李也

摘 要：為保證船舶電力變換系統(tǒng)能夠穩(wěn)定可靠工作，船舶電力變換系統(tǒng)之間的相互作用理論及相關穩(wěn)定控制方法是目前綜合電力系統(tǒng)的重要研究內容之一。本文就船舶電力變換系統(tǒng)的穩(wěn)定性、源和負載電力變換裝置的控制方法設計以及模塊之間的相互作用等方面內容展開研究。

關鍵詞：船舶 配電系統(tǒng) 電力變換裝置

中圖分類號：F407 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）04（b）-0097-01

隨著船舶綜合電力系統(tǒng)的發(fā)展，越來越多的電力變換裝置逐漸應用到船舶配電系統(tǒng)中。電力電子器件本身的非線性特性會使得電力變換系統(tǒng)之間產生互相影響，從而發(fā)生不穩(wěn)定、諧波以及其他的系統(tǒng)級問題。船舶電力系統(tǒng)在船舶上具有極為重要的地位，電力系統(tǒng)供電的連續(xù)性！可靠性和供電品質，將直接影響船舶的經濟指標、技術指標和生命力在現(xiàn)代化船舶上，電站操作越來越復雜、電站自動化程度日益提高，對電站管理人員的要求也越來越高。

1 船舶配電系統(tǒng)的概述

船舶電站是船舶的一個重要組成部分，其自動化程度是船舶技術的重要標志。船舶電站供配電系統(tǒng)一是供電質量和供電可靠性，二是船舶電站自動化程度。隨著計算機技術、控制技術、通信技術以及網絡技術的發(fā)展，船舶電站自動化系統(tǒng)的結構也發(fā)生了很大程度的變化，船舶電站逐步形成以網絡集成自動化系統(tǒng)為基礎的船舶電站自動化控制、管理信息系統(tǒng)，集監(jiān)、控、管于一體的網絡型船舶電站綜合自動化系統(tǒng)。

船舶電力系統(tǒng)發(fā)展到一定階段以后必然會進入船舶綜合電力系統(tǒng)階段，其主要標志之一就是集成化和模塊化。所謂綜合全電力推進系統(tǒng)，就是動力推進和日常用電共同用一個電力系統(tǒng)，從而構成一個綜合的電力系統(tǒng)。IPS最大的特點是模塊化，根據(jù)功能不同，這些模塊在具體的艦艇IPS系統(tǒng)中，被劃分在4個子系統(tǒng)中，即發(fā)電和推進子系統(tǒng)、艦艇日用電配電子系統(tǒng)、區(qū)域配電子系統(tǒng)和系統(tǒng)監(jiān)控子系統(tǒng)。

在船舶綜合電力系統(tǒng)中，發(fā)電機組、配電裝置、系統(tǒng)調度和監(jiān)控、電力推進和高能武器通過電力網絡集成在一起共同工作和運行。電能在船舶電力系統(tǒng)中一開始只是作為一種輔助能源，實現(xiàn)船舶的照明等一般性功能。隨著綜合電力推進技術的發(fā)展以及采用電力作為能源的先天優(yōu)點，原先一些采用常規(guī)動力系統(tǒng)作為能量來源的設備，也逐漸向電力化方向發(fā)展，另外電能開始逐漸取代傳統(tǒng)動力成為艦船的推進能源。因此，綜合電力系統(tǒng)（IPS）的出現(xiàn)滿足了船舶的實際應用需求，促進了船舶電力系統(tǒng)向集成化與模塊化方向的過渡。

2 船舶配電系統(tǒng)的新技術

作為船舶綜合全電力推進技術的重要研究內容之一，基于電力變換裝置的船舶直流區(qū)域配電系統(tǒng)得到了越來越多的關注和研究。傳統(tǒng)的船舶輻射式配電方式靜態(tài)和動態(tài)負載自動調節(jié)性能比較差，冗余電源實現(xiàn)方案較為復雜，難以滿足余度供電和不間斷供電的要求。

船舶區(qū)域配電系統(tǒng)具有和分布式電源系統(tǒng)類似的特點，比如：（1）系統(tǒng)容量有限，同時由于推進負載和高能武器等大功率負載的存在，負載的容量和發(fā)電機的容量接近；（2）電能經過多次變換，最終為全船負載供電。同一個電力變換裝置既是前端變換裝置的負載，同時也是后端負載變換裝置的源，各個電力變換裝置之間相互耦合，源效應與負載效應較明顯；（3）全控型半導體器件在電力變換裝置的大量使用，提高了功率密度。但是由于半導體器件本身具有開關特性，因此電力變換裝置也同樣具有非線性特性。這種情況下，在某一穩(wěn)態(tài)工作點對電力變換裝置作小信號線性化處理和分析而得到的阻抗特性也會隨著電力電子器件的開關頻率不同而發(fā)生一定的變化。

隨著綜合電力系統(tǒng)的發(fā)展，僅僅對電力變換裝置的功率器件、拓撲結構以及各種先進的控制算法進行研究已經不能滿足船舶電力變換系統(tǒng)的要求了。因此，需要從系統(tǒng)的角度出發(fā)，對電力變換裝置進行優(yōu)化設計和穩(wěn)定控制，以便更好的滿足不同類型負載的供電要求。

船舶電力變換系統(tǒng)具有冗余度高、控制靈活等優(yōu)點。在船舶配電系統(tǒng)中，其電能的主要來源是燃氣輪機發(fā)電機組和儲能系統(tǒng)，系統(tǒng)中的各種獨立、并聯(lián)的負載從左右直流母線上獲取電能。雖然系統(tǒng)中的這些電力變換裝置能夠獨立穩(wěn)定運行，但在系統(tǒng)中運行由于模塊之間互聯(lián)的相互影響，會導致系統(tǒng)性能的下降甚至發(fā)生不穩(wěn)定現(xiàn)象。

在進行船舶電力變換系統(tǒng)設計的過程中，由于缺少了對船舶電力變換系統(tǒng)穩(wěn)定性方面的系統(tǒng)級分析和設計，因此，影響了船舶區(qū)域配電系統(tǒng)的可靠性。一般情況下，船舶電力變換系統(tǒng)設計的主要標準是各個電力變換裝置模塊的電氣性能、功率密度和外部接口等，而沒有考慮模塊在系統(tǒng)中運行的穩(wěn)定性和對其他裝置的影響。在實際應用中，由于電力變換裝置的互聯(lián)，可能出現(xiàn)獨立工作時性能指標合格的電力變換裝置在系統(tǒng)中發(fā)生嘯叫或者振蕩的現(xiàn)象，極端情況下還會導致器件損毀。目前，關于船舶電力變換系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析和驗證主要還是通過實驗進行驗證，這種方法缺乏有效的理論指導，造成了大量時間的浪費，增加了系統(tǒng)研發(fā)和制造成本。在實際船舶區(qū)域配電系統(tǒng)中，存在著各種不同的用電設備，很多電力變換裝置的負載往往是容性或者感性，亦或是其他電力變換裝置。在設計的過程中，如果沒有考慮和分析單個電力變換裝置對系統(tǒng)整體的影響，那么即使裝置滿足單獨測試時的性能要求，在系統(tǒng)中運行時也可能會出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，影響配電系統(tǒng)和其他電力變換裝置的安全性及可靠性。因此有必要在單個電力變換裝置設計過程中從系統(tǒng)級角度出發(fā)，通過優(yōu)化設計和控制方法的研究使得電力變換裝置能夠在滿足自身各方面電氣性能要求的同時，也能夠保證其在系統(tǒng)中穩(wěn)定運行而不對系統(tǒng)產生嚴重影響。

3 船舶配電系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

目前，我國船舶自動化技術發(fā)展達到了世界先進水平，正朝著微機監(jiān)控、全面電氣化、綜合自動化方向發(fā)展。高可靠性、功能齊全、分布式、多微機網絡式自動化系統(tǒng)，將是未來船舶電站自動化的發(fā)展方向。

4 結語

綜上所述，船舶電力變換系統(tǒng)穩(wěn)定性研究的目的和意義是為了從系統(tǒng)級的角度出發(fā)，對船舶電力變換系統(tǒng)及其互聯(lián)系統(tǒng)的相互影響進行分析和研究，為船舶區(qū)域配電系統(tǒng)的穩(wěn)定性研究奠定理論分析基礎，為故障情況下船舶配電系統(tǒng)的供電路徑重構提供理論依據(jù)和現(xiàn)實參考，從而提高船舶配電系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性和生命力。

參考文獻

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