船舶供電系統(tǒng)穩(wěn)定性探析

(武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北武漢 430050)

船舶供電系統(tǒng)穩(wěn)定性探析

張鐵軍

(武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北武漢 430050)

海上貨物運(yùn)輸具有運(yùn)輸量大、運(yùn)程遠(yuǎn)、運(yùn)費(fèi)低、以及對(duì)貨物種類適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)際貿(mào)易運(yùn)輸中占據(jù)主導(dǎo)地位，而國(guó)際貿(mào)易的快速蓬勃發(fā)展，在很大程度上推動(dòng)著作為海上運(yùn)輸主要交通工具的船舶向大型化、高性能、高自動(dòng)化等方向迅猛發(fā)展。隨著船舶電力系統(tǒng)規(guī)模日益擴(kuò)大和綜合電力系統(tǒng)概念的提出，電力系統(tǒng)配置、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、運(yùn)行模式和控制策略等方面較傳統(tǒng)船舶電力系統(tǒng)都發(fā)生了較大的改變，對(duì)船舶供電系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性等也提出了更高的要求。

船舶供電系統(tǒng)；靜態(tài)穩(wěn)定性；暫態(tài)穩(wěn)定性

隨著世界經(jīng)濟(jì)和工業(yè)技術(shù)的飛速發(fā)展，各國(guó)之間的貿(mào)易往來(lái)更加頻繁，大型船舶在貨物運(yùn)輸中扮演的角色越來(lái)越重要，船舶供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性對(duì)船舶海上安全顯得尤為重要。通常情況下船舶的供電系統(tǒng)是由發(fā)電、輸電、配電和用電等相關(guān)設(shè)備構(gòu)成的電力系統(tǒng)[1]。如今先進(jìn)的船舶開(kāi)始采用了以電力為能源的側(cè)推進(jìn)系統(tǒng)，更有甚者將電力作為主要能源用在了其關(guān)鍵的推進(jìn)器上，此外許多船舶用上了更多的超大功率用電設(shè)備導(dǎo)致其總?cè)萘吭黾印榱酥未坝秒娫O(shè)備的正常運(yùn)行，這就需要船舶供電系統(tǒng)所能攜帶負(fù)荷容量也越來(lái)越大，從而滿足不同大功率用電設(shè)備的用電。但是隨著船舶供電系統(tǒng)大功率用電設(shè)備的增多和容量高速的增長(zhǎng)，一般船舶供電系統(tǒng)所使用的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也變得越來(lái)越復(fù)雜，同時(shí)對(duì)船舶供電系統(tǒng)的控制和管理也更加困難[2]，因此探討提高船舶電力系統(tǒng)穩(wěn)定性具有重要的意義。

1 船舶供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由于電能在船舶上的應(yīng)用越加廣泛，因此為保證船舶的安全運(yùn)行與運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，必須深入對(duì)船舶電力系統(tǒng)進(jìn)行研究。船舶電力系統(tǒng)穩(wěn)定性是其安全運(yùn)行的保障，優(yōu)化其控制器或者提出新的控制理論、控制方式等都是船舶供電系統(tǒng)控制的發(fā)展方向。船舶供電系統(tǒng)是船舶上電力生產(chǎn)、分配、輸送和使用等全部裝置和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的總稱，主要是由電源裝置、配電裝置、電力網(wǎng)以及用電負(fù)載這四個(gè)部分所組成，它為船舶的正常運(yùn)行提供了最重要的基礎(chǔ)保障[3]。

1.1 電源裝置

船舶的正常工作需要大量的電能作為保障，這通常由柴油機(jī)和同步發(fā)電機(jī)所構(gòu)成的發(fā)電機(jī)組來(lái)提供。一般情況下為了保障船舶供電系統(tǒng)的供電穩(wěn)定性，避免某發(fā)電機(jī)組出現(xiàn)故障而導(dǎo)致的整個(gè)電網(wǎng)崩潰，采取的策略是在所有的船只上使用多個(gè)發(fā)電機(jī)組并行進(jìn)行生產(chǎn)運(yùn)作。因此，當(dāng)某臺(tái)發(fā)電機(jī)組出現(xiàn)了故障時(shí)，可以及時(shí)從供電系統(tǒng)上斷開(kāi)該損壞的發(fā)電機(jī)組，以此來(lái)減小或消除該損壞的發(fā)電機(jī)組對(duì)整個(gè)船舶供電系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。此外，船舶應(yīng)急供電系統(tǒng)也是船舶安全運(yùn)行不可或缺的，它能在主發(fā)電機(jī)組出現(xiàn)故障時(shí)迅速地為船舶上的必要用電設(shè)備如通信、照明等設(shè)備提供備用供電從而維持船舶的基本運(yùn)行能力[4]

1.2 配電裝置

配電裝置又稱作配電柜，主要是由匯流排、負(fù)載斷路器、主斷路器以及支路分?jǐn)嗦菲鞯冉M成的分配裝置。其主要任務(wù)是對(duì)電能進(jìn)行合理的分配，對(duì)連接在電網(wǎng)中的設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視，若某一設(shè)備出現(xiàn)故障可及時(shí)切斷，以免對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)造成不可修復(fù)的損害。

1.3 電力網(wǎng)

電力網(wǎng)是傳輸供電系統(tǒng)電能的設(shè)備，通常是各種電纜、電路等設(shè)備的總稱[5]，其主要功能是連接船舶供電系統(tǒng)上的電源裝置、配電裝置以及用電負(fù)載。電力網(wǎng)的分類有兩種方式：1)依據(jù)用電設(shè)備，可分為主動(dòng)力電網(wǎng)、應(yīng)急電網(wǎng)、照明電網(wǎng)、通信電網(wǎng)；2)依據(jù)配電方法，可分為一次電網(wǎng)和二次電網(wǎng)。

1.4 用電負(fù)載

用電負(fù)載是船舶上各種用電設(shè)備的集合，通常包括衛(wèi)星電話、廣播、無(wú)線電、各種壓力泵、舵機(jī)、錨機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、照明船上的燈具、信號(hào)燈等設(shè)備。根據(jù)其所起作用的不同可分為主要設(shè)備和次要設(shè)備，主要設(shè)備保證船只的基本航行以及為船上人員正常生活提供基礎(chǔ)保障；而次要設(shè)備是指那些即使在損毀的情況下也不會(huì)對(duì)船舶的正常運(yùn)轉(zhuǎn)造成很大影響的設(shè)備。

2 船舶供電系統(tǒng)特點(diǎn)

相較于陸地電力系統(tǒng)，船舶供電系統(tǒng)具有以下三個(gè)特點(diǎn)：1)工作環(huán)境惡劣；2)船舶供電線路短；3)船舶供電系統(tǒng)的容量較小。船舶在海上運(yùn)行時(shí)會(huì)承受很高的濕氣或者遇到濃霧天氣，這些情況使得用電設(shè)備容易受潮導(dǎo)致絕緣性降低造成短路等狀況，會(huì)在某種程度上威脅船舶的穩(wěn)定運(yùn)行。此外，海上的風(fēng)浪也會(huì)對(duì)船舶供電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)許多不安定的因素。船舶供電線路較短，是由于一般情況下用電設(shè)備大多都是集中在一起的，同時(shí)船舶上用電載荷與各部分發(fā)電采用的電壓基本上是相同的，因此輸電設(shè)備的設(shè)置也是較為簡(jiǎn)潔的。最后，由于船舶供電系統(tǒng)的容量相較于陸地系統(tǒng)小，所以陸地電力系統(tǒng)上的無(wú)窮大電網(wǎng)理論并不適用于船舶電力系統(tǒng)，船舶電力系統(tǒng)中許多大的用電載荷的容量可以與船舶電力系統(tǒng)中容量相比擬，這些大容量的用電載荷的起動(dòng)會(huì)造成整個(gè)船舶電網(wǎng)電壓和頻率波動(dòng)。因此，要想保證船舶電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，必須保證船舶電網(wǎng)電壓和頻率的穩(wěn)定性。

3 船舶供電系統(tǒng)穩(wěn)定性

船舶電力系統(tǒng)中，各部分之間總是存在一些耦合關(guān)系，常因外界干擾導(dǎo)致供電系統(tǒng)發(fā)生振蕩，當(dāng)某一部分發(fā)生變化時(shí)，使得船舶供電系統(tǒng)發(fā)生變化，若穩(wěn)定性出現(xiàn)問(wèn)題，可能在很短時(shí)間內(nèi)就會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的后果，這將直接影響到船舶的安全運(yùn)行。船舶供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性是指在正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)電力系統(tǒng)受到一定大小且瞬時(shí)出現(xiàn)的但又馬上消失的擾動(dòng)后，能夠回復(fù)到近似它原有的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，我們稱其為靜態(tài)穩(wěn)定性；或者若這種擾動(dòng)不會(huì)消失，但系統(tǒng)能夠可以從原有運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)過(guò)渡到新運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，這種稱之為暫態(tài)穩(wěn)定性。上述兩種情況統(tǒng)稱為船舶供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

發(fā)電機(jī)組的投切和負(fù)載的投切等是影響船舶供電系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定性的主要原因。當(dāng)船舶供電系統(tǒng)在受到較大擾動(dòng)的時(shí)候，更容易破壞其暫態(tài)穩(wěn)定性。因此對(duì)船舶供電系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的研究主要是針對(duì)受到大擾動(dòng)時(shí)的情況。造成船舶供電系統(tǒng)大擾動(dòng)的原因主要有兩個(gè)方面：一是負(fù)載的突然變化；二是船舶電力系統(tǒng)的短路問(wèn)題。船舶電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的判定有以下兩個(gè)指標(biāo)：一個(gè)是船舶電力網(wǎng)的供電頻率；第二個(gè)是發(fā)電機(jī)的輸出端電壓(電網(wǎng)電壓)。

3.1 提高船舶供電系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定性的方法

(1)提高船舶供電系統(tǒng)的供電電壓以及電網(wǎng)電勢(shì)，可以有效的提高整個(gè)發(fā)電機(jī)組的功率極限，從而有利于使船舶供電系統(tǒng)能更快的恢復(fù)穩(wěn)定，加強(qiáng)了其靜態(tài)穩(wěn)定性。

(2)增設(shè)電力系統(tǒng)穩(wěn)定器來(lái)加強(qiáng)勵(lì)磁信號(hào)。通過(guò)引入電力系統(tǒng)穩(wěn)定器來(lái)調(diào)節(jié)勵(lì)磁裝置，可以減緩其出現(xiàn)的負(fù)阻尼現(xiàn)象，從而更好地提高船舶供電系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定性。

3.2 提高船舶供電系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的方法

(1)及時(shí)切除電網(wǎng)故障。將電網(wǎng)中短路和斷路點(diǎn)快速處理，可以縮短供電系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定的時(shí)間，通過(guò)快速地找出并切除故障能極大地提高船舶電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性。

(2)負(fù)載的分級(jí)切換。負(fù)載的分級(jí)切換可以在很大程度上減小電網(wǎng)的電壓、電流以及功率變化對(duì)船舶供電系統(tǒng)的電網(wǎng)波動(dòng)，使其平穩(wěn)地從一個(gè)狀態(tài)過(guò)渡到另一個(gè)新的狀態(tài)，大大提高船舶供電系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。

4 結(jié) 語(yǔ)

船舶供電系統(tǒng)是一個(gè)獨(dú)立的電力系統(tǒng)，隨著運(yùn)輸需求的逐漸擴(kuò)大，船舶電力系統(tǒng)的容量也在不斷地增大，自動(dòng)化程度在日益增加。船舶電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性是保證船舶電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的基礎(chǔ)，也是保證船舶電力網(wǎng)絡(luò)安全可靠的關(guān)鍵。當(dāng)船舶供電系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，會(huì)導(dǎo)致船舶供電系統(tǒng)整體受到巨大的影響，最壞的情況下某一故障會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)陷入電力缺乏的癱瘓狀態(tài)，最終導(dǎo)致船只無(wú)法正常運(yùn)行，同時(shí)也影響到船上工作人員的生命安全。為了應(yīng)對(duì)這種情況，必須保證整個(gè)船舶供電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，為此對(duì)船舶供電系統(tǒng)穩(wěn)定性的研究具有重要的意義。

1 見(jiàn)可可.船舶電站系統(tǒng)的建模與模糊控制研究[D].武漢理工大學(xué), 2012: 12-27.

2 金岫.船舶綜合電力系統(tǒng)仿真研究[D].江蘇科技大學(xué), 2008:13-21.

3 王雪松.船舶應(yīng)急電站自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D].大連海事大學(xué), 2010:18-14.

4 張淑興.應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組仿真研究[D].大連理工大學(xué), 2009:22-27.

5 陳立偉,汪晨棟,馮馳,等.基于時(shí)域仿真的船舶電力系統(tǒng)暫態(tài)分析[J]. 應(yīng)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

張鐵軍，男，主要從事電子電氣方面的科研工作。

(責(zé)任編輯：譚銀元)