【文章內(nèi)容簡介】 力網(wǎng)是整個船 舶電力體系輸電電纜和電線的總稱。電力網(wǎng)連接著電源和負(fù)載，實(shí)現(xiàn)電能的傳遞和電能的處理。電力網(wǎng)通常由動力電網(wǎng)、照明電網(wǎng)、應(yīng)急電網(wǎng)還有低壓電網(wǎng)和弱電電網(wǎng)等組成。 ⑷ 用電單元：電氣負(fù)載 負(fù)載，即電氣設(shè)備。它是可以將電能轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降哪芰垦b配。船上有很多電氣設(shè)備，主要有動力負(fù)載（如艙室機(jī)械和甲板機(jī)械）、用于照明的負(fù)載、通信裝置等。動力負(fù)載約占總用電量的 70%。 選擇船舶電氣設(shè)備要符合船用條件，下面給出一張船用條件的表格 (表 21)。 表 21 電 氣設(shè)備 船用條件 序號 工作條件 要求 序號 工作條件 要求 1 周圍溫度 25176。 7 傾斜，周期橫傾 176。 +45176。 2 相對濕度 95% 長期橫傾 15176。（應(yīng)急設(shè)備 176。） 3 凝露 有 長期縱傾 10176。 4 鹽霧 有 8 振動 有 5 油霧 有 9 沖擊 有 6 霉菌 有 江蘇科技大學(xué) 蘇州理工學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 船舶電力系統(tǒng)的運(yùn)行 工況及 特點(diǎn) 對船舶的航行進(jìn)行分析，首先要了解船舶的 經(jīng)典 工況，比如海洋遠(yuǎn)航、靠離岸邊、裝卸物品與進(jìn)港停泊等。船舶電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)各不相同，則系統(tǒng)的負(fù)載變化也 就有很多種。海上的氣候變化大，而且沒有規(guī)律，船舶電力系統(tǒng)在同一種工作狀態(tài)下，不同的天氣（風(fēng)平浪靜的晴天或大風(fēng)大浪的惡劣天氣）電力系統(tǒng)運(yùn)行起來的情況就不同，因此，船舶電力系統(tǒng)隨時都有可能引發(fā)故障，故障的隨機(jī)性非常強(qiáng)。船舶發(fā)電機(jī)工作時的運(yùn)行工況根據(jù)船舶電力系統(tǒng)能量的管理可以分為發(fā)電機(jī)單機(jī)運(yùn)行和雙機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行還有多機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行。船舶電力系統(tǒng)的負(fù)荷運(yùn)行可以分為船舶主推進(jìn)電動機(jī)變負(fù)荷運(yùn)行、平穩(wěn)運(yùn)行和不運(yùn)行這三種情況，這是依據(jù)船舶在海洋上航行的所需條件和船舶電力系統(tǒng)所需的大負(fù)荷運(yùn)行設(shè)備來分的。船舶電力系統(tǒng)的負(fù)荷運(yùn)行工況還會 伴隨著不同的復(fù)雜交叉或者疊加運(yùn)行的工況 [9]。 對于傳統(tǒng)的由柴油機(jī)直接帶動螺旋槳的非電力推進(jìn)船舶，船舶擾動主要來自船上的空調(diào)、貨倉的風(fēng)機(jī)運(yùn)行、船舶甲板大型機(jī)械設(shè)備的移動，機(jī)艙中一些電氣設(shè)備的啟動或者停機(jī)，如服務(wù)泵等。對于依靠船舶自身 存在的 發(fā)電裝置 產(chǎn)生 電能 ， 驅(qū)動 行駛 的電力推進(jìn)船舶， 其 電力系統(tǒng)快速負(fù)荷變化工況，要求船舶在海上環(huán)境不確定的情況下（風(fēng)的大小方向不確定，水流大小方向不確定）可以定向、定速航行。在極端天氣下，比如冬季，天氣寒冷，水溫低，海洋航行環(huán)境不可預(yù)測，水動力負(fù)荷的變化大，且毫無規(guī)律可言，這時船舶的 一些工況會 導(dǎo)致推進(jìn)電動機(jī)的負(fù)荷大幅度變化，這 就 會造成船舶電力系統(tǒng)穩(wěn)定性 受到 極大影響。再比如說，船舶進(jìn)出港靠離岸邊時，為保證船舶的機(jī)動性，會出現(xiàn)頻繁的大功率推進(jìn)電動機(jī)的啟動和停止以及大功率推進(jìn)電機(jī)的大幅度加減速，這些工況都使電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性受到較大影響，使系統(tǒng)進(jìn)入了非線性狀態(tài)，暫態(tài)過程表現(xiàn)出明顯的不穩(wěn)定特征。依靠自身發(fā)電來驅(qū)動船舶的電力推進(jìn)船舶，它的電力系統(tǒng)的運(yùn)行工況很復(fù)雜，穩(wěn)定性問題較難解決。盡管，船舶推進(jìn)電力負(fù)荷的運(yùn)行有一些控制配置進(jìn)行保護(hù)，但由于天氣、風(fēng)力等其它不可預(yù)見的因素，船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)在海面上滿 負(fù)荷運(yùn)行時，螺旋槳在水中的負(fù)荷會產(chǎn)生大的變化，從而使船舶電力系統(tǒng)的負(fù)荷產(chǎn)生較大變動，這將對船舶電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成巨大影響。 電力推進(jìn)船舶一般都是中壓或者高壓電力系統(tǒng)，因?yàn)殡娏ο到y(tǒng)的容量較大。其電力系統(tǒng)的特征主要有下面兩點(diǎn)：其一，推進(jìn)電動機(jī)的單機(jī)容量比發(fā)電機(jī)容量大，且效率高，江蘇科技大學(xué) 蘇州理工學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 噪聲小，操作靈活。推進(jìn)電動機(jī)系統(tǒng)一般不安裝短路保護(hù)裝置，并且也不可以采用常規(guī)的過載繼電保護(hù)，因?yàn)橐ＷC船舶推進(jìn)主動力永遠(yuǎn)存在，不可以隨便消失。電力負(fù)載變化在電力推進(jìn)船舶中必須由發(fā)電機(jī)組承擔(dān)，大功率推進(jìn)電動機(jī)的負(fù)荷出現(xiàn)不穩(wěn)定會導(dǎo)致電力系統(tǒng) 出現(xiàn)過載運(yùn)行，嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，系統(tǒng)在不同的負(fù)荷與干擾下表現(xiàn)出的周期、非周期、混沌的振蕩現(xiàn)象也是不同的，各有特點(diǎn)，系統(tǒng)穩(wěn)定性問題突出，屬于重載電力系統(tǒng)；其二，船上空間有限，供電系統(tǒng)與電氣設(shè)備距離近，電能發(fā)電端與受電端連接度高，電力推進(jìn)船舶電力系統(tǒng)使用的電氣設(shè)備與電力電子設(shè)備都是高功率，高密度的，船舶電氣設(shè)備在機(jī)艙里工業(yè)環(huán)境惡劣，電磁耦合、電動機(jī)的磁滯特性、溫度變化、震動變化、濕度變化、集膚效應(yīng)等都會引起發(fā)電機(jī)、電動機(jī)的參數(shù)發(fā)生變化，電力推進(jìn)船舶的電力系統(tǒng)設(shè)備與設(shè)備之間的各種關(guān)系錯綜復(fù)雜，主要呈現(xiàn)非線 性，是強(qiáng)非線性系統(tǒng) [10]。 電力系統(tǒng)穩(wěn)定概念 首先可以這樣理解船舶電力系統(tǒng)穩(wěn)定性，給它下一個定義：系統(tǒng)在正常運(yùn)行條件都具備的情況下，可以達(dá)到工作的平衡狀態(tài)，在受到外界擾動后能夠自動恢復(fù)穩(wěn)定，返回到允許的平衡狀態(tài)。由于各系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和模式千差萬別，所以電力系統(tǒng)受到擾動出現(xiàn)不穩(wěn)定的現(xiàn)象也大相近庭。我們要了解一個系統(tǒng)同步運(yùn)行的程度，就要看它的同步穩(wěn)定。在船舶中主要依靠同步發(fā)電機(jī)發(fā)出 能量作為 電力系統(tǒng) 的 電能，所以要想系統(tǒng)穩(wěn)定 ， 首先得減小同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子角和功角的影響，保證所有在網(wǎng)的同步發(fā)電機(jī)同期。除了這一點(diǎn)還有很 多原因都會影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定，如同步發(fā)電機(jī)向電動機(jī)負(fù)荷供電時，負(fù)荷電壓崩潰會使系統(tǒng)失去穩(wěn)定。所以我們也要加強(qiáng)電壓的穩(wěn)定與控制。 對電力系統(tǒng)好壞的評價主要是看系統(tǒng)受到各種擾動后系統(tǒng)的動態(tài)性能能否控制在穩(wěn)定范圍內(nèi)。隨著電氣負(fù)荷的變化， 擾動也會變化， 電力系統(tǒng)必須不斷做出調(diào)整來適應(yīng)變化；當(dāng)有大負(fù)荷投入運(yùn)行時會對系統(tǒng)的穩(wěn)定性形成沖擊，系統(tǒng)必須有能力在這些擾動下較穩(wěn)定的運(yùn)行。當(dāng)系統(tǒng)面對一些特別嚴(yán)重的擾動時，如電網(wǎng)突然短路，失去一臺發(fā)電機(jī)時，系統(tǒng)也要能保持運(yùn)行。許多設(shè)備都會對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性造成影響，對電力推進(jìn)船舶來說船舶 推進(jìn)電動機(jī)是非常重要的，如果推進(jìn)器負(fù)荷出現(xiàn)較大變化，那么就會對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性造成巨大沖擊。此外還有電壓的變化，轉(zhuǎn)速的變化，負(fù)荷的變化，頻率的變化，都會對電力系統(tǒng)產(chǎn)生不同程度的影響 [11]。 江蘇科技大學(xué) 蘇州理工學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 電壓穩(wěn)定與電壓崩潰 一般情況下電壓穩(wěn)定就是指系統(tǒng)在規(guī)定的額定運(yùn)行條件下運(yùn)行時或系統(tǒng)受到擾動后，系統(tǒng)中所有母線都長時間的保持可承受的電壓波動的能力。當(dāng)一些因素造成了系統(tǒng)電壓漸進(jìn)或不可控的降落時，如負(fù)荷的增加等，那么系統(tǒng)就出現(xiàn)了電壓不穩(wěn)定。無功功率是導(dǎo)致電壓不穩(wěn)定的主要原因，當(dāng)然有功功率對電壓穩(wěn)定也有影響。 判斷 電壓穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)是：在正常的運(yùn)行條件下，當(dāng)電力系統(tǒng)母線電壓的幅值隨著母線中無功功率的增加而增加時，則電壓穩(wěn)定；當(dāng)母線電壓幅值隨著母線中無功功率的增加而降低時，則電壓為不穩(wěn)定 [12]。 船舶電力系統(tǒng)電壓不穩(wěn)定對用電設(shè)備也會造成一定影響，如電壓下降會造成單鼠籠電動機(jī)不能啟動。電動機(jī)起動時力矩不夠就會延長起動時間，假如電動機(jī)不轉(zhuǎn)動，電流則會變大，導(dǎo)致電動機(jī)發(fā)熱，若保護(hù)裝置拒動就會燒壞電動機(jī)。 與電壓不穩(wěn)定相比，電壓崩潰就復(fù)雜和嚴(yán)重了。電壓崩潰伴隨著電壓不穩(wěn)定而致使整個系統(tǒng)低電壓，最終使船舶電網(wǎng)失去全船性的電壓。 轉(zhuǎn)子角穩(wěn)定 轉(zhuǎn)子角穩(wěn)定衡量的是船舶電力系統(tǒng)中并聯(lián)的同步發(fā)電機(jī)之間保持同步的水平，轉(zhuǎn)子角穩(wěn)定問題包括了機(jī)電振蕩，其產(chǎn)生的影響與同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子搖擺變動影響其輸出功率有聯(lián)系。因此，轉(zhuǎn)子角的穩(wěn)定與同步發(fā)電機(jī)及其控制的特性密切相關(guān)。 頻率穩(wěn)定 參數(shù)往往反映了系統(tǒng)的品質(zhì)，要了解船舶電力系統(tǒng)的品質(zhì)就要看它的頻率參數(shù)，船舶在茫茫大海上航行時 ，電力系統(tǒng)的 頻率波動范圍是比較大的。船舶發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速對船舶電網(wǎng)頻率有著直接的影響，因此，要使頻率穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速也得穩(wěn)定。在系統(tǒng)控制要求高時，要考慮頻率控制對于發(fā)電機(jī)電 壓控制的耦合作用。 一般情況下頻率穩(wěn)定就是指系統(tǒng)在規(guī)定的額定運(yùn)行條件下運(yùn)行時或系統(tǒng)受到擾動后，系統(tǒng)中所有母線都長時間的保持可承受的頻率變化的能力，與專制角穩(wěn)定也有關(guān)系。當(dāng)一些干擾造成了頻率漸進(jìn)或不可控的降落時，頻率就會不穩(wěn)定。造成不穩(wěn)定的主要因江蘇科技大學(xué) 蘇州理工學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 素是系統(tǒng)不能滿足有功功率控制的要求。 船舶電力系統(tǒng)穩(wěn)定的分類 任何問題想要簡單的研究它都是不實(shí)際的，電力系統(tǒng)穩(wěn)定性看似一個獨(dú)立的問題，其實(shí)卻有多種形式并且受到許多因素的影響。對船舶電力系統(tǒng)穩(wěn)定進(jìn)行合理適當(dāng)?shù)姆诸愂怯斜匾?，這樣才能更方便細(xì)致的對船舶電力系統(tǒng)穩(wěn)定 性進(jìn)行分析和研究，才能更準(zhǔn)確的對造成電力系統(tǒng)不穩(wěn)定的因素進(jìn)行識別，從而找到改善系統(tǒng)的方法，使系統(tǒng)穩(wěn)定。下面給出電力 系統(tǒng)的穩(wěn)定性分類框圖 (22)： 圖 22： 電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的分類框圖 由于類型繁多，分類時很難有一個明確的界限，因此類別之間會有一些小重疊。比如圖中小信號穩(wěn)定和暫態(tài)穩(wěn)定概念的邊界就存在一定的重疊；短期穩(wěn)定、長期穩(wěn)定與電壓穩(wěn)定概念的邊界也存在一定的重疊。但只要抓住各個類型的主要特征，確定電力系統(tǒng)穩(wěn)定的類型對于設(shè)計有效的控制方法具有重要的指導(dǎo)意義 [13]。 電力系統(tǒng)穩(wěn)定 轉(zhuǎn)子角穩(wěn)定 頻率穩(wěn)定 電壓穩(wěn)定 小信號擾動 角度穩(wěn)定 大擾動 電壓穩(wěn)定 小擾動 電壓穩(wěn)定 短期 短期 短期 短期 長期 暫態(tài)穩(wěn)定 江蘇科技大學(xué) 蘇州理工學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 12 船舶電力系統(tǒng)穩(wěn)定性控制 技術(shù) 傳統(tǒng)的穩(wěn)定性控制方法 傳統(tǒng)的穩(wěn)定性控制方法是用電力系統(tǒng)穩(wěn)定器進(jìn)行控制。電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（ pps）的原理是 古典控制理論，這一原理來源于建立數(shù)學(xué)模型， 是 數(shù)學(xué)函數(shù)分析。古典控制針對系統(tǒng)的不同角度采用不同的方法進(jìn)行分析。然后在分析的基礎(chǔ)上提出系統(tǒng)穩(wěn)定的判據(jù)。最后根據(jù)期望的性能指標(biāo)加入設(shè)計的控制器，調(diào)整模型參數(shù)，校正系統(tǒng)。電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（ pps）的本質(zhì)是采取附加勵磁技術(shù) ,目的是用來克服低頻振蕩的束縛。電力系統(tǒng)穩(wěn)定器可以在勵磁電壓調(diào)節(jié)器中引入一個超出軸速度的另外的信號，即附加信號， 那么就會產(chǎn)生一個為正值的阻尼轉(zhuǎn)矩，也就是正阻尼轉(zhuǎn)矩系數(shù)，這個為正的阻尼轉(zhuǎn)矩可以用來克服原本勵磁電壓調(diào)節(jié)器中產(chǎn)生的為負(fù)值 的 阻尼轉(zhuǎn)矩。從而就能夠提高供電系統(tǒng)阻尼問題，那么低頻振蕩的問題也可以引刃而解，因此提高電力系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定性的一個有效方法就是使用電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（ pps）。電力系統(tǒng)穩(wěn)定器可以選取和低頻振蕩有關(guān)的信號，比如發(fā)電機(jī)的有功功率、發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速頻率等等一些信號，在原信號基礎(chǔ)上加以改進(jìn)作為附加信號，送到勵磁調(diào)節(jié)器中去，產(chǎn)生阻尼低頻振蕩的附加力矩。在古典控制理論基礎(chǔ)上的電力系統(tǒng)圖穩(wěn)定器也是有一定缺點(diǎn)的，如它只 能反映輸入變量與輸出變量之間的關(guān)系，而系統(tǒng)內(nèi)部變量之間的變化情況它卻不可以反映出來。 隨著生產(chǎn)力的發(fā)展，由于古典控制電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的局限性，很多問題已經(jīng)沒有辦法解決，這就催生了現(xiàn)代控制理論。 現(xiàn)代穩(wěn)定性控制方法 現(xiàn)代控制理論和傳統(tǒng)的古典控制理論相比首先從數(shù)學(xué)模型上給與突破。突出了系統(tǒng)內(nèi)部的變量關(guān)系。給出基于線性代數(shù)的系統(tǒng)的狀態(tài)方程和輸出方程。狀態(tài)方程和輸出方程結(jié)合起來構(gòu)成狀態(tài)空間表達(dá)式 ，即 現(xiàn)代控制理論的數(shù)學(xué)模型。添加了內(nèi)部變量之后，控制算法的設(shè)計就可以使用狀態(tài)空間概念，這樣提高了對系統(tǒng)穩(wěn)定性的控 制質(zhì)量和限制能力，實(shí)現(xiàn)了控制理論受限的最優(yōu)控制。面對更加復(fù)雜的電能變換控制可以清晰的通過方程分析出來。提高了系統(tǒng)在大的擾動下的穩(wěn)定性能和動態(tài)效果。在不增加甚至還可以減少傳感器數(shù)量的情況下，可以對系統(tǒng)變量實(shí)施更加全面的測量控制。這也是以后新一江蘇科技大學(xué) 蘇州理工學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 代高質(zhì)量電能變換測量控制的發(fā)展方向 [15]。 本章小結(jié) 本章首先對船舶電力系統(tǒng)的組成、特點(diǎn)以及一般的運(yùn)行工況做了介紹，對船舶電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)有了一個大致的了解。 接著 介紹了船舶電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的概念和船舶電力系統(tǒng)穩(wěn)定的分類。 然后分別介紹了傳統(tǒng)穩(wěn)定性控制方法和 現(xiàn)代穩(wěn)定性控制方法。 為下面研究船舶電力系統(tǒng)模型打下一些理論基礎(chǔ)。 江蘇科技大學(xué) 蘇州理工學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 14 第 三 章 船舶電力系統(tǒng)兩機(jī)并聯(lián)型非線性數(shù)學(xué)模型 船舶電力系統(tǒng)建模 一般情況下，對船舶電力系統(tǒng)進(jìn)行建模時，我們假設(shè)系統(tǒng)是理想電機(jī)系統(tǒng)：電機(jī)磁鐵部分的磁導(dǎo)率，不考慮其磁滯，但可以考慮一定的磁飽和，并且不考慮渦流與磁滯效應(yīng)，將其看為常數(shù)。若建立坐標(biāo)，電機(jī)轉(zhuǎn)子在結(jié)構(gòu)上相對 橫 縱坐標(biāo)是完全對稱的。定子有三個繞組，結(jié)構(gòu)相同，空間位置互差 120176。，繞組在氣隙中產(chǎn)生正弦磁動勢。定子、轉(zhuǎn)子的電感不受其他 影響 [17]。 同步發(fā)電機(jī)電氣結(jié)構(gòu) 對船舶電力系統(tǒng)進(jìn)行建模，最重要的就是同步發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型。通常情況，我們用不同階數(shù)的數(shù)學(xué)模型來描述同步發(fā)電機(jī)的電氣部分。同步發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)中最重要是磁場和電樞兩塊。在繞組中通入直流電形成磁場。這個磁場可以在電樞繞組中感應(yīng)出交流電動勢。 N 極磁場的中心交直軸，我們也稱 d 軸 。 交軸，又稱 q 軸，超前直軸 90 度。在有發(fā)電機(jī)助推系統(tǒng)的船舶中，當(dāng)電能的輸入或輸出存在逆轉(zhuǎn)時，船舶的推進(jìn)電動機(jī)就是同步電機(jī)。 同步發(fā)電機(jī)的繞組分配 同步發(fā)電機(jī)的定子回路包括三相電樞繞組，同 步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子回路包括磁場繞組和阻尼繞組，勵磁繞組接直流電源。圖 31 給