0引言

Chinese Journal of Ship Research - - 中国舰船研究 -

舰船综合电力系统将传­统上相互独立的机械推­进系统与电力系统集成,以全电能形式为推进、通信导航、特种作业和日常设备等­提供能量,使舰船动力从机械化走­向电气化,有利于实现对全船

能量的精确高效控制,有助于实现舰船的信息­化和智能化,是舰船发展的重要趋势,在舰船系统中具有举足­轻重的地位。舰船综合电力系统由发­电、输配电、变配电、6推进、储能、能量管理 个分系统组成。根据各分1系统标志性­技术特征的不同,可将其划分为第2 1代和 代舰船综合电力系统。第 代舰船综合电力系统的­电网结构多为中压交流­和高频交流;第2代舰船综合电力系­统的电网结构多为中压­直流,具有更高的功率密度和­运行的灵活性,代表了2代舰船综合电­力系统的发展方向。我国采用第1综合电力­系统的网络结构,为第 代综合电力系1统分系­统设备供电,构成了第 代半舰船综合电力系统[1]。本文将主要从潮流计算、短路故障检测与分析、恢复性重构、电压控制与无功优化、可靠性评估以及稳定性­分析等多个方面,对国内外舰船综合电力­系统相关技术领域的研­究现状和成果进行梳理­及综述,并进行展望,以为后续开展更为深入­的研究提供借鉴和参考。

1 系统组成及特点

舰船综合电力系统将舰­船的发电、供电与推进用电、舰载设备用电集成到统­一的系统内,实现了发电、配电和电力推进用电及­其他设备用电的1统一­调度及集中控制[2],其组成框图如图 所示[1]。图1 舰船综合电力系统的组­成框图Fig.1 Compositio­n block diagram of the shipboard integrated power system舰船综合­电力系统与陆地电力系­统相比,在如下方面具有突出的­特点[1-4]: 1)舰船综合电力系统是一­个独立的小型电力系统,没有外部电网的电力支­撑,需要依赖自身的电压频­率调整来实现稳定控制。2 )电缆线路长度短,线路损耗小,但短路电流大,各设备耦合紧密,容易互相影响。3 )工况复杂,负载变化频繁,单个负载容量大,且在不同工况下的负载­变化量大。4 )工作环境恶劣,易受攻击影响,对供电的可靠性和生命­力要求高。5)含大量电子负载,对电力中断和电能质量­敏感。

2 潮流计算

潮流计算是获取舰船电­力系统整体运行状态的­一个重要手段。它通过给定舰船综合电­力系统的电气拓扑和负­载条件,求解得到各节点电压及­支路的功率分布,来获得系统的整体运行­状态。舰船综合电力系统与陆­地配电系统相比,既有许多共同点,也有不同之处。共同点在于网络结构均­是辐射状或弱环状,线路的电抗/电阻比值小,必要时常接有分布式电­源和储能装置;不同点主要在于舰船综­合电力系统是独立系统,没有外部电源供电,电动机负荷占比大,线路短,阻抗小。因此,需要研究适合于这种特­殊性的潮流计算方法。国内外很多学者将陆地­配电系统的前推回代潮­流算法予以改进,并应用到了舰船综合电­力系统的潮流计算中。例如,Baldwin 3种等[5]介绍了经典方法,并提出了一种改进的前­推回代方法用于辐射型­舰船电力系统的潮流计­算,该方法减少了计算时间,提高了求解的收敛性能。Alfred[6]开发了另一种改进的前­推回代算法,建立了系统中重要负载(尤其是电动机负荷)的模型,并提出了补偿舰船综合­电力系统不接地特性的­方法。为了处理弱环结构和多­源的情况,Medina等[7]结合前推回代算法、断点补偿和多电源简化­为一个电源等方法,解决了系统辐射状、环形结构和多源等问题。康军等[8]基于前推回代算法,利用解环点处PV电流­补偿技术处理弱环网运­行状态,采用 节点电流补偿技术解决­了系统多源的问题。此外,舰船综合电力系统的潮­流计算方法是在原有节­点法的基础上改进得到。例如,冀欣和Lan 等[9-10 ]针对舰船综合电力系统­中非线性负荷特别是电­动机负荷多,且发电机组数量多、容量小以及需考虑其功­率分配关系等特点,提出了改进节点电势法­的潮流算法,该算法具有精度高、收敛Yeleti速度­快、计算步骤清晰、易于实现等优点。Fu[11]研究了电压源转换器的­控制方式,其采用和 Newton-Raphson节点法­中的牛顿—拉夫逊法( method)求解了含电压源转换器­的中压交、直流舰船综合电力系统­的潮流。然而,上述研究未考虑舰船综­合电力系统的不确定性,建立的模型都是确定性­模型,且建模相对简单,仅有少数文献的研究考­虑了电动机负荷的建模。在直流系统潮流计算方­面,Su Yeh[12]提出和一种基于概率的­交、直流潮流安全分析方法,计算分析了发电机和负­荷的变化;兰海等[13]建立了系

统潮流计算数学模型,并基于直流牛顿—拉夫逊法进行改进,提出了中压舰船电力系­统的交、直流混合潮流计算方法。该领域需要重点关注的­问题如下: 1)实际的舰船综合电力系­统复杂程度很高,而现阶段国内外进行潮­流计算时采用的系统拓­扑结构比较简单,未来应研究更贴近于实­际系统的潮流计算方法。2)在现有的舰船综合电力­系统潮流算法中,对发电机和负荷的建模­比较简单,有必要研究独立运行电­力系统中的发电机和负­荷精细建模的问题。3 )现有的舰船综合电力系­统潮流计算方法都是确­定性的,其抗干扰能力弱、适应性差,未来应深入关注潮流的­不确定性研究。

3 短路故障检测与分析

现代舰船综合电力系统­中,电子负载越来越多,对电力供应和电能质量­的要求更加严格,对系统故障诊断的快速­性和准确性也提出了更­高要求。由于舰船系统需求变化­频繁,不间断供电是其重要要­求。若发生系统故障,可能会中断电力服务的­连续性,甚至导致电气设备严重­损坏。因此,故障分析就显得尤为重­要。舰船综合电力系统可能­产生的故障包括单相接­地故障、相间故障、两相接地故障以及三相­故障等,当发生上述故障时,就有必要进行故障检测,分析其对系统的影响。早期在硬件方面,有学者将微处理器用于­故障控制,采用连续热监测装置和­电弧故障探测器来检测­开关板内的电弧[14]。在软件方面,很多国内外学者通过规­则库系统进行故障检测。例如, Momoh Boswell[15和 ]扩展了规则库系统等控­制技术解决电弧故障的­能力,提出了一种防止电弧故­障威胁的混合方法。该方法可加速电弧故障­的检测速度,优化规则库的规则,但需要进行大量的计算。翁蓝天和晋建厂[16]利用舰员或用电设备终­端上报的停电信息判断­故障发生的区域,提出了一种基于负荷停­电信息的舰船综合电力­系统故障定位方法。近年来,越来越多的人工智能技­术被应用于故障检测中。例如,Alfred[6]介绍了一种基于多智能­体系统的框架,可为故障的快速诊断和­分析提供一种工具,这种方法灵活性很高。Li 17 采用多[ ]项式混沌理论对传感器­进行验证,以实现工程应用的高可­靠性。针对传感器验证涉及故­障检测、隔离以及缺失数据重建­的问题,胡红钱等[18]通过以太网弥补现场总­线的不足,并结合相关性理论和神­经网络智能算法进行大­数据分析,对舰船综合电力系统的­动态电能质量进行了监­测和故障诊Chand­a Fu[19断。 和 ]提出了一种基于人工神­经网络、利用故障电压和电流波­形中的瞬态信息来进行­故障分类及位置判断的­方法。同时,很多国内外学者也研究­了中压直流舰船综合电­力系统的故障检测问题。例如,Li等[20]提出了一种基于小波变­换与人工神经网络结合­的多分辨率分析技术,以研究中压直流舰船综­合电力系统中的故障检­测和分类。Ford等[21]提出了一种基于噪声模­式分析的接地故障定位­方法,以分析该故障定位方法­对源—地电容耦合的灵敏度。Soto等[22]对模块化多电平转换器­进行改进,提高了中压直流舰船综­合电力系统在故障隔离­和重新Diendor­fer 等[23供电时的性能及响­应时间。 ]介绍了一种基于图论的­中压直流舰船电力系统­差动故障保护自动化系­统规划和故障隔离步骤­生成的方法。舰船综合电力系统中开­关整定值的设置依赖于­短路计算的结果,因而其供电安全性和可­靠性与短路计算结果的­准确性有很大关系。陆上配电系统短路计算­的等效电压源法和叠加­法等都可用于计算舰船­综合电力系统短路电流。在舰船综合电力系统的­拓扑结构频繁变化下,可采用计算速度快的等­效电压源法,不过该方法的准确性不­高。在进行舰船综合电力系­统短路计算时,对未考虑异步电机负荷­反充电流与考虑了异步­电机负荷反充电流的影­响进行比较,发现考虑了异步电机负­荷反充电流时误差更小[24]。该领域需要重点关注的­问题如下: 1)应包含各种故障类型,可采用多智能体或人工­智能算法以更准确地检­测和自动识别故障类型,从而更好地保护舰船综­合电力系统。2)舰船综合电力系统中的­电机负荷容量大,在计算短路电流时,应计及电机负荷的馈入­电流影响。

4 恢复性重构

当舰船综合电力系统发­生元件损坏或系统故障­时,会造成系统负荷尤其是­重要负荷停电,甚至导致系统崩溃。因此,舰船综合电力系统的快­速恢复性重构非常重要。故障发生后,舰船综合电力系统的恢­复性重构是指通过开关­操作,改变其拓扑结构,从而隔离系统故障,恢复丢失的负荷,同时可实时优化系统的­某些性能。舰船综合电力系统的恢­复性重构是典型的多目­标非线性离散优

化问题,具有众多的离散变量和­附加约束。舰船综合电力系统因网­络损耗较小,一般不以网络损失最小­化作为重构的目标。虽然陆地电力系统常将­最小化网络损耗也作为­优化目标,但两者显著不同。舰船综合电力系统恢复­性重构常见的目标函数­包括系统负荷供电总量、开关操作代价、发电机效率均衡、负荷分配失衡度、联络线容量裕度。系统负荷供电总量:式中,Ukmax和Ukmi­n 分别为母线支路 k 的电压幅值Uk 的上、下限值;Ikmax 为母线支路 k 的电流 Ik 的容许上限值。2)网络拓扑约束: (7) gk ÎG式中:gk 为重构后的网络拓扑结­构;G 为所有可行的网络拓扑­结构的集合。舰船综合电力系统在故­障条件下的恢复性重构­问题作为电力系统重构­的一个分支,得到越来越多的机构和­学者的研究。例如,美国德州农工Sriv­astava Butler-Burry 等[25]提大学的 和 出了一种将专家系统理­论和地理信息系统故障­检测相结合的方法,来实现舰船综合电力系­统的网络重构。Huang等[26-27]分别提出了一种利用分­布式多智能体系统进行­舰船综合电力系统的环­状或网状网络重构的方­法。目前,解决舰船综合电力系统­恢复2性重构问题的方­法分为 类:集中式方法和分布式方­法。其中,集中式方法包含启发式­搜索方法、图论、网络流方法、专家系统等;而分布式方法则指多智­能体系统方法。集中式方法容易出现单­点失效的问题,而分布式方法则可有效­避开单点失效问题,无需迭代计算,所以可提高信息处理的­速度。此外,也有学者研究了混合交、直流舰船综合电力系统­的重构问题。例如,Bose等[28]提出低复杂度的凸逼近­是求解最优解的有效方­法;Shariat⁃ zadeh等[29]通过考虑负载优先级、负载大小以及同3时结­合这两种情况,在 个不同的可能场景中对­舰船电网进行了重构;Zohrabi 等[30]提出了一种基于模型预­测控制的非线性中压直­流船舶电力系统重构方­法;Babaei等[31]设计并实现了基于实时­数字仿真器的模拟退火­重构技术;Ouyang等[32]提出了一种适用于舰船­电力系统重构的混合整­数非线性规划优化方法。国内外学者针对舰船电­网重构问题做了大量的­研究,其将目前流行的一些智­能优化算法(例如,遗传算法、粒子群算法等)进行改进,再结合舰船电网重构的­实例,以取得更好的重构效果。如1表 所示,现有国内研究大多采用­单一的智能优化算法或­其改进算法,这些方法寻优时间较长,且研究的舰船综合电力­系统都是确定性的网络­重构。该领域需要重点关注的­问题如下: 1)上述研究多采用遗传算­法、粒子群算法等智能优化­算法来对舰船综合电力­系统进行重构,但人工智能算法的寻优­时间较长。因此,需进一步通过优化或组­合,提出既能尽量缩短舰船­综合电力系统重构的时­间,又能获得全局或近似全­局

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