摘要:船舶的電力系統(tǒng)經(jīng)過(guò)了漫長(zhǎng)的發(fā)展過(guò)程。最初電力系統(tǒng)只是作為起輔助作用的能源，為船舶的小型用電設(shè)備供電。隨著電力系統(tǒng)的優(yōu)化和儲(chǔ)電技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在的船舶綜合電力系統(tǒng)已經(jīng)作為必不可少的能量來(lái)源，甚至作為主要推進(jìn)能源。傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、性能較差，本文基于埃弗雷特優(yōu)化技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出電力系統(tǒng)的級(jí)聯(lián)式區(qū)域配電技術(shù)。

關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng);儲(chǔ)電技術(shù);埃弗雷特優(yōu)化技術(shù)

引言

電能具有靈活度高、環(huán)保和功率穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，隨著電力傳輸和電力儲(chǔ)存技術(shù)的高速發(fā)展，大量用電設(shè)備如照明設(shè)施、起重機(jī)和船舶通信等設(shè)備廣泛應(yīng)用在船舶等海上作業(yè)平臺(tái)上。為了實(shí)現(xiàn)船舶電網(wǎng)的穩(wěn)定輸出和降低電力能源的功率損耗，大型的船舶綜合電力系統(tǒng)引起了廣泛的研究。為了適應(yīng)復(fù)雜的用電載荷和供電需求，保障整個(gè)船舶電力系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行，船舶工業(yè)需要對(duì)傳統(tǒng)的船舶電力系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)革新。電力變換裝置、電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和功率轉(zhuǎn)換器等各種先進(jìn)的電力技術(shù)近年來(lái)逐漸成熟[1]，這些新的技術(shù)和優(yōu)化算法開(kāi)始在船舶的電力系統(tǒng)上應(yīng)用起來(lái)。傳統(tǒng)的船舶電力系統(tǒng)主要有以下缺陷：

1)系統(tǒng)冗余、集成控制不便。傳統(tǒng)的船舶電力系統(tǒng)包括汽輪發(fā)電裝置、儲(chǔ)能模塊、電網(wǎng)和船上用電設(shè)備，電能沿船上左右兩側(cè)的母線傳輸?shù)礁鞣N用電終端。由于眾多用電模塊在功率和電壓上相互影響，使得電力系統(tǒng)的性能下降甚至不穩(wěn)定。船舶上各種用電設(shè)備相互獨(dú)立運(yùn)行，無(wú)法有效的對(duì)整個(gè)用電網(wǎng)絡(luò)集成控制。

2)電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜，維護(hù)困難。傳統(tǒng)船舶電力網(wǎng)絡(luò)在鋪設(shè)過(guò)程中無(wú)法對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)，電路之間的并聯(lián)、串聯(lián)往往根據(jù)用電設(shè)備隨機(jī)決定，因此電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜無(wú)規(guī)律。這種復(fù)雜的電路一旦出現(xiàn)故障，檢測(cè)和維修需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和工作量。

3)系統(tǒng)供電效率低，電能損耗大。相對(duì)于采取網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的集成化電路，傳統(tǒng)船舶電路的供電無(wú)法對(duì)負(fù)載用電變化做出及時(shí)的響應(yīng)，這種供電電流和電壓調(diào)整的滯后性會(huì)造成大量電能的損耗。由于船舶用電設(shè)備存在功率的突變，傳統(tǒng)電力系統(tǒng)無(wú)法做出及時(shí)的調(diào)節(jié)，整體系統(tǒng)的用電效率就會(huì)降低。在船舶供電系統(tǒng)的電力變換裝置設(shè)計(jì)時(shí)，需要將眾多變換裝置有機(jī)的協(xié)調(diào)才能使電力系統(tǒng)的安全性、可靠性達(dá)到最佳[2]。本文在設(shè)計(jì)船舶的電力系統(tǒng)時(shí)，充分考慮到電路網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)化，結(jié)合量子學(xué)埃弗雷特算法對(duì)電路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的船舶電力系統(tǒng)電路高度集成，故障診斷和維護(hù)方便;對(duì)負(fù)載用電變化的響應(yīng)迅速，提高了供電系統(tǒng)的效率;系統(tǒng)內(nèi)電力變換裝置的耦合性好，整體上的電能損耗大大降低。

1船舶電力系統(tǒng)

1.1船舶電力系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀

近年來(lái)，電工電子技術(shù)發(fā)展迅速，大規(guī)模的集成電路逐漸取代了傳統(tǒng)復(fù)雜的電路。這種高度集成的電路可以顯著提高電力系統(tǒng)的可控制性、運(yùn)行的穩(wěn)定性和系統(tǒng)的使用壽命，同時(shí)節(jié)省了維護(hù)和故障診斷的成本。傳統(tǒng)的船舶電力系統(tǒng)主要為發(fā)電輪機(jī)和輸電和配電設(shè)備兩部分。其中，輸電、配電設(shè)備又包括電力轉(zhuǎn)換裝置、步進(jìn)電機(jī)裝置、配電器、電池等儲(chǔ)能元器件和變壓器模塊等。經(jīng)過(guò)幾代人的研究，模塊化電子技術(shù)在船舶電力系統(tǒng)中逐漸應(yīng)用起來(lái)。模塊化電子技術(shù)是歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家率先提出的，它的出發(fā)點(diǎn)是電路的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。根據(jù)模塊化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的電路，充分考慮各個(gè)不同功能模塊之間的相互聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)了電路在電壓轉(zhuǎn)換、電能輸送、節(jié)能調(diào)度的最優(yōu)化[3]。

1.2船舶電力系統(tǒng)的區(qū)域配電

船舶電力系統(tǒng)的區(qū)域化配電是基于模塊化電工電子技術(shù)發(fā)展而來(lái)的，這種區(qū)域化配電模式可以根據(jù)船上用電設(shè)備的負(fù)載進(jìn)行電能的分配。通常情況下，區(qū)域化配電的傳輸線路為船舶左右兩側(cè)的輸電母線，然后根據(jù)用電量的大小將母線的電流分配給各個(gè)區(qū)域。該區(qū)域化配電結(jié)構(gòu)如圖1所示。相比較于傳統(tǒng)的船舶配電方式，采用區(qū)域化配電技術(shù)的船舶電力系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1)根據(jù)用電載荷進(jìn)行電能的區(qū)域化分配，每個(gè)區(qū)域設(shè)計(jì)高度集成的電力轉(zhuǎn)換器，使電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)迅速和準(zhǔn)確。

2)對(duì)于電力系統(tǒng)的壓力泵和各類風(fēng)機(jī)等輔機(jī)模塊，采用區(qū)域化的配電方式可以針對(duì)輔機(jī)的頻率和轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，確保輔機(jī)的工作效率。

3)區(qū)域化的直流電分配方式減少了船舶電力系統(tǒng)的變壓器轉(zhuǎn)換級(jí)數(shù)，降低了功率損耗。

2采用埃弗雷特優(yōu)化技術(shù)的船舶電力系統(tǒng)

2.1埃弗雷特優(yōu)化算法

量子信息科學(xué)近年來(lái)逐漸興起，其中量子計(jì)算和量子理論優(yōu)化算法得到了長(zhǎng)足發(fā)展。量子計(jì)算是由埃弗雷特率先提出的，他提出了物質(zhì)的另一種狀態(tài)-“量子態(tài)”，并指出任何現(xiàn)實(shí)生活中存在的物質(zhì)，不論是宏觀還是微觀物質(zhì)，都可以通過(guò)“量子態(tài)”進(jìn)行描述[4]。基于量子理論的優(yōu)化算法在處理某一特定工況的問(wèn)題時(shí)，充分利用量子邏輯運(yùn)算和耦合算法。相比于傳統(tǒng)計(jì)算的迭代算法，量子計(jì)算在判定函數(shù)時(shí)僅需要運(yùn)算一次就可將不確定的輸入量轉(zhuǎn)化為定量，具體的函數(shù)形式如圖2所示。圖2中，量子計(jì)算函數(shù)與傳統(tǒng)函數(shù)具有明顯不同，量子計(jì)算充分利用了量子的矢量可疊加特性，通過(guò)矢量變換H，將輸入量x和y轉(zhuǎn)化為疊加態(tài)，然后通過(guò)埃弗雷特算法進(jìn)行計(jì)算，從而將非定值的物理量轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的確定值物理量。量子理論的埃弗雷特優(yōu)化算法在電路設(shè)計(jì)中發(fā)揮著重要的作用。他可以將復(fù)雜的函數(shù)求解過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)化，使得數(shù)據(jù)處理和運(yùn)算過(guò)程更加簡(jiǎn)便。尤其對(duì)于回路中干、支路電流的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和配電模塊的耦合性，可以大幅提高耦合求解的效率，對(duì)電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)具有非常重要的意義。

2.2基于埃弗雷特優(yōu)化技術(shù)的船舶電力系統(tǒng)

基于埃弗雷特優(yōu)化的船舶電力系統(tǒng)，與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)最突出的區(qū)別是采用級(jí)聯(lián)的方式對(duì)船舶區(qū)域配電。通過(guò)配置SSIM濾波器，將輸入端和母線之間的三相電流衰減降低。起波形選擇SSIM濾波器跟電路后端的整流器以級(jí)聯(lián)的方式連接，作為一個(gè)子模塊起配電的作用。采用級(jí)聯(lián)式區(qū)域配電的船舶電力系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

1)在船舶的級(jí)聯(lián)式電力系統(tǒng)中，每個(gè)配電區(qū)域都可以看作是獨(dú)立運(yùn)行的子系統(tǒng)，每個(gè)子系統(tǒng)的抗干擾能力也各不相同。子系統(tǒng)通常會(huì)受到不同程度的擾動(dòng)，其中程度較小的擾動(dòng)包括：用電設(shè)備的負(fù)載變化、系統(tǒng)自身的噪聲擾動(dòng)和線路不穩(wěn)定產(chǎn)生的擾動(dòng)等;程度較大的擾動(dòng)包括：電路開(kāi)閉瞬間產(chǎn)生的擾動(dòng)和輸電線路發(fā)生意外產(chǎn)生的擾動(dòng)等[5]。

2)電力系統(tǒng)采用級(jí)聯(lián)的區(qū)域配電方式時(shí)，需要通過(guò)反饋系統(tǒng)對(duì)功率進(jìn)行調(diào)節(jié)。通常情況下，配電區(qū)域的反饋包括電壓反饋和電流反饋兩種。采用電壓反饋的配電模塊當(dāng)反饋電壓和輸入電壓存在明顯差異時(shí)，區(qū)域內(nèi)的阻抗器就會(huì)發(fā)揮調(diào)節(jié)回路電壓的作用，使系統(tǒng)輸入電壓與負(fù)載電壓匹配。本文所述的級(jí)聯(lián)式區(qū)域配電的等效模型如圖3所示。圖3中，G1為電力轉(zhuǎn)化器的級(jí)聯(lián)傳遞函數(shù)，G2為某區(qū)域配電的傳遞函數(shù)。Z0和Zin分別為配電器的輸入阻抗和電力轉(zhuǎn)換器的阻抗。由該級(jí)聯(lián)模型可知，區(qū)域配電的輸入阻抗和電力轉(zhuǎn)換器的阻抗相互調(diào)節(jié)，可以保障區(qū)域的穩(wěn)定性。在該電力系統(tǒng)中，每個(gè)配電區(qū)域之間的級(jí)聯(lián)方式是通過(guò)埃弗雷特算法耦合起來(lái)的[6]。一方面，每個(gè)配電區(qū)域可以保障該區(qū)域內(nèi)的用電需求和電力調(diào)節(jié)靈活性;另一方面，眾多配電區(qū)域組成一個(gè)有機(jī)的系統(tǒng)，共同保障了整個(gè)船舶電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行。該級(jí)聯(lián)式配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。在該電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，輸入端為左右兩側(cè)的2個(gè)三相交流電源，PCM1-PCM4為電路的阻抗器和整流裝置，SSCM為電路的變頻器。

3結(jié)語(yǔ)

隨著電工電力技術(shù)的發(fā)展，集成化和模塊化的電路設(shè)計(jì)在船舶電力系統(tǒng)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。本文基于埃弗雷特優(yōu)化算法，對(duì)傳統(tǒng)船舶電力系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在原有的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了級(jí)聯(lián)式直流配電模塊。后期的功率和穩(wěn)定性測(cè)試表明，該新型船舶電力系統(tǒng)功率損耗低且具有良好的供電穩(wěn)定性。

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作者：韓艷贊 倪江楠    單位：河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院