摘要：舰船综合电力系统将传统上相互独立的机械推进系统与电力系统集成，是舰船动力系统发展的重要趋势，在舰船系统中具有举足轻重的地位，因此，开展舰船综合电力系统分析技术研究具有重要意义。首先，综述当前国内外在舰船综合电力系统关键技术领域的研究进展，包括潮流计算、短路故障检测与分析、电压控制、可靠性评估以及稳定性分析等。然后，分析舰船综合电力系统在这些关键技术领域所面临的困难与挑战，并提出各技术领域需要重点关注的研究课题。
关键词：综合电力系统；分析技术；潮流计算
引言
为了提升舰船综合作战能力，克服传统动力系统所带来的不足，世界各国正在抓紧研制舰船综合电力系统，其对于舰载高能武器的使用、舰船总体设计、动力平台的优化、提高舰船生命力和综合作战能力以及实现舰船装备信息化建设具有重大意义。
随着国防建设及我海军装备的发展，现代大型舰船综合电力系统的规模在不断扩大，电力网络拓扑结构也越来越复杂，对供电品质和可靠性的要求更高，对舰船综合电力系统的监控与管理将变得更加复杂，因此，建立舰船能量管理系统（ShipEnergyManagementSystem，SEMS）对于大型舰船电网的安全有效运行至关重要。
国外舰船能量管理系统技术发展较成熟，并大量应用于各类电力推进舰船。国内由于技术研究起步晚，尚无类似产品推出，因此，进行舰船能量管理系统技术研究，最后装备我国现代化舰船已刻不容缓且成为必然趋势。
1舰船综合电力系统与陆地电力系统相比，在如下方面具有突出的特点：
1）舰船综合电力系统是一个独立的小型电力系统，没有外部电网的电力支撑，需要依赖自身的电压频率调整来实现稳定控制。
2）电缆线路长度短，线路损耗小，但短路电流大，各设备耦合紧密，容易互相影响。
3）工况复杂，负载变化频繁，单个负载容量大，且在不同工况下的负载变化量大。
4）工作环境恶劣，易受攻击影响，对供电的可靠性和生命力要求高。
5）含大量电子负载，对电力中断和电能质量敏感。
2潮流计算
潮流计算是获取舰船电力系统整体运行状态的一个重要手段。它通过给定舰船综合电力系统的电气拓扑和负载条件，求解得到各节点电压及支路的功率分布，来获得系统的整体运行状态。舰船综合电力系统与陆地配电系统相比，既有许多共同点，也有不同之处。共同点在于网络结构均是辐射状或弱环状，线路的电抗/电阻比值小，必要时常接有分布式电源和储能装置；不同点主要在于舰船综合电力系统是独立系统，没有外部电源供电，电动机负荷占比大，线路短，阻抗小。因此，需要研究适合于这种特殊性的潮流计算方法。
3短路故障检测与分析
现代舰船综合电力系统中，电子负载越来越多，对电力供应和电能质量的要求更加严格，对系统故障诊断的快速性和准确性也提出了更高要求。由于舰船系统需求变化频繁，不间断供电是其重要要求。若发生系统故障，可能会中断电力服务的连续性，甚至导致电气设备严重损坏。因此，故障分析就显得尤为重要。舰船综合电力系统可能产生的故障包括单相接地故障、相间故障、两相接地故障以及三相故障等，当发生上述故障时，就有必要进行故障检测，分析其对系统的影响。
4电压控制与无功优化
电压质量是衡量舰船综合电力系统的重要指标之一，对全系统和各负荷的安全稳定运行以及基本的日常用电有着很大影响，所以，电压控制是舰船综合电力系统发展的主要挑战之一。在舰船综合电力系统中，电压水平偏低的一个重要原因是无功调节不合理。若舰船综合电力系统因负荷小而产生无功过剩的情况，电压会升高，造成系统运行成本增加，甚至危及系统和设备的安全；反之，电压会降低，造成系统电压不稳定，负荷不能正常工作。而实现无功最优补偿是解决此问题的重要手段。
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针对舰船综合电力系统的电压控制，Bosich等为解决非线性负载可能会引起危险的电压振荡问题，提出了电压致动器方法；Falahi等提出了一种新的基于动态电压无功控制的系统电压控制方案，对系统进行最优的无功控制输入，以最大限度地减小电压偏差。
舰船综合电力系统的无功优化问题是包含多个变量、多个约束的混合非线性规划问题，求解此类问题的主要算法包括数值算法、启发式算法和智能算法等。其中数值算法可用于处理连续变量，但对于离散变量的处理存在不足，容易陷于局部最优解；智能算法可以很好地处理离散变量。基于数值算法，唐卓贞等采用现代内点法，并在传统舰船综合电力系统无功优化模型等式约束中增加了线路传输功率约束。董龙龙等基于智能算法，采用自适应粒子群算法，有效克服了标准粒子群算法在优化过程中前期易陷入局部最优、后期收敛速度慢的缺点，使优化后的舰船综合电力系统的电压分布更加合理，运行更安全稳定。现有算法在处理多目标优化问题时容易陷入局部最优，收敛速度慢，目前的研究还没能很好地解决无功优化的多目标权衡问题。
5关键技术进展
5.1交直流发电模块化技术
对于普通水上船舶而已，普通柴油发电机组技术比较成熟，而对于综合电力系统而言要重点研究大功率高密度的交直流电力集成多绕组发电机发电技术以及中高压多相交流发电机整机集成发电技术。如美国ＤＤＧ１０００型驱逐舰采用两台罗尔斯罗伊斯公司的ＭＴ３０型３６ＭＷ燃气轮机作为发电机组原动机，其原型为波音７７７用发动机。大功率发电机组应具备抗冲击性能，能够适应舰船“三高一差”的工作环境，还需要突破电磁兼容、冷却、振动以及噪音等难题。
5.2推进电机及其变频调速技术
研究内容包括：大功率推进电动机如永磁电机的结构、性能以及变频调速控制策略和控制技术。４５型驱逐舰选择推进电机的过程并不是一帆风顺，刚开始的选择是永磁同步电机，英国皇家海军已经同某公司签订了合同，但是历经研发后由于其功率密度满足不了预订要求，后来又选择了阿尔斯通电力变换公司的先进感应电机（ＡＩＭ），其制作材料特殊并采用最先进的针尖冷却技术和谐波做功技术。
5.3大容量电能变换技术
实现大容量电能变换的技术关键在于配套的电力电子器件，美国海军研究局使用氢氧化物、集成电路、电力半导体等对模块化电力电子标准组件进行设计和制造，采用宽带隙半导体材料如碳化硅代替硅可以提高其性能。另外主电路电压为中压５０００Ｖ与后备电源（即蓄电池系统）电压１０００Ｖ等级不匹配，要求配置可靠性高的直流变换器。
结语
舰船综合电力系统状态估计相关问题处于起步阶段，随着新理论、新技术的不断涌现，在理论方面特别是在舰船实际应用需要方面，舰船综合电力系统状态估计仍有很多问题值得深入研究。在以下几个方面有重要的研究价值：
（1）针对舰船综合电力系统特点，开发计算速度快和数值稳定性好的算法，缩短状态估计执行周期；
（2）引入PMU量测的舰船混合量测状态估计算法的研究；
（3）抗差估计理论应用与舰船综合电力系统不良数据检测与辨识的进一步研究；
（4）新理论在舰船综合电力系统PMU优化配置方案中的研究；
（5）以提高不良数据检测与辨识能力为目标，PMU优化配置方法研究。
参考文献：
[1]马伟明.舰船动力发展的方向—综合电力系统[J].海军工程大学学报，2002，14（6）：1-9.
[2]徐永法，韩旗，杜军等.船舶能量管理系统PMS研究[J].中国航海，2005，（3）：78-79.
[3]马伟明.舰船动力发展的方向——综合电力系统［J］.海军工程大学学报，2002，14（6）：1-5，9.
论文作者:加措,洛桑江措,拉姆卓嘎,央吉
论文发表刊物:《电力设备》2019年第7期
论文发表时间:2019/9/17
标签：舰船论文; 电力系统论文; 电压论文; 算法论文; 系统论文; 电力论文; 技术论文; 《电力设备》2019年第7期论文;