船用电力负载的特性分析

船用电力负载的特性分析

徐东琪

（扬帆集团大神州造船有限公司316000）

摘要：船舶行业发展迅速，近年来有更多新型技术被应用其中，对提高船舶整体性能具有重要意义，在保证较高运行稳定性的前提下，减少能源损耗，控制各种故障发生概率，提高设备运行可靠性。现在更多舰船辅机应用了变频启动器，与传统直接启动方式相比，系统噪声小振动低，并且对电网电流产生的干扰低，具有更大的应用优势。但是传统阻感性负载并不能完全满足船舶辅机设备运行需求，基于变频启动器功率考核以及启动性能要求，需要就电力负载问题进行优化。

关键词：船舶；电力负载；变频启动器

船舶电力系统为维持整体运行安全性与可靠性的关键部分，其主要包括原动机、负载以及同步发电机等，需要保证每个部分运行不存在任何故障，完全满足实际运行需求。本文主要以变频启动器运行为对象，对船用电力负载进行分析，依据电机本体模型和数学数值计算方法，完整运算模型的建立，确定优化方法，保证船用电力负载可以满足实际运行需求。

一、船舶电力系统特点

船舶电力系统分为发电设备、配电设备、电力网以及用电负载几部分，其中应用到的感性负载数量最多，包括压缩机、电动机、变频器、继电器等，相对来讲应用的容性负载较少。发电设备为维持船舶电力系统稳定运行的关键，常见的包括汽轮发电机组和柴油发电机组，同时配置有配电装置、控制装置以及辅助设备等。并且，为实现节能降耗，现在已经有越来越多的变频器被应用到电力系统内，在保证电力系统正常运行的同时，减少电能消耗[1]。对比陆地电力系统来讲，船舶电力系统用电负载额定功率可以占用较大部分的发电机单机额定容量，如果在运行过程中突然负载出现波动，将有很大可能对整个电力系统运行状态产生扰动。因此必须要提高对船用负载的重视，以满足系统实际运行需求为目的，采取措施进行设计优化。

二、船用电力负载应用特点

1.容性负载

容性负载即带有电容参数的负载，负荷电压滞后特性的负载，其在充放电过程中不会造成电压突变，且对应功率因数为负值，而对应感性负载功率因数为正值。在船舶电力系统的电路内，容性负载的使用可以将其看作为电容类构件，可以使电流超欠电压降低。对于混联电路来讲，如果容抗大于感抗，则电路表现为容性，相反则为感性。船舶电力系统所用电气设备，并没有纯感性负载或纯容性负载，但是除了大部分的阻性负载以外，以感性负载为多，因此船舶电气系统多通过电容进行补偿，因此在实际设计中所应用的纯容性负载多余纯感性负载，例如变压器、电动机等均为感性负载，部分日光灯为容性负载，例如白炽灯、碘钨灯、烤箱等[2]。

2.感性负载

感性负载即带有电感参数的负载，具体来讲即负载电流滞后负载电压一个相位差，部分设备不仅会消耗有功功率，同时还会消耗无功功率。将船用电器分为阻性负载、感性负载和容性负载，其中感性负载与容性负载不会做功，且大部分为感性负载。基于电磁感应原理制作的大功率电器产品，想要正常启动，往往需要比正常运行更大的电流作为支持，而电感对电流的变化具有抗拒作用，如果电感器件内所流通的电流发生变化，将会在其两端产生感应电动势，而其极性可以在阻碍电流的变化，以免电器内电流发生突变。

3.阻性负载

与电源相比如果负载电流负载电压不存在相位差，在可确定为阻性负载，即通过电阻类元件进行工作的纯阻性负载即为阻性负载。阻性负载做功时也会产生电感性和电容性负载，且伴随着发热。船用电器中靠气体导通发光的灯具则为感性负载，如日光灯、汞灯等；依靠电阻丝发光则为阻性负载，如白炽灯、电热水器等。

三、电力电子负载工作原理

1.工作原理

现在越来越多的船舶应用了变频启动器，且多与被控电机以及模拟机械负载相结合方式设计，但是在实际应用中系统复杂度高，并存在较大的能耗，无法根据实际情况对参数进行灵活调节。应用电力电子负载技术，通过功率变换器对多种静态电气负载状态进行模拟，因为可以将其看作为受控电流源，便可以基于电机物理特性、电气特性进行分析，并结合数学数值计算方法，来确定模拟电机特性电力电子负载。对变频启动器进行测试，对不同工况下的电机端口特性进行确认。可以将电机视为阻抗型负载，采用模拟阻抗型负载的方式，对端口电压电流特性进行模拟。并且，一般会将船舶变频器看作为电压源，在进行模拟时，需要重点针对相应端口电流，将电力电子负载接入到变频器测试平台内，调整为与实际电机接入状态下一致的端口特性，以电气端口状态分析，可确定电力电子负载以及实际接入电机效果相同。

2.系统结构

以三相鼠笼型异步电机为例进行分析，根据电机特性建立电力电子负载系统，主要包括功率变换器和数字控制系统，主电路则分为网侧变换器、机侧变换器、LC滤波器、直流侧环节以及控制单元等几部分。其中，网测变换器可以向电力系统反馈测试所用能量，减少电能损失，达到节能目的。机侧变换器则主要用于电机端口特性的模拟，以被测设备要求为基础，利用数值计算模型来完成负载特性的模拟。控制单元为电子负载系统的核心部分，以考核要求为基础，对网测变换器、机侧变换器电气指令进行计算，同时还可以对直流母线电压进行平衡处理。电机分析模型与电机模型实时仿真，可以通过分析来确定电机的实时状态量，同时利用电机模型实时仿真，确定模拟电机特性的电力电子负载设备实时指令数值。

3.系统应用

电力电子负载主要用于船舶电力系统内电子设备性能指标检测的负载模拟装置，具有灵活度高的性能，且可满足节能要求，现在被广泛的应用到船舶功率考核以及性能测试中，对提高电力系统运行可靠性具有重要推动作用。例如模拟电机型负载特性的电力电子负载系统，可以通过实时数字仿真技术，来实现电机模型的分析、仿真，并计算得到电机实际接入时的电气端口特性，然后由负载模拟装置来生成对应的电气端口特性，建立与实际电机电气端口特性相同的模拟电机型负载特性的负载系统。

结束语：

船用负载在很大程度上决定了电力系统运行可靠性，需要保证各类负载应用的可靠性，因此可以就电力电子负载系统来进行性能检测，确定其状态前提下采取下一步管理措施，通过更新和维护等来确保满足船舶运行需求。

参考文献：

[1]陈宇航,王刚.含脉冲负载的综合电力系统运行特性分析[J].船电技术,2016,36(06):1-5.

[2]马雪婧.船舶电力系统稳定性控制方法研究[D].江苏科技大学,2016.