船舶电力系统的稳定性分析

摘 要

本文从船舶电力系统的实际组成和运行出发具体论述船舶电力系统的稳定性如何判定和增强。并利用数学建模对船舶电力系统的稳定性加以分析。

【关键词】船舶 电力系统 稳定性

1 船舶电力系统的组成和运行方式

由于海上运输不仅运量大，运费也低，是很多货物运输的主要方式。也是国家进出口运输的主要方式。而船舶自然是海上运输的主要交通工具，所以，船舶的电力系统的发展直接影响着海上运输的安全性和稳定性。船舶电力系统是船舶运行系统的重要组成部分，也是船舶电力系统稳定运行的主要研究对象。所以对船舶电力系统的组成方式的研究是船舶电力系统稳定性的研究基础。下面笔者就重点介绍船舶电力系统的组成和运行方式。

1.1 船舶电力系统的组成

一般来看，船舶电力系统是由电源、配电装置、电网和负载构成。这几项元素是电力系统电能的供应、分配、传输与消耗的总体使用设备。分别来说，电源装置主要提供电量的供给，一般采用发电机或电池组。发电机一般采用蒸汽发电机、柴油发电机等。而就目前的发展来看，大型船的电源装置都采用混合发电机，同时可以利用蒸汽发电机和柴油发电机。配电装置主要负责电力的分配和控制，利用适当的程序设计对不同用电设备予以分类，最终达到合理用电的目的。电网是将所有用电设备利用电缆予以连接，最终形成电路网，电路网主要是电力输送的媒介。负载结构主要是变压器等电力的输送中间设备，为保证安全送电而设置的具体结构。

1.2 船舶电力系统的运行方式

船舶电力系统是一个小型独立电网。因为船舶在海上航行过程中对电力的补充是靠发电机的自行运行。而且，一般一个船舶只有一个电站，电网的容量相对于负载来说又是有限的。在大功率负载起动后，冲击电流将引起电网电压的波动，所以船舶电力系统在具体运行中应该注重调节发电机的电压或电网的输送频率，以达到安全用电的最终目的。

2 船舶电力系统的传统算法和电网层次分析

随着现代船舶的体积和载重量逐渐变大，而其自动化能力逐渐增强，船舶电力系统的容量也需要不断的增加。在评测船舶电力系统稳定性时，应该对船舶电力系统的动态特征与静态特征加以分析。所以说对船舶电力系统的传统算法的研究也是凸显船舶电网系统运行特征的主要方式。

2.1 船舶电力系统的算法特点

船舶电网主要利用辐射型配电方式，也就是说从任何一个定母线到源点都有且只有一条通路，与陆地配电方式存在着显著的差异。在参数方面船舶电力系统的参数电阻与电抗比值较大，与陆地配电方式相反。由于船舶电力系统中R/X的值较大，对传统的解耦方式有所影响，所以船舶电力系统的算法必须注重收敛性，保证传统解耦法的使用。

2.2 对船舶电网的分析主要是利用树图方式分析

利用二叉树的形式进行具体的布置。然后利用电气节点和支路进行分层排列，在分层之后再根据所有电气节点进行编号记录。

3 船舶电力系统的稳定性分析和稳定性建模

根据上文对船舶电力系统的分析，可以发现船舶电力系统的稳定性主要分为静态稳定性和动态稳定性两种。静态稳定性主要是在受到小型干扰后，电力系统可以迅速恢复状态，也就是长期自我控制的稳定性。而动态稳定性主要是对电力系统的即时稳定性进行探讨和研究，也就是说在某一个特定的干扰后，电力系统可以暂时性的进行新的稳定状态，与原始稳定状态稍有不同。这种稳定是动态稳定。下面笔者就稳定性的原因和建模进行具体分析。

3.1 影响船舶电力系统稳定性的主要原因

负载变化会对电力系统稳定性造成较大影响，比如突然之间投入锚机、舵机的使用，会瞬间增加固有电流的承载力，从而导致电网的负担过重，影响电力系统的稳定。船舶电力系统的短路也会影响电力系统的稳定，这是因为船舶电力系统的短路会产生比正常过载还要大的短路电流，严重影响船舶电力系统的运行。

3.2 船舶电力系统的建模

船舶电力系统的核心主要是发电机以及励磁系统、电网与负载等。所以对船舶电力系统的建模要围绕着发电机这一核心对船舶电力系统的稳定性统一研究。所以首先要对发电机运行过程中电流的传输进行数学建模。根据研究发现，同步发电机电流建模方式如下所示：

同步发电机的励磁系统也属于发电系统的核心部分。所以对励磁系统模型也需要加以建模研究，具体公式如下所示：

其中，Ur为励磁装置的输出电压，Ud为d轴端电压，Uq为发电机q轴端电压，K为9 /π，x为移相电抗。

根据对船舶电力系统的研究发现，保证其稳定性具有较重要的意义。所以本文主要为避免船舶电力系统产生较大波动，提出以下解决方案。第一、对负载进行分级起动，根据负载的重要性进行分级起动可以保证船舶电力系统的静态稳定性，避免由于一次性负载过大对电网造成较大的破坏。第二、遇到故障时，发电机快速励磁。当系统发生故障，发电机电压较低时可以采取强行励磁提高发电机的电势能，提高系统的动态稳定性。

4 结语

本文从船舶电力系统的特点出发，结合电力系统的管理方案具体论述了船舶电力系统的稳定性。并根据稳定性进行数学建模加以研究。最后笔者提出利用分级起动维持船舶电力系统的静态稳定，用发电机快速励磁提高系统的动态稳定性，为船舶电力系统的研究提供了新的发展方向。

参考文献

[1] 孟杰.船舶电力系统的非线性鲁棒控制研究[D].哈尔滨工程大学，2011.

[2] 王浩亮.船舶电力系统稳定性研究[D].大连海事大学，2010.

作者单位

西门子（中国）有限公司上海分公司 上海市 200082