电力推进船舶的动态响应特性与稳定性分析

电力推进船舶的动态响应特性与稳定性分析

石磊

江南造船（集团）有限责任公司

摘要：电力推进系统因其操纵灵活、经济性好、安全性高等优点，逐渐被广泛应用于现代化商船中。然而，随着大功率用电设备以及大量电子元器件的使用，电力推进船舶的电力系统结构日益复杂，其动态响应特性和稳定性问题愈发突出。本文围绕电力推进船舶的动态响应特性和稳定性展开研究，通过对船舶电力系统的组成、运行方式、动态响应特性等方面进行深入探讨，提出相应的优化策略，为提升电力推进船舶的运行性能提供理论依据和技术支持。

关键词：

随着全球贸易的快速发展和海上运输量的不断增加，电力推进船舶因其独特的优势逐渐成为航运业的重要发展方向。然而，电力推进船舶的电力系统在运行过程中面临着诸多挑战，如大功率负载波动、谐波干扰、系统结构复杂等，这些问题直接影响了船舶的动态响应特性和稳定性。因此，对电力推进船舶的动态响应特性和稳定性进行深入分析，具有重要的现实意义和研究价值。

一、 船舶电力系统的组成和运行方式

（一）船舶电力系统的组成

船舶电力系统主要由电源、配电装置、电网和负载四部分构成。其中，电源装置负责电量的供给，一般采用发电机或电池组，大型船舶多采用混合发电机，结合蒸汽发电机和柴油发电机使用；配电装置负责电力的分配和控制，通过对不同用电设备进行分类管理，实现合理用电；电网则是将所有用电设备通过电缆连接形成的电路网，是电力输送的主要媒介；负载则包括变压器等电力输送中间设备，用于保证安全送电。

（二）船舶电力系统的运行方式

船舶电力系统是一个小型独立电网，一般一个船舶只有一个电站，电网容量相对有限。在大功率负载起动时，冲击电流会导致电网电压波动，因此需注重调节发电机的电压或电网的输送频率，以确保安全用电。此外，船舶电力系统还需考虑海上环境的特殊性，如风浪、湿度等因素对设备的影响，采取相应的防护措施。

二、电力推进船舶的动态响应特性

（一）调速范围与转速特性

电力推进系统，尤其是采用交流电力推进系统的船舶，具有较宽的调速范围。这使得船舶能够根据航行需求快速调整航速，适应不同的海况和航行任务。相比于其他类型的推进系统，电力推进系统的转速特性更为硬性，即在不同负载下转速变化较小，保证了航行的稳定性。

（二）动态响应速度

电力推进系统通常具有较快的动态响应速度，能够在短时间内对操作指令做出反应。例如，在采用交流电力推进系统的船舶中，通过调节变频器的输出频率，可以迅速改变电动机的转速，从而实现船舶的快速加速或减速。一些电力推进系统的动态响应时间可以达到毫秒级，如直流推进系统中，通过调节可控硅整流器的控制角，可以实现动态响应一般小于100毫秒的快速响应。

（三）负载瞬态消除与适应性

电力推进系统能够较容易地消除负载瞬态，即在负载突然变化时，系统能够迅速调整输出功率，保持船舶航行的稳定性。电力推进系统能够较好地适应海况变化，通过调整电动机的转速和转向，实现船舶的动态制动、倒车等操作，提高船舶的操纵性和安全性。

（四）电机类型与特性

近年来，永磁同步电动机在电力推进船舶中得到了广泛应用。其具有高磁通密度、动态响应快、转速同步性好、效率高等优点，能够显著提升船舶的动态响应特性。虽然交流异步电动机在电力推进系统中也有应用，但其起动瞬间电流较大、动态响应相对较慢等缺点限制了其在高性能电力推进船舶中的应用。

（五）控制系统与自动化

现代电力推进船舶通常配备有先进的控制系统，能够实现船舶航行状态的实时监测和精准控制。通过集成多种传感器和控制器，系统能够根据船舶的实际航行情况自动调整推进参数，优化航行性能。电力推进系统的自动化程度较高，减少了人为操作的干预，提高了船舶航行的安全性和可靠性。

三、船舶电力系统的稳定性分析

（一） 静态稳定性分析

静态稳定性是指船舶电力系统在受到小型干扰后能够迅速恢复稳定状态的能力。这种稳定性主要取决于系统的结构参数和控制策略。在静态稳定性分析中，需重点考虑负载变化对系统电压稳定性的影响。例如，当突然投入锚机、舵机等大功率负载时，会导致电网电压波动，影响系统的稳定运行。因此，需通过合理的负载管理和控制策略，确保系统在负载变化时能够保持电压稳定。

（二）动态稳定性分析

动态稳定性则是指船舶电力系统在受到较大干扰后能够暂时维持新的稳定状态的能力。这种稳定性主要取决于系统的动态特性和控制策略。在动态稳定性分析中，需重点考虑系统在大功率负载起动、短路故障等工况下的响应特性。例如，当发生短路故障时，会产生巨大的短路电流，对系统造成冲击。此时，需通过快速励磁等控制策略，提高发电机的电势能，以维持系统的动态稳定。

四、电力推进船舶的稳定性提升策略

（一）优化电力系统设计与配置

构建高效电力系统模型，通过搭建包括柴油同步发电机组模型、异步电机矢量控制系统等在内的电力推进船舶电力系统模型，为稳定性研究提供基础。优化调速器控制参数，采用粒子群优化算法等先进算法对柴油机调速器控制参数进行最优配置，提高系统的响应速度和稳定性。优化后的电力系统能够更精确地控制电机转速，减少负载变化对电网的冲击，提升系统整体的稳定性。

（二）加强谐波抑制与滤波技术应用

建立谐波分析等效电网模型，使用快速傅里叶分析法等方法对谐波电流进行精确分析。应用有源电力滤波技术，针对电力系统谐波含量过高的问题，采用并联型有源电力滤波装置等先进技术对电网谐波进行有效抑制。并联型有源电力滤波装置能够显著降低电网中的谐波含量，减少谐波对用电设备的干扰，提高系统的稳定性和可靠性。例如，12脉波的SYNCHRO电力推进系统，在电网侧并联有两组LC无源滤波器后，对电网产生影响的最低谐波分量就是23次谐波，此时的电网质量可以满足船级社的规定。

（三）提升设备可靠性与故障诊断能力

采用无速度传感器技术，针对速度传感器在恶劣工作环境中可靠性降低的问题，使用基于转子磁链的模型参考自适应转速辨识装置估测电机转速，减少传感器故障对系统稳定性的影响。增强故障诊断与预警系统，集成多种传感器和控制器，实时监测船舶电力系统的运行状态，及时发现并预警潜在故障，提高系统的可维护性和可靠性。无速度传感器技术能够提高电机转速的估测精度，减少因传感器故障导致的系统不稳定。

（四）强化电网稳定性与应急响应能力

进行典型扰动仿真试验，根据电力推进船舶电力系统模型，进行负荷冲击、三相短路故障、发电机组跳闸故障等典型扰动下的仿真试验，评估系统的动态响应过程和暂态稳定性能。制定应急响应预案，针对可能出现的各种故障和紧急情况，制定详细的应急响应预案和操作流程，确保在故障发生时能够迅速、有效地采取措施恢复系统稳定。通过仿真试验和应急响应预案的制定，能够提前评估系统的稳定性和应急响应能力，为实际航行中的故障处理提供有力支持。

五、结论

电力推进船舶的动态响应特性显著，其快速精准的调速与操纵能力，以及对负载变化的从容应对，确保了船舶在各种工况下的稳定运行。同时，系统的强大容错机制和高稳定性设计，进一步提升了船舶的航行安全性和可靠性。电力推进技术不仅提升了船舶的航行性能，还通过优化动态响应特性和增强系统稳定性，为现代船舶的发展注入了新的活力。

参考文献：

[1]王瀚,唐文俊,张凡.船舶电力推进系统高机动特性分析[J]. 船电技术,  2024, 44 (06): 25-30.

[2]邓颖.船舶电力推进系统的设计与应用[J].集成电路应用,2023,40(11):  106-107.