴大。另外，發電機動力學和電網電壓水平也需要進一步改善。隨著造船技術的進步以及節能減排的需求的日益增加，大量的船舶開始采用電力推進，所以有必要提高電網電壓水平從而提高船舶穩定性。

2.及時消除故障

出于電網故障對船舶動力系統的穩定性容易產生很大影響的原因，所以有必要迅速發覺故障，然后消除故障，以減少錯誤期間發電機轉子動能的增加。正確使用自動空氣斷路器是解決船舶電力系統故障的主要途徑[3]。空氣斷路器首先分析整個配電體系的協調活動，然后再開始第二次，從而確保整個體系的過電流庇護，并據此調整斷路器的操作。

（3）次要負載自動分階段卸載

當電網負荷超過限定負荷時，次級負荷會自動分階段卸載，以保證所連接的發電機不會連續過載，這是增強船舶電力系統暫態穩定性的合理方式。在船舶的電力體系中，當電網上工作的負載的總功率大于工作中的發電機的限定功率時，在線負載的次級負載應自動從電網撤回一次或多次（即分級卸載）。除此之外，船舶的自動發電廠還必須配備關鍵的額定負載分階段開啟功能，以避免電網中的電壓降過太大或復原時間較長，從而影響船舶的電源系統的穩定性。

結束語

本文簡要分析了船舶電力系統的結構和運行模式，列出了影響船舶動力系統穩定性的相關要素，在這些影響因素的基礎上，采取數學模型對船舶動力系統的穩定性進行了探討，最后對提高電力系統的穩定性提出了一些見解和看法。

參考文獻：

[1]陳武.船舶電力系統的穩定性分析[J].電子技術與軟件工程，2014（16）.

[2]張琦兵，邰能靈，王鵬，倪明杰，衛衛，傅曉紅.大型船舶電力系統的靜態電壓穩定分析[J].船電技術，2010（10）.

[3]許麗霞;施偉鋒;張威，電力系統穩定器在船舶電力系統中的應用[J].船電技術2014（12）.

作者簡介：

辛小辰（1986-），男，副教授，碩士研究生，主要研究方向船舶電力系統。

（作者單位：山東交通職業學院）