船舶電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

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摘要：隨著我國綜合通航能力的提高和造船業(yè)的不斷發(fā)展，軍用船舶、商用船舶和民用船舶的制造技術已達到了世界領先水平。電動機械和設備的普及，使得各類船舶的電力動力系統(tǒng)的結構越來越復雜化和多樣化。為了保證整個船舶在海上的正常運行，必須確保船舶電力系統(tǒng)在技術上的穩(wěn)定和安全，防止電路電網波動等事故。本文就船舶電力系統(tǒng)的組成和結構，以及如何提高船舶電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性提出了一些看法。

關鍵詞：船舶；電力系統(tǒng)；穩(wěn)定性

1前言

海洋運輸主要依靠大型船舶，而中大型船舶，動力來源和各類通信都離不開船舶的電力系統(tǒng)，船舶的運輸量大，承載著很高的經濟價值，因此一個穩(wěn)定的船舶電力系統(tǒng)，是保證船舶安全的必要條件，更直接關系到國家或企業(yè)的經濟效益。船舶電力系統(tǒng)的穩(wěn)定，是電氣時代船舶的重要研究方向，是在當前航海氣候環(huán)境愈發(fā)復雜條件下對船舶整體穩(wěn)定性提出的新要求。

2船舶電力系統(tǒng)的結構和組成

2.1電力系統(tǒng)的組成

從通常的情況來看，新型的大中船舶的電力系統(tǒng)包括電能發(fā)生裝置，配電裝置，供電網絡和電阻負載等部分。這些構成部分是由電力發(fā)生，統(tǒng)籌分配，傳輸和消耗幾個單元結合的。另外，電源單元的主要作用是供電，通常使用交流發(fā)電機和大型變電裝置。低功率的工作條件下，船舶電網將采用單臺柴油機組來進行供電，而在高功率的工作條件下，船舶電力系統(tǒng)則采用多臺柴油發(fā)電機組并網供電。統(tǒng)籌分配裝置主要負責已有電力的分配和電網的控制，并采用適當的編程方式對不同的電氣設備進行分類管理，最終達到穩(wěn)定電網的目的。供電網絡是通過電路將所有電氣、電子設備與供電電纜連接，最終形成復雜而又整齊的電路網絡。首先要有電能發(fā)生裝置，也就是我們常說的發(fā)電裝置。船舶電網不同于城市電網，船舶供電網絡線路較短，且海上工作環(huán)境復雜，在這種限制條件下，輸電線路中必須使用防水、防潮的電纜，這就造成了成本價格高，維修困難，工作環(huán)境復雜多樣。船舶電路中，另外比較重要的一部分是電阻，包括工作電阻和電熱電阻，工作電阻主要是為了保護電路中的高精尖設備，防止電流不穩(wěn)定造成破壞。船舶的電源發(fā)生系統(tǒng)一般采用400V電氣系統(tǒng)。電流分為直流、交流；交流船舶的電氣設備在維護、保養(yǎng)等方面工作量比直流船要少很多，且交流電機結構簡單、體積小、重量輕、運行可靠，起相應的設備也簡單。交流船舶又分成單相交流電、三相三線絕緣系統(tǒng)、三相四線系統(tǒng)。三相三線絕緣系統(tǒng)應用最普遍。這種方式安全可靠，照明電網與動力電網間沒有電的直接聯系，互相影響??；電網對地絕緣好的時候，船員不小心碰到電網的任何一根線時，不至于造成觸電傷亡事故；發(fā)生單相接地時，并不形成短路，仍可維持電氣設備的正常運行。三相四線系統(tǒng)，因不是絕緣系統(tǒng)，船員碰到任何一根電網線時，容易發(fā)生觸電傷亡事故；當發(fā)生單相接地故障時，即形成短路，有可能會發(fā)生跳電試圖，因而船舶較少采用。頻率均選用陸上的標準等級，50HZ60HZ。提高頻率在一定范圍內可提高自動化系統(tǒng)動作的快速性，可減少電機、變壓器、換能器、自動化元件的重量和尺寸，但對電纜以及電力系統(tǒng)的其他元件卻有相反的作用。頻率的提高還要有配套的高速機械裝置和高速軸承，還會導致交流阻抗增大，損耗也增大。同時，高速運行機械噪音也較大，另外船舶電力系統(tǒng)較為脆弱，容易出現未知的錯誤，因此需要設置應急供電。當正常供電系統(tǒng)因各種意外情況處于供電中斷狀態(tài)時，應急供電系統(tǒng)能立即自動啟動，保持船舶各種電力設備正常運行。

2.2船舶電網的結構和工作方式

船舶電力系統(tǒng)各部分裝置的功能和作用大不相同，根據一定的分類條件，通?？梢詫⒋半娏ρb置分為以下兩種類型：電源裝置和負載裝置。一般情況下，電源轉換設備是獨立進行供電的，以確保自己的獨立操作條件下具有超強的穩(wěn)定性。然而電力轉換裝置的不同形式的串聯，平行并聯，復合串并聯等接電方式的不同都會影響船舶電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。每個電源轉換裝置的交互和行動會影響配電系統(tǒng)的性能和模塊本身。電網是全船電纜電線的總稱。是聯系發(fā)電機、主配電板、分配電板和負荷見的中間環(huán)節(jié)，是將電源的電能輸送到負荷端的媒介。電網根據連接的負荷性質可分為：動力電網、照明電網、應急電網、低壓電網、弱電電網。在海上航行時，船舶的電力系統(tǒng)電壓普遍不高，但由于其回路較短，總電阻較小，所以實際電流往往過大，很容易造成過載現象的發(fā)生，因此必須配備實時電流檢測器和保護器來保護船舶電網的安全。船舶上各性質相近的用電設備都由相應的單獨電網供電，可分為：船舶電力網，由總配電板直接供電，供給各種船舶輔機的電動拖動。照明電網，提供船舶內外照明。弱電裝置電網，包括電傳令鐘、舵角指示器、電話設備、火警信號及警鈴等。應急電網，包括應急照明、應急動力（如舵機電源）、助航設備電源等。其它裝置電網，如充電設備、手提行燈等。船舶電網很小，如果有較大負載準備掛網運行，船舶電力系統(tǒng)會自動向集控臺中央處理系統(tǒng)發(fā)出信號，并且啟動一臺機組備用，增大電站容量來防止電網波動。要注意防止漏電，保證在船舶上有限的電能能夠盡量應用到動力上去，船舶電力系統(tǒng)工作范圍小，因此設備應當更加精密，防止出現不必要的問題。還應當加強對船舶電力系統(tǒng)的實時檢修和監(jiān)管，船上要配備專業(yè)的電工人員，不斷的對整船的電網和發(fā)電裝置等進行巡回檢查，及時發(fā)現疏漏之處，并及時地修復，避免出現大的問題。

3如何提高船舶電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性

3.1通過matlab建模方法進行提高

機械、電氣以及航海雷達等自動化數字控制技術逐漸被應用到航海船舶設計和駕駛當中去，這就對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性提出了更高的要求，電力工程師在進行基礎的電力模塊設計時，不僅要遵循基本的電路設計規(guī)程，還要注意船舶不同工作環(huán)境下其動態(tài)特性等其他特殊條件的分析考證，有必要為船舶電力系統(tǒng)設計人員提供準確，可靠，快速，有效的計算方法。具體數據安排方法，采用二叉樹形式的計算機語言來表示。數學物理建模，主要是通過C語言和C++語言，在MATLAB等計算機設計編程環(huán)境下，進行模擬模型的建立。通過模型建立之后，再對船舶電路電網可能出現的問題進行實際的模擬，可以看出，船舶電力系統(tǒng)的紊亂主要是電流不穩(wěn)定引起的，通過建模還能找到最佳的解決方案，幫助紊亂的船舶電力系統(tǒng)在短時間內盡快恢復到正常水平，避免發(fā)生更大的麻煩，甚至導致整個系統(tǒng)癱瘓。船舶電力系統(tǒng)的核心主要是發(fā)電系統(tǒng)、輸電網絡、負載等，可以圍繞船舶電力系統(tǒng)的發(fā)電機建模展開，重點是對是船舶電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的研究，這是數學物理模式過程中的關鍵內容。發(fā)電機主要有電力發(fā)生裝置和電磁轉換系統(tǒng)組成，現有的發(fā)電機主要是由法拉第電磁產生原理來進行設計的，因此要注意防止磁化等現象的發(fā)生，防止對航海雷達和羅盤等造成干擾。航海船舶最重要的是安全，電力系統(tǒng)能否在各種惡劣條件下保持穩(wěn)定，是能否保證航海安全性的最重要的部分。電力系統(tǒng)的穩(wěn)定，關鍵是靠保護電路的穩(wěn)定電阻，又稱穩(wěn)定負載，負載的設計也有許多規(guī)程可循，首先，負載要設計的合理均衡，電阻負載的合理串聯和并聯，可以大大提高船舶電力系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定性，避免造成更大的破壞。其次，當電力系統(tǒng)出現問題不能正常運行時，發(fā)電機需要具備應急機制。船舶電力系統(tǒng)不穩(wěn)定，容易出現無法預見的小故障，而顯得故障不及時地發(fā)現并進行整改修補，可能會釀成大禍，給航海安全造成威脅，因此，要通過數學物理建模的方法，盡可能的模擬航海電路可能出現的問題，并加以預防。

3.2通過軟件計算的方法進行提高

信息時代，任何計算等都可以使用微型計算機來進行，各種計算和模擬分析的軟件也是層出不窮，模擬的真實性也越來越高，可信度和有效性都越來越好。此外，船舶電源發(fā)生故障的過程可以通過計算機的數字模擬軟件進行模擬分析和優(yōu)化。這些都是計算機軟件工具，相比傳統(tǒng)的計算方法，可以節(jié)省人力和時間。船舶的閉合電路系統(tǒng)是很小型但是復雜多樣的，人工模擬是不現實的，而通過計算機軟件便可以輕易的解決。現在新型中大船舶的電氣系統(tǒng)越來越復雜，通過計算機模擬計算的難度也越來越大，以往的簡單PC端的電腦軟件已經不能夠滿足現有的需求，因此需要及時地推出新的微機計算軟件來對電力電路系統(tǒng)進行模擬，繪制電路圖和工程圖像，進行合理的分析。

4結語

船舶運輸，作為目前國內外大型設備和人員的客貨兩用運輸途徑之一，在交通運輸業(yè)當中發(fā)揮著巨大的作用，在海洋經濟不斷發(fā)展的今日，水路運輸更是離不開船舶技術的發(fā)展，而航海安全是首要保障。為了給客貨運輸提供更好的服務，應當在船舶設計過程中，注意電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性設計，控制電力系統(tǒng)在工作時候的穩(wěn)定性，為船舶電力的穩(wěn)定性做出保障，為航海安全性的提升做出貢獻。

參考文獻：

[1]王守相，李繼平，王成山，配電網三相潮流算法比較研究[J]電力系統(tǒng)及其自動化學報,2013(2):26-31.

[2]李志軍,楊梅,劉艷萍.matlab在同步發(fā)電機仿真中的初始化問題,大電機技術,2013(6):62-66.

作者：吳東寶 單位：廣州港工程管理有限公司