船舶电力系统设计的发展现况分析

摘要:船舶的电力系统经过了漫长的发展过程。最初电力系统只是作为起辅助作用的能源，为船舶的小型用电设备供电。随着电力系统的优化和储电技术的发展，现在的船舶综合电力系统已经作为必不可少的能量来源，甚至作为主要推进能源。传统的电力系统结构复杂、性能较差，本文基于埃弗雷特优化技术对传统的电力系统进行优化设计，提出电力系统的级联式区域配电技术。

关键词：电力系统;储电技术;埃弗雷特优化技术

引言

电能具有灵活度高、环保和功率稳定等优点，随着电力传输和电力储存技术的高速发展，大量用电设备如照明设施、起重机和船舶通信等设备广泛应用在船舶等海上作业平台上。为了实现船舶电网的稳定输出和降低电力能源的功率损耗，大型的船舶综合电力系统引起了广泛的研究。为了适应复杂的用电载荷和供电需求，保障整个船舶电力系统的平稳运行，船舶工业需要对传统的船舶电力系统进行技术革新。电力变换装置、电网拓扑结构和功率转换器等各种先进的电力技术近年来逐渐成熟[1]，这些新的技术和优化算法开始在船舶的电力系统上应用起来。传统的船舶电力系统主要有以下缺陷：

1)系统冗余、集成控制不便。传统的船舶电力系统包括汽轮发电装置、储能模块、电网和船上用电设备，电能沿船上左右两侧的母线传输到各种用电终端。由于众多用电模块在功率和电压上相互影响，使得电力系统的性能下降甚至不稳定。船舶上各种用电设备相互独立运行，无法有效的对整个用电网络集成控制。

2)电力系统网络复杂，维护困难。传统船舶电力网络在铺设过程中无法对整个系统进行协调，电路之间的并联、串联往往根据用电设备随机决定，因此电网的结构复杂无规律。这种复杂的电路一旦出现故障，检测和维修需要耗费大量的时间和工作量。

3)系统供电效率低，电能损耗大。相对于采取网络拓扑结构的集成化电路，传统船舶电路的供电无法对负载用电变化做出及时的响应，这种供电电流和电压调整的滞后性会造成大量电能的损耗。由于船舶用电设备存在功率的突变，传统电力系统无法做出及时的调节，整体系统的用电效率就会降低。在船舶供电系统的电力变换装置设计时，需要将众多变换装置有机的协调才能使电力系统的安全性、可靠性达到最佳[2]。本文在设计船舶的电力系统时，充分考虑到电路网络拓扑结构的优化，结合量子学埃弗雷特算法对电路进行优化设计。经过优化后的船舶电力系统电路高度集成，故障诊断和维护方便;对负载用电变化的响应迅速，提高了供电系统的效率;系统内电力变换装置的耦合性好，整体上的电能损耗大大降低。

1船舶电力系统

1.1船舶电力系统的发展现状

近年来，电工电子技术发展迅速，大规模的集成电路逐渐取代了传统复杂的电路。这种高度集成的电路可以显著提高电力系统的可控制性、运行的稳定性和系统的使用寿命，同时节省了维护和故障诊断的成本。传统的船舶电力系统主要为发电轮机和输电和配电设备两部分。其中，输电、配电设备又包括电力转换装置、步进电机装置、配电器、电池等储能元器件和变压器模块等。经过几代人的研究，模块化电子技术在船舶电力系统中逐渐应用起来。模块化电子技术是欧美等发达国家率先提出的，它的出发点是电路的网络拓扑结构。根据模块化拓扑结构设计的电路，充分考虑各个不同功能模块之间的相互联系，实现了电路在电压转换、电能输送、节能调度的最优化[3]。

1.2船舶电力系统的区域配电

船舶电力系统的区域化配电是基于模块化电工电子技术发展而来的，这种区域化配电模式可以根据船上用电设备的负载进行电能的分配。通常情况下，区域化配电的传输线路为船舶左右两侧的输电母线，然后根据用电量的大小将母线的电流分配给各个区域。该区域化配电结构如图1所示。相比较于传统的船舶配电方式，采用区域化配电技术的船舶电力系统具有以下优点：

1)根据用电载荷进行电能的区域化分配，每个区域设计高度集成的电力转换器，使电力系统的动态响应迅速和准确。

2)对于电力系统的压力泵和各类风机等辅机模块，采用区域化的配电方式可以针对辅机的频率和转速进行调节，确保辅机的工作效率。

3)区域化的直流电分配方式减少了船舶电力系统的变压器转换级数，降低了功率损耗。

2采用埃弗雷特优化技术的船舶电力系统

2.1埃弗雷特优化算法

量子信息科学近年来逐渐兴起，其中量子计算和量子理论优化算法得到了长足发展。量子计算是由埃弗雷特率先提出的，他提出了物质的另一种状态-“量子态”，并指出任何现实生活中存在的物质，不论是宏观还是微观物质，都可以通过“量子态”进行描述[4]。基于量子理论的优化算法在处理某一特定工况的问题时，充分利用量子逻辑运算和耦合算法。相比于传统计算的迭代算法，量子计算在判定函数时仅需要运算一次就可将不确定的输入量转化为定量，具体的函数形式如图2所示。图2中，量子计算函数与传统函数具有明显不同，量子计算充分利用了量子的矢量可叠加特性，通过矢量变换H，将输入量x和y转化为叠加态，然后通过埃弗雷特算法进行计算，从而将非定值的物理量转化为对应的确定值物理量。量子理论的埃弗雷特优化算法在电路设计中发挥着重要的作用。他可以将复杂的函数求解过程进行简化，使得数据处理和运算过程更加简便。尤其对于回路中干、支路电流的网络设计和配电模块的耦合性，可以大幅提高耦合求解的效率，对电力系统结构的合理设计具有非常重要的意义。

2.2基于埃弗雷特优化技术的船舶电力系统

基于埃弗雷特优化的船舶电力系统，与传统电力系统最突出的区别是采用级联的方式对船舶区域配电。通过配置SSIM滤波器，将输入端和母线之间的三相电流衰减降低。起波形选择SSIM滤波器跟电路后端的整流器以级联的方式连接，作为一个子模块起配电的作用。采用级联式区域配电的船舶电力系统具有以下特点：

1)在船舶的级联式电力系统中，每个配电区域都可以看作是独立运行的子系统，每个子系统的抗干扰能力也各不相同。子系统通常会受到不同程度的扰动，其中程度较小的扰动包括：用电设备的负载变化、系统自身的噪声扰动和线路不稳定产生的扰动等;程度较大的扰动包括：电路开闭瞬间产生的扰动和输电线路发生意外产生的扰动等[5]。

2)电力系统采用级联的区域配电方式时，需要通过反馈系统对功率进行调节。通常情况下，配电区域的反馈包括电压反馈和电流反馈两种。采用电压反馈的配电模块当反馈电压和输入电压存在明显差异时，区域内的阻抗器就会发挥调节回路电压的作用，使系统输入电压与负载电压匹配。本文所述的级联式区域配电的等效模型如图3所示。图3中，G1为电力转化器的级联传递函数，G2为某区域配电的传递函数。Z0和Zin分别为配电器的输入阻抗和电力转换器的阻抗。由该级联模型可知，区域配电的输入阻抗和电力转换器的阻抗相互调节，可以保障区域的稳定性。在该电力系统中，每个配电区域之间的级联方式是通过埃弗雷特算法耦合起来的[6]。一方面，每个配电区域可以保障该区域内的用电需求和电力调节灵活性;另一方面，众多配电区域组成一个有机的系统，共同保障了整个船舶电力系统的正常运行。该级联式配电系统结构如图4所示。在该电力系统结构中，输入端为左右两侧的2个三相交流电源，PCM1-PCM4为电路的阻抗器和整流装置，SSCM为电路的变频器。

3结语

随着电工电力技术的发展，集成化和模块化的电路设计在船舶电力系统中的应用越来越广泛。本文基于埃弗雷特优化算法，对传统船舶电力系统进行优化设计，在原有的基础上设计了级联式直流配电模块。后期的功率和稳定性测试表明，该新型船舶电力系统功率损耗低且具有良好的供电稳定性。

参考文献：

[1]杨勇,耿攀,袁阳.基于DSP的舰船交流电力系统保护装置设计[J].船电技术,2012,32(5):50–52.

[2]戴剑峰,周双喜,鲁宗相,等.面向对象的船舶电力系统数字仿真研究[J].中国造船,2005,46(3):61–67.

[3]郭光灿.量子信息科学在中国科学技术大学的兴起和发展[J].物理,2008,37(8):556–561.

[4]Z.MALJKOVIC,关玉薇.故障和扰动引起的水轮发电机电路电压升高[J].国外大电机,2001(1):20–24.

[5]王超,曾爽.浅析配电网级联开闭所智能管理方法[J].科技创新与应用,2016(30):178–178.

作者：韩艳赞 倪江楠    单位：河南工业职业技术学院