船舶配电系统的新技术及发展

摘 要：为保证船舶电力变换系统能够稳定可靠工作，船舶电力变换系统之间的相互作用理论及相关稳定控制方法是目前综合电力系统的重要研究内容之一。本文就船舶电力变换系统的稳定性、源和负载电力变换装置的控制方法设计以及模块之间的相互作用等方面内容展开研究。

关键词：船舶 配电系统 电力变换装置

中图分类号：F407 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）04（b）-0097-01

随着船舶综合电力系统的发展，越来越多的电力变换装置逐渐应用到船舶配电系统中。电力电子器件本身的非线性特性会使得电力变换系统之间产生互相影响，从而发生不稳定、谐波以及其他的系统级问题。船舶电力系统在船舶上具有极为重要的地位，电力系统供电的连续性！可靠性和供电品质，将直接影响船舶的经济指标、技术指标和生命力在现代化船舶上，电站操作越来越复杂、电站自动化程度日益提高，对电站管理人员的要求也越来越高。

1 船舶配电系统的概述

船舶电站是船舶的一个重要组成部分，其自动化程度是船舶技术的重要标志。船舶电站供配电系统一是供电质量和供电可靠性，二是船舶电站自动化程度。随着计算机技术、控制技术、通信技术以及网络技术的发展，船舶电站自动化系统的结构也发生了很大程度的变化，船舶电站逐步形成以网络集成自动化系统为基础的船舶电站自动化控制、管理信息系统，集监、控、管于一体的网络型船舶电站综合自动化系统。

船舶电力系统发展到一定阶段以后必然会进入船舶综合电力系统阶段，其主要标志之一就是集成化和模块化。所谓综合全电力推进系统，就是动力推进和日常用电共同用一个电力系统，从而构成一个综合的电力系统。IPS最大的特点是模块化，根据功能不同，这些模块在具体的舰艇IPS系统中，被划分在4个子系统中，即发电和推进子系统、舰艇日用电配电子系统、区域配电子系统和系统监控子系统。

在船舶综合电力系统中，发电机组、配电装置、系统调度和监控、电力推进和高能武器通过电力网络集成在一起共同工作和运行。电能在船舶电力系统中一开始只是作为一种辅助能源，实现船舶的照明等一般。随着综合电力推进技术的发展以及采用电力作为能源的先天优点，原先一些采用常规动力系统作为能量来源的设备，也逐渐向电力化方向发展，另外电能开始逐渐取代传统动力成为舰船的推进能源。因此，综合电力系统（IPS）的出现满足了船舶的实际应用需求，促进了船舶电力系统向集成化与模块化方向的过渡。

2 船舶配电系统的新技术

作为船舶综合全电力推进技术的重要研究内容之一，基于电力变换装置的船舶直流区域配电系统得到了越来越多的关注和研究。传统的船舶辐射式配电方式静态和动态负载自动调节性能比较差，冗余电源实现方案较为复杂，难以满足余度供电和不间断供电的要求。

船舶区域配电系统具有和分布式电源系统类似的特点，比如：（1）系统容量有限，同时由于推进负载和高能武器等大功率负载的存在，负载的容量和发电机的容量接近；（2）电能经过多次变换，最终为全船负载供电。同一个电力变换装置既是前端变换装置的负载，同时也是后端负载变换装置的源，各个电力变换装置之间相互耦合，源效应与负载效应较明显；（3）全控型半导体器件在电力变换装置的大量使用，提高了功率密度。但是由于半导体器件本身具有开关特性，因此电力变换装置也同样具有非线性特性。这种情况下，在某一稳态工作点对电力变换装置作小信号线性化处理和分析而得到的阻抗特性也会随着电力电子器件的开关频率不同而发生一定的变化。

随着综合电力系统的发展，仅仅对电力变换装置的功率器件、拓扑结构以及各种先进的控制算法进行研究已经不能满足船舶电力变换系统的要求了。因此，需要从系统的角度出发，对电力变换装置进行优化设计和稳定控制，以便更好的满足不同类型负载的供电要求。

船舶电力变换系统具有冗余度高、控制灵活等优点。在船舶配电系统中，其电能的主要来源是燃气轮机发电机组和储能系统，系统中的各种独立、并联的负载从左右直流母线上获取电能。虽然系统中的这些电力变换装置能够独立稳定运行，但在系统中运行由于模块之间互联的相互影响，会导致系统性能的下降甚至发生不稳定现象。

在进行船舶电力变换系统设计的过程中，由于缺少了对船舶电力变换系统稳定性方面的系统级分析和设计，因此，影响了船舶区域配电系统的可靠性。一般情况下，船舶电力变换系统设计的主要标准是各个电力变换装置模块的电气性能、功率密度和外部接口等，而没有考虑模块在系统中运行的稳定性和对其他装置的影响。在实际应用中，由于电力变换装置的互联，可能出现独立工作时性能指标合格的电力变换装置在系统中发生啸叫或者振荡的现象，极端情况下还会导致器件损毁。目前，关于船舶电力变换系统的稳定性分析和验证主要还是通过实验进行验证，这种方法缺乏有效的理论指导，造成了大量时间的浪费，增加了系统研发和制造成本。在实际船舶区域配电系统中，存在着各种不同的用电设备，很多电力变换装置的负载往往是容性或者感性，亦或是其他电力变换装置。在设计的过程中，如果没有考虑和分析单个电力变换装置对系统整体的影响，那么即使装置满足单独测试时的性能要求，在系统中运行时也可能会出现不稳定现象，影响配电系统和其他电力变换装置的安全性及可靠性。因此有必要在单个电力变换装置设计过程中从系统级角度出发，通过优化设计和控制方法的研究使得电力变换装置能够在满足自身各方面电气性能要求的同时，也能够保证其在系统中稳定运行而不对系统产生严重影响。

3 船舶配电系统的发展趋势

目前，我国船舶自动化技术发展达到了世界先进水平，正朝着微机监控、全面电气化、综合自动化方向发展。高可靠性、功能齐全、分布式、多微机网络式自动化系统，将是未来船舶电站自动化的发展方向。

4 结语

综上所述，船舶电力变换系统稳定性研究的目的和意义是为了从系统级的角度出发，对船舶电力变换系统及其互联系统的相互影响进行分析和研究，为船舶区域配电系统的稳定性研究奠定理论分析基础，为故障情况下船舶配电系统的供电路径重构提供理论依据和现实参考，从而提高船舶配电系统的运行稳定性和生命力。

参考文献

[1] 张江龙.船舶电力系统的分析与设计[D].大连海事大学，2010.

[2] 王焕文.舰船电力系统及自动装置[M].科学出版社，2004.