船舶供电系统稳定性探析

(武汉船舶职业技术学院，湖北武汉 430050)

船舶供电系统稳定性探析

张铁军

(武汉船舶职业技术学院，湖北武汉 430050)

海上货物运输具有运输量大、运程远、运费低、以及对货物种类适应性强等优点，在国际贸易运输中占据主导地位，而国际贸易的快速蓬勃发展，在很大程度上推动着作为海上运输主要交通工具的船舶向大型化、高性能、高自动化等方向迅猛发展。随着船舶电力系统规模日益扩大和综合电力系统概念的提出，电力系统配置、网络结构、运行模式和控制策略等方面较传统船舶电力系统都发生了较大的改变，对船舶供电系统的安全性、稳定性、经济性等也提出了更高的要求。

船舶供电系统；静态稳定性；暂态稳定性

随着世界经济和工业技术的飞速发展，各国之间的贸易往来更加频繁，大型船舶在货物运输中扮演的角色越来越重要，船舶供电系统的稳定性对船舶海上安全显得尤为重要。通常情况下船舶的供电系统是由发电、输电、配电和用电等相关设备构成的电力系统[1]。如今先进的船舶开始采用了以电力为能源的侧推进系统，更有甚者将电力作为主要能源用在了其关键的推进器上，此外许多船舶用上了更多的超大功率用电设备导致其总容量增加。为了支撑船舶用电设备的正常运行，这就需要船舶供电系统所能携带负荷容量也越来越大，从而满足不同大功率用电设备的用电。但是随着船舶供电系统大功率用电设备的增多和容量高速的增长，一般船舶供电系统所使用的网络结构也变得越来越复杂，同时对船舶供电系统的控制和管理也更加困难[2]，因此探讨提高船舶电力系统稳定性具有重要的意义。

1 船舶供电系统结构

由于电能在船舶上的应用越加广泛，因此为保证船舶的安全运行与运行的经济性，必须深入对船舶电力系统进行研究。船舶电力系统稳定性是其安全运行的保障，优化其控制器或者提出新的控制理论、控制方式等都是船舶供电系统控制的发展方向。船舶供电系统是船舶上电力生产、分配、输送和使用等全部装置和网络结构的总称，主要是由电源装置、配电装置、电力网以及用电负载这四个部分所组成，它为船舶的正常运行提供了最重要的基础保障[3]。

1.1 电源装置

船舶的正常工作需要大量的电能作为保障，这通常由柴油机和同步发电机所构成的发电机组来提供。一般情况下为了保障船舶供电系统的供电稳定性，避免某发电机组出现故障而导致的整个电网崩溃，采取的策略是在所有的船只上使用多个发电机组并行进行生产运作。因此，当某台发电机组出现了故障时，可以及时从供电系统上断开该损坏的发电机组，以此来减小或消除该损坏的发电机组对整个船舶供电系统稳定性的影响。此外，船舶应急供电系统也是船舶安全运行不可或缺的，它能在主发电机组出现故障时迅速地为船舶上的必要用电设备如通信、照明等设备提供备用供电从而维持船舶的基本运行能力[4]

1.2 配电装置

配电装置又称作配电柜，主要是由汇流排、负载断路器、主断路器以及支路分断路器等组成的分配装置。其主要任务是对电能进行合理的分配，对连接在电网中的设备进行监视，若某一设备出现故障可及时切断，以免对整个电力系统造成不可修复的损害。

1.3 电力网

电力网是传输供电系统电能的设备，通常是各种电缆、电路等设备的总称[5]，其主要功能是连接船舶供电系统上的电源装置、配电装置以及用电负载。电力网的分类有两种方式：1)依据用电设备，可分为主动力电网、应急电网、照明电网、通信电网；2)依据配电方法，可分为一次电网和二次电网。

1.4 用电负载

用电负载是船舶上各种用电设备的集合，通常包括卫星电话、广播、无线电、各种压力泵、舵机、锚机、鼓风机、照明船上的灯具、信号灯等设备。根据其所起作用的不同可分为主要设备和次要设备，主要设备保证船只的基本航行以及为船上人员正常生活提供基础保障；而次要设备是指那些即使在损毁的情况下也不会对船舶的正常运转造成很大影响的设备。

2 船舶供电系统特点

相较于陆地电力系统，船舶供电系统具有以下三个特点：1)工作环境恶劣；2)船舶供电线路短；3)船舶供电系统的容量较小。船舶在海上运行时会承受很高的湿气或者遇到浓雾天气，这些情况使得用电设备容易受潮导致绝缘性降低造成短路等状况，会在某种程度上威胁船舶的稳定运行。此外，海上的风浪也会对船舶供电系统的稳定运行带来许多不安定的因素。船舶供电线路较短，是由于一般情况下用电设备大多都是集中在一起的，同时船舶上用电载荷与各部分发电采用的电压基本上是相同的，因此输电设备的设置也是较为简洁的。最后，由于船舶供电系统的容量相较于陆地系统小，所以陆地电力系统上的无穷大电网理论并不适用于船舶电力系统，船舶电力系统中许多大的用电载荷的容量可以与船舶电力系统中容量相比拟，这些大容量的用电载荷的起动会造成整个船舶电网电压和频率波动。因此，要想保证船舶电力系统稳定运行，必须保证船舶电网电压和频率的稳定性。

3 船舶供电系统稳定性

船舶电力系统中，各部分之间总是存在一些耦合关系，常因外界干扰导致供电系统发生振荡，当某一部分发生变化时，使得船舶供电系统发生变化，若稳定性出现问题，可能在很短时间内就会发生严重的后果，这将直接影响到船舶的安全运行。船舶供电系统的稳定性是指在正常运转时电力系统受到一定大小且瞬时出现的但又马上消失的扰动后，能够回复到近似它原有的运转状态，我们称其为静态稳定性；或者若这种扰动不会消失，但系统能够可以从原有运转状态过渡到新运转状态，这种称之为暂态稳定性。上述两种情况统称为船舶供电系统的稳定性。

发电机组的投切和负载的投切等是影响船舶供电系统静态稳定性的主要原因。当船舶供电系统在受到较大扰动的时候，更容易破坏其暂态稳定性。因此对船舶供电系统暂态稳定性的研究主要是针对受到大扰动时的情况。造成船舶供电系统大扰动的原因主要有两个方面：一是负载的突然变化；二是船舶电力系统的短路问题。船舶电力系统稳定性的判定有以下两个指标：一个是船舶电力网的供电频率；第二个是发电机的输出端电压(电网电压)。

3.1 提高船舶供电系统静态稳定性的方法

(1)提高船舶供电系统的供电电压以及电网电势，可以有效的提高整个发电机组的功率极限，从而有利于使船舶供电系统能更快的恢复稳定，加强了其静态稳定性。

(2)增设电力系统稳定器来加强励磁信号。通过引入电力系统稳定器来调节励磁装置，可以减缓其出现的负阻尼现象，从而更好地提高船舶供电系统的静态稳定性。

3.2 提高船舶供电系统暂态稳定性的方法

(1)及时切除电网故障。将电网中短路和断路点快速处理，可以缩短供电系统恢复稳定的时间，通过快速地找出并切除故障能极大地提高船舶电力系统暂态稳定性。

(2)负载的分级切换。负载的分级切换可以在很大程度上减小电网的电压、电流以及功率变化对船舶供电系统的电网波动，使其平稳地从一个状态过渡到另一个新的状态，大大提高船舶供电系统的暂态稳定性。

4 结 语

船舶供电系统是一个独立的电力系统，随着运输需求的逐渐扩大，船舶电力系统的容量也在不断地增大，自动化程度在日益增加。船舶电力系统运行的稳定性是保证船舶电力系统安全运行的基础，也是保证船舶电力网络安全可靠的关键。当船舶供电系统发生故障时，会导致船舶供电系统整体受到巨大的影响，最坏的情况下某一故障会使整个系统陷入电力缺乏的瘫痪状态，最终导致船只无法正常运行，同时也影响到船上工作人员的生命安全。为了应对这种情况，必须保证整个船舶供电系统的稳定运行，为此对船舶供电系统稳定性的研究具有重要的意义。

1 见可可.船舶电站系统的建模与模糊控制研究[D].武汉理工大学, 2012: 12-27.

2 金岫.船舶综合电力系统仿真研究[D].江苏科技大学, 2008:13-21.

3 王雪松.船舶应急电站自动控制系统的研究与设计[D].大连海事大学, 2010:18-14.

4 张淑兴.应急柴油发电机组仿真研究[D].大连理工大学, 2009:22-27.

5 陈立伟,汪晨栋,冯驰,等.基于时域仿真的船舶电力系统暂态分析[J]. 应用科技, 2014(5):14-18.

StabilityofMarinePowerSupplySystem

ZHANGTie-jun

(Wuhan Institute of Shipbuilding Technology, Wuhan 430050, China)

Marine transportation plays a vital role in international trade due to its good adaptability in large volume cargoes, long distance and low cost. The rapid development of international trade promotes the development of large-sized, high capacity and automatic ships. With the expansion of marine power supply system and the proposal of comprehensive power supply system concept, there are more requirements for marine power supply system to meet in the safety, the stability, and economy.

marine power supply system; static stability; transient stability

U665

A

1671-8100(2017)04-0020-03

2017-05-12

张铁军，男，主要从事电子电气方面的科研工作。

(责任编辑：谭银元)