船舶电力系统稳定性分析

摘要：随着我国综合通航能力的提高和造船业的不断发展，军用船舶、商用船舶和民用船舶的制造技术已达到了世界领先水平。电动机械和设备的普及，使得各类船舶的电力动力系统的结构越来越复杂化和多样化。为了保证整个船舶在海上的正常运行，必须确保船舶电力系统在技术上的稳定和安全，防止电路电网波动等事故。本文就船舶电力系统的组成和结构，以及如何提高船舶电力系统的稳定性提出了一些看法。

关键词：船舶；电力系统；稳定性

1前言

海洋运输主要依靠大型船舶，而中大型船舶，动力来源和各类通信都离不开船舶的电力系统，船舶的运输量大，承载着很高的经济价值，因此一个稳定的船舶电力系统，是保证船舶安全的必要条件，更直接关系到国家或企业的经济效益。船舶电力系统的稳定，是电气时代船舶的重要研究方向，是在当前航海气候环境愈发复杂条件下对船舶整体稳定性提出的新要求。

2船舶电力系统的结构和组成

2.1电力系统的组成

从通常的情况来看，新型的大中船舶的电力系统包括电能发生装置，配电装置，供电网络和电阻负载等部分。这些构成部分是由电力发生，统筹分配，传输和消耗几个单元结合的。另外，电源单元的主要作用是供电，通常使用交流发电机和大型变电装置。低功率的工作条件下，船舶电网将采用单台柴油机组来进行供电，而在高功率的工作条件下，船舶电力系统则采用多台柴油发电机组并网供电。统筹分配装置主要负责已有电力的分配和电网的控制，并采用适当的编程方式对不同的电气设备进行分类管理，最终达到稳定电网的目的。供电网络是通过电路将所有电气、电子设备与供电电缆连接，最终形成复杂而又整齐的电路网络。首先要有电能发生装置，也就是我们常说的发电装置。船舶电网不同于城市电网，船舶供电网络线路较短，且海上工作环境复杂，在这种限制条件下，输电线路中必须使用防水、防潮的电缆，这就造成了成本价格高，维修困难，工作环境复杂多样。船舶电路中，另外比较重要的一部分是电阻，包括工作电阻和电热电阻，工作电阻主要是为了保护电路中的高精尖设备，防止电流不稳定造成破坏。船舶的电源发生系统一般采用400V电气系统。电流分为直流、交流；交流船舶的电气设备在维护、保养等方面工作量比直流船要少很多，且交流电机结构简单、体积小、重量轻、运行可靠，起相应的设备也简单。交流船舶又分成单相交流电、三相三线绝缘系统、三相四线系统。三相三线绝缘系统应用最普遍。这种方式安全可靠，照明电网与动力电网间没有电的直接联系，互相影响小；电网对地绝缘好的时候，船员不小心碰到电网的任何一根线时，不至于造成触电伤亡事故；发生单相接地时，并不形成短路，仍可维持电气设备的正常运行。三相四线系统，因不是绝缘系统，船员碰到任何一根电网线时，容易发生触电伤亡事故；当发生单相接地故障时，即形成短路，有可能会发生跳电试图，因而船舶较少采用。频率均选用陆上的标准等级，50HZ60HZ。提高频率在一定范围内可提高自动化系统动作的快速性，可减少电机、变压器、换能器、自动化元件的重量和尺寸，但对电缆以及电力系统的其他元件却有相反的作用。频率的提高还要有配套的高速机械装置和高速轴承，还会导致交流阻抗增大，损耗也增大。同时，高速运行机械噪音也较大，另外船舶电力系统较为脆弱，容易出现未知的错误，因此需要设置应急供电。当正常供电系统因各种意外情况处于供电中断状态时，应急供电系统能立即自动启动，保持船舶各种电力设备正常运行。

2.2船舶电网的结构和工作方式

船舶电力系统各部分装置的功能和作用大不相同，根据一定的分类条件，通常可以将船舶电力装置分为以下两种类型：电源装置和负载装置。一般情况下，电源转换设备是独立进行供电的，以确保自己的独立操作条件下具有超强的稳定性。然而电力转换装置的不同形式的串联，平行并联，复合串并联等接电方式的不同都会影响船舶电力系统的稳定性。每个电源转换装置的交互和行动会影响配电系统的性能和模块本身。电网是全船电缆电线的总称。是联系发电机、主配电板、分配电板和负荷见的中间环节，是将电源的电能输送到负荷端的媒介。电网根据连接的负荷性质可分为：动力电网、照明电网、应急电网、低压电网、弱电电网。在海上航行时，船舶的电力系统电压普遍不高，但由于其回路较短，总电阻较小，所以实际电流往往过大，很容易造成过载现象的发生，因此必须配备实时电流检测器和保护器来保护船舶电网的安全。船舶上各性质相近的用电设备都由相应的单独电网供电，可分为：船舶电力网，由总配电板直接供电，供给各种船舶辅机的电动拖动。照明电网，提供船舶内外照明。弱电装置电网，包括电传令钟、舵角指示器、电话设备、火警信号及警铃等。应急电网，包括应急照明、应急动力（如舵机电源）、助航设备电源等。其它装置电网，如充电设备、手提行灯等。船舶电网很小，如果有较大负载准备挂网运行，船舶电力系统会自动向集控台中央处理系统发出信号，并且启动一台机组备用，增大电站容量来防止电网波动。要注意防止漏电，保证在船舶上有限的电能能够尽量应用到动力上去，船舶电力系统工作范围小，因此设备应当更加精密，防止出现不必要的问题。还应当加强对船舶电力系统的实时检修和监管，船上要配备专业的电工人员，不断的对整船的电网和发电装置等进行巡回检查，及时发现疏漏之处，并及时地修复，避免出现大的问题。

3如何提高船舶电力系统的稳定性

3.1通过matlab建模方法进行提高

机械、电气以及航海雷达等自动化数字控制技术逐渐被应用到航海船舶设计和驾驶当中去，这就对电力系统的稳定性提出了更高的要求，电力工程师在进行基础的电力模块设计时，不仅要遵循基本的电路设计规程，还要注意船舶不同工作环境下其动态特性等其他特殊条件的分析考证，有必要为船舶电力系统设计人员提供准确，可靠，快速，有效的计算方法。具体数据安排方法，采用二叉树形式的计算机语言来表示。数学物理建模，主要是通过C语言和C++语言，在MATLAB等计算机设计编程环境下，进行模拟模型的建立。通过模型建立之后，再对船舶电路电网可能出现的问题进行实际的模拟，可以看出，船舶电力系统的紊乱主要是电流不稳定引起的，通过建模还能找到最佳的解决方案，帮助紊乱的船舶电力系统在短时间内尽快恢复到正常水平，避免发生更大的麻烦，甚至导致整个系统瘫痪。船舶电力系统的核心主要是发电系统、输电网络、负载等，可以围绕船舶电力系统的发电机建模展开，重点是对是船舶电力系统稳定性的研究，这是数学物理模式过程中的关键内容。发电机主要有电力发生装置和电磁转换系统组成，现有的发电机主要是由法拉第电磁产生原理来进行设计的，因此要注意防止磁化等现象的发生，防止对航海雷达和罗盘等造成干扰。航海船舶最重要的是安全，电力系统能否在各种恶劣条件下保持稳定，是能否保证航海安全性的最重要的部分。电力系统的稳定，关键是靠保护电路的稳定电阻，又称稳定负载，负载的设计也有许多规程可循，首先，负载要设计的合理均衡，电阻负载的合理串联和并联，可以大大提高船舶电力系统的静态稳定性，避免造成更大的破坏。其次，当电力系统出现问题不能正常运行时，发电机需要具备应急机制。船舶电力系统不稳定，容易出现无法预见的小故障，而显得故障不及时地发现并进行整改修补，可能会酿成大祸，给航海安全造成威胁，因此，要通过数学物理建模的方法，尽可能的模拟航海电路可能出现的问题，并加以预防。

3.2通过软件计算的方法进行提高

信息时代，任何计算等都可以使用微型计算机来进行，各种计算和模拟分析的软件也是层出不穷，模拟的真实性也越来越高，可信度和有效性都越来越好。此外，船舶电源发生故障的过程可以通过计算机的数字模拟软件进行模拟分析和优化。这些都是计算机软件工具，相比传统的计算方法，可以节省人力和时间。船舶的闭合电路系统是很小型但是复杂多样的，人工模拟是不现实的，而通过计算机软件便可以轻易的解决。现在新型中大船舶的电气系统越来越复杂，通过计算机模拟计算的难度也越来越大，以往的简单PC端的电脑软件已经不能够满足现有的需求，因此需要及时地推出新的微机计算软件来对电力电路系统进行模拟，绘制电路图和工程图像，进行合理的分析。

4结语

船舶运输，作为目前国内外大型设备和人员的客货两用运输途径之一，在交通运输业当中发挥着巨大的作用，在海洋经济不断发展的今日，水路运输更是离不开船舶技术的发展，而航海安全是首要保障。为了给客货运输提供更好的服务，应当在船舶设计过程中，注意电力系统的稳定性设计，控制电力系统在工作时候的稳定性，为船舶电力的稳定性做出保障，为航海安全性的提升做出贡献。

参考文献：

[1]王守相，李继平，王成山，配电网三相潮流算法比较研究[J]电力系统及其自动化学报,2013(2):26-31.

[2]李志军,杨梅,刘艳萍.matlab在同步发电机仿真中的初始化问题,大电机技术,2013(6):62-66.

作者：吴东宝 单位：广州港工程管理有限公司