电力电子化趋势下的舰船电力系统面临的主要问题

刘汉宇 王 伟

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

引 言

自电力系统建立以来，电能的灵活控制、特性调节和高效存储就一直是希望解决的重大难题。近年来，电子集成工艺技术与电力控制技术的成功集合，使大功率电力电子器件开始有能力在电力系统发挥突出的作用，并有望逐渐实现电力系统走向智慧电力可控的重大需求。电力电子器件（包括全控型、半控型和不可控型的电力二极管等）以不同时间尺度的快速固态通断替代了传统电路中的机械开关，而且通过各类拓扑结构的变换改变着电力系统的电气性能和运行性能。

在电力系统的某一环节或多个环节中，当电力电子变流器的数量和容量达到一定规模时，此系统与传统交流电力系统的运行特性相比有很大差异，传统电力系统中所用的分析方法已不再完全适用，或者使用时会带来较大分析误差，此时的电力系统就不再是完全的惯性发电机组特性的电力系统，而是电力电子化电力系统［1］。这些电力电子装置由各种电力电子器件构成的电路组成，并非直接用于产生电能，而主要用于大功率电能的变换和控制其主要包括直流/直流变流器、交流/直流变流器、开关电源、变频调速装置、无功补偿装置等。这些装置的核心是各种功率半导体器件，包括：半控型器件，如晶闸管；全控型器件，如GTO（门极可关断晶闸管）、GTR（电力晶体管）、MOSFET（电力场效应晶体管）、IGBT（绝缘栅双极晶体管）；不可控器件（电力二极管）。

电力系统的电力电子化程度直接影响着系统的配置、建模、控制、运行和保护等所有方面，是最重要的指标之一。当前对“电力电子化程度”的定义并未形成共识，但一般以电网中具有多大的电功率是通过电力电子化的装置传输到负载使用端来描述电力电子化的程度。

电力电子化的电力系统包含以下3个应用层次：

（1）装置的电力电子化

由电力电子器件构成的实现特定电能转换功能的装置，比如交流/直流变换器DC-DC 装置和电压源型变流器VSC装置等。

（2）电力系统局部的电力电子化

电力大系统中的某些子系统，由多个电力电子变流器构成，但是向负载供能装置仍包含传统的铁心器件或惯性器。这是一个不完全的电力电子化系统，其变流装置仍然需要按照传统的交流电力系统特性来运行，这也是当前陆用的一些配电网中变流装置要采用虚拟惯性控制、虚拟发电厂/电站、虚拟同步控制等产生的原因。

（3）全局性系统

在全局性系统中，所有负载的功率均由这些电力电子装置提供，是完全化的电力电子系统。目前陆网中尚无成熟的此类系统应用，因此，其必然需要形成一套全新的与电力电子器件网络相适应的分析方法和调度、运行、控制、保护策略。

图1 陆地大电网电力电子化示意图

随着技术的成熟，在陆地大电网中，不少电磁式的变换装备正逐步被电力电子变换装备所取代，这也成为陆地大电力系统发展的一个重要趋势之一［3］，如图1所示。当前若干非惯性发电机组的新能源发电装置通过电力电子上网装置共同组成具有全新特性的发电侧，与传统的水电、火电、核电等电源端共同向电网输送电能，且其渗透率已经不可忽视。同时，在输电、变电、配电侧也出现了电力电子化的功能设备。这些电力电子化的电源、负荷装备及电力网络的动态特性是电力电子化电力系统与常规电力系统最核心的区别，也正是体现电力电子化电力系统特殊动态问题的关键所在。

1 电力电子化对电力系统带来的影响

电力系统经过电力电子化后将面临以下的主要问题：

（1）传统的电参量理论已经不适应，因为传统的系统时间尺度较大。

（2）系统惯性变小。传统的旋转型发电机组带来的惯性优势被整流环节或者低惯性电源所取代［4］。

（3）短路容量减小。电力电子设备快速闭锁，变流器大量应用。

（4）网络特性发生根本性变化。若干变流器和逆变器经过串联、并联或者串并联之后形成的变流器网络在协调控制的前提下可实现特定的技术目标。这样的网络优势就是可以根据应用需求方便地通过串联、并联来改变电力电子化网络的电压、电流等级。当然，模块化也带来了潜在的风险，即系统可靠性降低。系统由一个RL型网络变成了RLC型网络。

（5）稳定性问题发生了重大变化。大功率的电力电子装置降低了网络区域间震荡的阻尼，导致在交流侧系统振荡时，无法做出克服震荡的贡献；功角稳定和电压稳定的过渡过程缩短；装置带载能力降低；系统振荡问题凸显，包括电力电子装置内部自身振荡，电力电子装置与系统之间的振荡，多变流器并联运行的振荡问题，电力电子装置与大功率电动机负载的振荡问题等等。

（6）系统保护要求的变化。电力电子设备保护动作时间（十几微妙级甚至更小）比现有保护动作时间短，系统保护与装置自身保护之间的配合困难。

2 综合电力系统的电力电子化

目前世界各国正在广泛地开展舰船综合电力系统技术的工程应用，综合电力系统对舰船中原来相互独立的动力和电力两大系统进行整合，并以电能的形式统一为舰船推进负载、脉冲负载、通信、导航和日用设备等供电，从而实现了全舰能源的综合利用［2］。当前应用最广的综合电力系统技术为第一代舰船综合电力系统技术，其技术特征为：发电子系统采用中压交流工频电制的同步发电机组；供电子系统采用中压交流工频电制的配电网络；变配电子系统采用中压交流工频变压器或中压交流供电的直流区域配电装置；推进子系统采用先进感应电动机及其配套的基于IGBT/IGCT电力电子功率器件的推进变频器。

未来大功率脉冲型负载的规模化上舰的需求越来越明晰，对舰船电力系统的构建提出了更高的性能要求，响应更快、功率更大的负载和电源将被要求接入到系统中来，第一代综合电力系统很难满足这样的要求。近年来，电工材料、电力电子器件、控制技术和计算机技术的飞速发展，为满足更高要求的综合电力系统构建创造了坚实的硬件条件，在此背景下，提出了第二代综合电力系统。由于其电站采用中压直流电制进行能量输出，故第二代综合电力系统也被称为中压直流综合电力系统。该系统的技术特征为：发电分系统采用高速集成中压整流发电机组；输配电分系统采用中压直流配电网络；变配电系统采用中压直流供电的直流区域配电装置；推进分系统中推进变频器，采用基于组件高度集成的推进变频器或基于宽带隙半导体材料功率器件——碳化硅的推进变频器，推进电机采用永磁或高温超导电机；储能分系统采用超级电容器储能、集成式惯性储能或复合储能；能量管理分系统采用智能化能量管理系统，以实现全系统数字化控制和智能化管理功能。其系统组成如图2所示。图2的中压直流综合电力系统根据电制的不同划分成3个层次网络，分别是中压直流供电网、直流区域变配电网和日用负载配电网。三个网络分别由整流发电机组、大功率变流器和标准化逆变器进行能量输出。从能量的流动角度看，中压直流综合电力系统中负载的每一瓦功率都是由这些电力电子装置直接提供（如图3所示）。

图2 二代综合电力系统的系统组成图

图3 二代综合电力系统的系统单线图

中压直流供电网络，无论其电站形式中是哪种原动机（包括柴油发电机组、燃气轮机发电机组或者汽轮发电机组等），其电能出口端都是通过十二相整流装置直接提供中压直流电，中间通过若干电力二极管实现整流，输出数千伏的中压直流电。

直流区域变配电网络，其任务是将中压直流电能变换到电压等级低于1 kV的低压直流电，并由若干DC/DC变流器构成左右舷母线配电的直流区域变配电网络形式。整个直流区域配电网络由多台独立的DC/DC变流器构建，两条母线共同承担分区的负载。因此，如果在该区域配置低压直流负载，其电能的获取只能来自于DC/DC变流器。

日用负载配电网完成对低压交流负载配电，其负荷要求与传统的交流舰船电力系统相近，往往采用AC380V的输出电制。然而电能来源并非惯性交流发电机组，而是来自于DC/AC逆变器装置。该装置的电能输出端为直流区域变配电网络，输出为低压交流电。逆变器装置采用了标准化的逆变器模块单元［5］构建，功率等级可调。典型的中压直流综合电力系统的单线图如图3所示。中压直流综合电力系统的交直流混联三级网络都由电力电子器件供电并相互隔开，每级网络都可以接入所需的电力负载，由于电力电子供电装置的特殊工作条件，将会对整个系统的运行工况和运行条件带来根本性的变革。显然，系统的运行变得非常灵活，特别是低压直流区域配电网络，多个DC/DC和DC/AC的相互匹配，存在多种供电方式和供电路径，但同时也大大增加了系统保护的难度。

因此可以认为，无论是挂在中压直流供电网的负载，直流区域变配电网络的负载还是日用负载配电网的负载，其电能都来源于电力电子装置，即整个中压直流综合电力系统中所有负荷的电能需求都是由电力电子化的装置提供。所以中压直流综合电力系统是一个“完全电力电子化”的全局性系统，通过电子电子化变配的电能渗透率达到100%。中压直流综合电力系统的本质也并不是“中压直流”，这只是所选择的电制而已，其本质应该是“完全电力电子化”。正是因为中压电力系统具有“完全电力电子化”的特征，故使其众多特性发生重大变化。

3 综合电力系统的特性

中压直流综合电力系统具有完全的电力电子化特性，因此系统面临的问题将比局部电力电子化的陆地主动配电网更加严重。电力电子化带来的影响在中压直流综合电力系统中主要体现在以下几个方面。

3.1 电力电子化电力系统的电网结构

中压直流综合电力系统可以利用其大功率电力电子装置在电能快速转换上的巨大优势，解决传统船舶电力系统中当配置不同运行特性的发电机组时的并网难题；同时，还可更进一步针对不同应用需求和装置条件快速方便地构建某一特殊电制的单独功能子网络，这大大提高了对不同要求的负荷供电的灵活性。比如，为了提高系统运行的灵活性，满足舰船在各种不同航行和任务工况下的电能需求，舰船发电系统的电站一般都会配置大容量发电机组和小容量发电机组。而对于中压直流综合电力系统而言，大容量发电机组如果选用燃气轮机或汽轮机组，小容量发电机组如果选用较小功率的燃气轮机或柴油机，其运行频率和出力特性是完全不同的，而且相互之间的最佳工作频率点也不相同；更关键的是其原动机的调速性能差异极大，尤其在是舰船负荷突加或突卸时，机组所需承担的功率额度反映到转速上，其稳定时间尺度甚至相差一个量级以上。传统交流发电机组不仅无法实现不同频率发电机的并联运行，而且调速特性差异太大，将导致不同容量发电机组并联运行时功率分配严重不均，系统无法并联运行。

电力电子化后的中压直流综合电力系统通过整流发电机将不同的原动机发电机组并联运行，发出中压直流电，同时可构建中压直流供电网络，并向下级网络提供中压直流电能的输出。下级配电网络利用变流器装置进行构建。由于中压直流电能直接变换到低压交流电制时往往需要设置中间环节，同时考虑到低压交流电制的变换装置DC/AC变流器的带载能力也有限，因此可设置低压直流电制进行过渡，并根据实际情况进行构建低压直流配电网络，此网络往往设置成区域配电网的形式，并可在其中配置相应负载，组成新的直流区域配电网。

通过直流区域配电网络将电能再向下级变化和配送时，可较容易且高效率地实现DC/AC向低压交流电制转换，构建低压交流配电网。但由于逆变器功率能力、过载能力和并联运行能力的限制，则是多个逆变器组成的配电网结构，从而进行分布式配电或局部集成配电。

3.2 系统的控制

中压直流综合电力系统的控制涉及到多个方面，比传统的交流舰船电力系统要复杂很多，主要是因为其控制对象增加了大量的电力电子装置，而这些装置将与电站机组共同构成主要的控制手段，实现功率的二次调节。

对于直流电网的功率控制与交流电制电网相比差异较大。并联的整流发电机的输出直流功率大小直接由电压高低决定，电压越高，输出功率就越大。发电机调速器调节其稳态有功功率，而励磁系统则调节发电机的动态响应情况，两者相互协调，从而弱化了对原动机调速性能的要求。利用励磁系统快速精确的励磁控制特点来弥补原动机调速特性差的不足，从而在系统上解决对不同功率等级、不同调速性能的发电机组并联问题。

另外，中压直流综合电力系统中的三级供配电网的结构，使不同参数的电力电子化器件构成上下级联。这些电容型装置将使网络阻抗特性发生根本性变化，整个电网将有可能呈现出RLC特性，这些电力电子装置级联时阻抗不匹配成为影响综中压直流综合电力系统稳定性的重要因素如果在某种运行工况下配置失当，将会引起严重的稳定性问题，另一个影响稳定性的重要因素是推进变频器对电力推进负载的带载能力问题。推进负载功率较大，所以一般由中压直流供电网络供电，但是由于推进负载的恒功率特性，需要通过对变频器进行相关处理以增强系统阻尼，避免发电机带推进负载时振荡失稳的问题。

3.3 系统的保护协调

综上所述，通过电力电子装置的能量变化器，中压直流综合电力系统的电网结构被划分为中压直流供电网、低压直流区域配电网和低压交流负载配电网三个层次。虽然三个层次网络彼此之间仍然存在强耦合联系，但对各层级的负载和保护而言，三个层级的运行和保护联系最紧密的是各自的直接供电装置。中压直流供电网是整流发电机组，低压直流区域配电网络是变流器，低压交流负载配电网是逆变器，三个网络在保护上既相互联系，又被这些电力电子装置进行隔离。因此，为减少系统不同层次网络短路故障的影响范围，对保护的要求不仅要解决本层次网络中电力电子装置保护与系统保护的矛盾，还需要实现三个层次网络之间的保护配置应相互匹配。当前还没有成熟的保护策略，未来需要提出保护策略来满足实现系统不同层次网络内部和网络之间的协调保护。

由于中压直流综合电力系统的电力电子器件起到电源和隔离的作用，逆变器和变流器等设备都缺乏惯性，其故障电流持续时间完全由支撑电容来提供，发生故障时的逆变器输出端电压跌落非常快。因此采用由电力电子器件构建的固态断路器在未来综合电力系统中具有广泛的应用前景。与传统的机械式断路器相比，固态断路器具有以下显著优点，主要为：

（1）开关速度极快，其开关时间可达微秒级；

（2）具有短路电流限制能力；

（3）能准确控制开关时刻；

（4）开关工作时没有电弧产生；

（5）工作可靠性高、寿命长；

（6）易实现精确、智能控制。

3.4 系统的储能

中压直流综合电力系统中存在多种不同需求的功率脉冲型负载和其他一些常规负荷，由于惯性发电机组很难在小时间尺度下提供较大功率，所以需要储能装置进行支持。

传统的舰船电力系统都只采用某一种储能装置且往往只作为应急电源使用。但在二代综合电力系统中，由于单一储能装置主要在能量密度、功率密度和响应时间等方面都难以满足系统在多种不同运行工况下对各类储能需求负荷，如输出脉冲功率（功率需求高、能量需求低、响应时间快）和维持能量平衡（功率需求低、能量需求高、响应时间慢）上的要求，因此需要考虑采用负荷储能的方式，并且从全系统应用的角度出发来构建系统级储能，建立基于多种不同储能方式的复合协调配置模型，并设计相应的协调控制方案。由于中压直流综合电力系统的电网结构复杂，运行工况灵活，其储能配置运行方案将以满足多目标运行优化的目的来构建。同时，考虑到储能装置的不同特性，需要专门研究不同类型储能装置之间所组成的配置方案、能量调控方法以及相关控制策略。

3.5 系统的安全运行

由于需要大规模搭载大功率脉冲型负载，如不加以限制，其瞬时功率冲击效应会通过电网直接作用于整个系统。若此时系统惯性储能不足，则必将拖垮整个系统，造成全舰失电或部分区域失电的后果，影响到全舰域的综合电力系统供电品质和系统的安全稳定运行。在舰船综合电力系统中需设置系统级储能来吸收这样的瞬间电能冲击。大功率脉冲负载在运行中的表现为其处于短时重复性放电和充电的交替状态，这就使得整个综合电力系统不再只有一个功率平衡点，而是表现为一系列周期性的交替过程。

传统交流舰船电力系统的稳态电压失稳主要是由发电机的励磁输出与电动机的负荷特性和变压器带载调压特性不匹配所致，在达到电力系统承受负荷增加的临界能力时导致的电压失稳，造成系统无功功率不足而引起。而中压直流综合电力系统的失稳主要是恒功率负载的负阻特性和电力电子装置级联系统的阻抗不匹配所致，而且此系统的稳态电压稳定属于小干扰稳定［6］。

由于大量电力电子装置的存在，使得中压直流综合电力系统的动态过程十分复杂，系统控制在时间尺度上的跨越很大。系统中既存在着由开关电源动作所引起的快速电磁暂态过程（微秒级）；也存在机电过渡暂态过程（毫秒级）和脉冲负载运行时的大功率瞬间冲击（毫秒级）；除此之外，还有储能设备的充电过程（秒级）和舰船船体机动控制响应过程（分钟级），以及舰船航迹规划的长期稳态变化过程（小时级以上）。显然，这就要求对中压直流综合电力系统的控制和能量调控具有多时间尺度的能力［7］。正是由于设备和系统上时间尺度上差异较大，使得对中压直流综合电力系统的控制和调度非常复杂，需要针对以上特征重新设计系统控制策略和运行方式。

4 结 语

随着电力电子技术的不断发展，舰船电力系统（特别是综合电力系统）已经逐步开始不同程度的电力电子化进程。为解决当前综合电力系统所面临的挑战，特别是满足大功率脉冲型负载的规模化上舰需求，舰船电力系统也必须从多个方面进行根本性的变革，而电力电子化的综合电力系统就是解决这个问题的主要方法。由于中压直流综合电力系统的完全电力电子化，使其与传统的舰船电力系统存在根本区别。本文分析了电力电子化电力系统面临的主要问题，针对综合电力系统的特点，梳理并提出中压直流综合电力系统所面临的主要问题，为后续研究和系统设计提供参考。