摘 要

随着船舶大功率电力推进系统的发展和应用，船舶电力系统容量和结构发生了突破性变化。船舶综合电力系统的提出，为船舶的发展确定了新方向。本文介绍了船舶综合电力系统的基本构成，对其相关性能情况进行分析与研究。

首先，为研究动态负载导致性能的变化，对船舶负载如推进电机、螺旋桨等进行了分析；接下来，为了描述船舶电力系统的性能，研究了相关性能指标量，着重分析了灵敏度指标和裕度指标的定义、原理和分析求取方法，为了计算裕度指标开发了matlab计算程序，可方便、简捷地得到不同情形下的裕度值。同时根据指标的结果，结合负载的特性，在P-V图上进行了规律探讨，发现母线电压的影响。从改善系统性能方面，提出了配置无功补偿设备，进而提升船舶综合电力系统稳定性。

关键词：船舶电力系统；稳定性；灵敏度；裕度

Abstract

With the application of high power electric propulsion system， the capacity and structure of ship power system have changed a lot. The proposed ship integrated power system has set a new direction for the development of ship. In this paper， the basic structure of ship integrated power system is introduced， and the related performance is analyzed and studied. In order to study the change of performance caused by dynamic load， the load of ship， such as propulsion motor and propeller， is analyzed. In order to describe the performance of ship power system， study the relevant performance indicators， focuses on the analysis of the sensitivity index and margin index definition， principle and calculation method， and the calculated margin index into the matlab program， more easily draw results. Get the results， combined with the characteristics of loads， were studied in the P-V chart， found that the influence of bus voltage； from the aspect of improving system performance， the configuration of reactive power compensation equipment， and improve the stability of the ship integrated power system.

Key Words：Marine power system； Stability； Sensitivity； Margin

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 本论文研究的目的和意义 1

1.1 船舶综合电力系统发展现状 1

1.2 电力系统性能分析指标 1

1.2.1 电压稳定性 1

1.2.2 负载模型 2

1.2.3 裕度 2

1.3 研究目标和研究内容 2

1.4 本章小结 2

第2章 船舶综合电力系统相关性能和负载模型分析 4

2.1 船舶综合电力系统的基本构成 4

2.2 船舶综合电力系统相关性能分析 4

2.3 船舶负载模型 6

2.3.1 船舶静态负载模型 6

2.3.2 推进电机的数学模型 6

2.3.3 螺旋桨简化模型 8

2.4本章小结 9

第3章 电压稳定性指标的分析 10

3.1 电压稳定指标的构造及比较 10

3.2 灵敏度指标的分析 11

3.3 裕度指标的分析 12

3.4 本章小结 12

第4章 裕度指标的实例计算 14

4.1 直接法 14

4.2 连续潮流法 17

4.3 最优潮流法 19

4.4 本章小结 20

第5章 船舶电网动态负载下的裕度分析 22

5.1 动态负载导致的裕度变化规律研究 22

5.1.1 连续潮流法的实现方法 22

5.1.2 关于P-V曲线分析 23

5.2 改善船舶综合电力系统性能的策略 24

5.3 本章小结 25

第6章 总结与展望 26

6.1 全文总结 26

6.2 工作展望 26

参考文献 27

致 谢 29

附录I 30

附录II 33

第1章 本论文研究的目的和意义

1.1船舶综合电力系统国内外发展现状

随着化石燃料的急剧消耗，电力越来越多的应用到交通工具中，尤其是当今的船舶。船上各个不同系统之间的相互联系已变得越来越复杂，使得船舶的设计、建造和应用的综合性更强。

在社会需求的推动下，一个新兴的系统设计成了众多设计师的一致观点，即综合电力系统，将船舶电力系统的领域拓展到了船舶动力系统等各个方面，称为船舶最核心的系统，于是便有了“全电船”的概念。

综合电力系统技术开始于20世纪90年代中叶，最先由美国海军提出，其电力系统控制内容涉及电能的产生、分配、管理、功率变换、船载设备用电和电力推进系统的各个方面。采用IPS技术简化了船舶动力系统结构，降低了船舶噪声能级，提高了综合能力，有利于其总体设计的优化。

1987年，英国“伊丽莎白女王二世”号豪华游轮进行了一项彻底的翻修，其船上的机械推进系统被一套综合电力系统IEP所取代，该电力系统的成功运行为豪华游轮上广泛采用综合电力系统奠定的基础。

我国在20世纪设计和建造的电力推进船舶主要采用传统的直流推进技术，到了20世纪末期，我国也开始研究以综合电力系统为背景、具有现代技术的交流电力推进船舶。

1.2电力系统性能分析指标

1.2.1电压稳定性

所谓电压稳定，指的是在运行条件一定和系统遭受扰动以后，电力系统里的所有母线都可以一直保持着小幅度的电压波动。系统之所以会电压不稳定，主要由几个原因导致，一是有渐进的、不可控制的电压降落，并且该电压降落是由于改变系统条件造成的；二是负载增大；三是发生扰动时。

据了解，每年发生的海船全船失电事故数逐年巨幅递增，究其原因大多是电压失稳所导致的。虽然电压失稳究其根源是一类局部发生的现象，但是它会导致系统发生广泛的负面变化，最后可能波及整个系统。

为了简化分析，可主要分析无功功率的供给需求与平衡对系统稳定的影响；严格的说，电力系统的有功功率对于电压稳定也有影响。防止电压失稳的准则是，对于电力系统的所有母线，当运行条件不返生改变，母线的无功功率增大时，其电压幅值也会随之上升；反之该系统不稳定。

1.2.2负载模型

负荷模型是影响电力系统仿真结果精度和可信度最重要的因素之一，倍受 国内外学者的广泛关注。但是，因为综合负荷自身具备无规则跳动、内部部件联系难以描述、很难用拟合散点的方法描述等特点，它的模型受到很多学者的重视，但至今任然没有给出一个较为精准的模型。为了确定每一种负荷的精确模型，很多学者分别从不同的角度，即直接测量和运行原理着手分析，已经取得了异步电机、变压线路、输电网络等等的能在不同时间和地域研究的数学模型。电力系统中往往会包括成千上万的设备和元件，负载是相当核心的一个环节，但是由于条件的限制，我们只能设计一个模糊的模型。对电网的规划以及对系统运行参数的监控多次因为通过上述模型计算结果的错误而造成悲剧。由此看来，要想更准确的分析电力系统的各项性能的变化，建立符合模型是一条捷径，基于模型的仿真技术才得以得到发展，对造船业是一个较大的推动。

1.2.3裕度

电压稳定裕度分析是评估电力系统静态电压稳定性的有效手段，它可以给出从系统当前运行点到电压崩溃点的距离，这一距离可以表征系统电压稳定水平。系统的最大负荷量在不同状态下是不一样的,利用当前电网能承受的最大负荷来描述裕度,也就是属于静态电压的裕度研究范围。

由系统给定运行状态出发,按照某种模式,通过负荷增长或传输功率的增长逐步逼近电压崩溃点,则系统当前运行点到电压崩溃点的距离(以MVA、MW或 Mvar表示的负荷增加量)可作为电压稳定性程度的指标,称之为负荷裕度指标或裕度指标。在研究电网的稳定性过程中,研究人员确定电压崩溃点的基础就是求取负荷裕度,该方法也是采用最频繁的。

1.3研究目标和研究内容

本文将针对电力系统电压稳定性所具有的特征，深入分析电压稳定指标，着重研究裕度指标在船舶综合电力系统中的求取方法，找到动态负载导致的裕度指标变化规律及监控方法；对于电力系统电压稳定裕度不足的情况，根据船舶电站的运行状态，从增强船舶电力系统稳定的角度说明修改方案。

1.4本章小结

本章说明了船舶综合系统的基本概念，通过描述其功能的运用体现了发展综合电力系统的必要，并对其发展现状进行描述，反映了当今世界对该技术的重视；然后对电压稳定性进行解释和概述，解释本文研究的意义；最后介绍了本文的研究目标和研究内容。

第2章 船舶综合电力系统相关性能和负载模型分析

2.1船舶综合电力系统的基本构成

船舶综合电力系统是一种全新的将船舶日常负载和推进负载集成的系统。其主要组成包括:原动机、发电机及励磁、变压器、整流器、逆变器、推进电机、螺旋桨和日常负载。主机的动力通过发电机转化为电能，电能通过配电系统提供给船舶上的所有负载使用，这其中包括从发电、配电、电能调度与监控、电力推进和日常负荷集成在一起，实现了整个船舶能量的综合使用和管理。船舶综合电力系统采用了很多新的技术，在系统控制，关键设备的尺寸、重量等方面都有了改进，整个系统的性能也大幅提升。

图2-1 船舶综合电力系统结构简图

2.2船舶综合电力系统相关性能分析

为了能更好地评价船舶综合电力系统的相关状态，需要对其相关性能情况进行分析与研究。和陆上电网相似，船舶综合电力系统也存在着描述其运行等综合情况的复合型性能，如可靠性、稳定性、灵活性和经济性等。