大型船用集成電力系統中的電壓穩定性
用於深海作業的海上油氣船在超深水域中需要更大更複雜的動力和控制系統，此需求在集成電力系統設計中帶來新的挑戰，尤其是針對平台/船隻的設計需要動態定位和高度冗餘。 在孤島系統中，因應其運行狀態（相關發電量有限）及不斷變化的負載需求，電壓穩定性至關重要。尤其由於車載上安裝的用於為變頻驅動器和其他電子負載供電的功率電子轉換器數量增加可能會引起電壓穩定性問題，其中大多數具有受控的前端，前端的控制會影響網絡電壓。 實際上大多數具有受控制的前端，其控制可通過具有穩定作用的恆定電壓負載（constant power loads，CPL）不穩定性影響網絡電壓。在孤島電力系統中這種行為值得特別注意，尤其是在電力電子負載在總裝機功率上的配額達到很高的值時（對於新型大型全電船，此比例可達85％）。本文首先對於CPL電壓不穩定性給出兩種不同的模型，來評估具有高電子功率轉換滲透率之船舶系統中的電壓穩定性，其重點是設計階段評估。通過這些模型獲得的條件提出了一種實用的穩定性分析方法，以幫助評估在設計階段就已經存在的電壓穩定性，從而避免在船舶建造或調試期間進行設備改造。最後，討論了一些實際案例研究，並提出了解決CPL不穩定性的解決方案。 海上動力系統在過去的幾十年中經歷了快速的發展。 19世紀初期，機械推進船上採用簡單的照明和無線電供電系統。電動推進的採用以及大多數船上負載的電氣化，導致了現代船舶設計和使用方面的一場革命。推動這一演進過程的因素是效率、性能、可靠性、服務質量和安全性。如今，為上述驅動器實現更高性能水平的需求正引起船用電氣系統的進一步變化，從而推動電力電子轉換器的普及。實際上，船用集成電力系統（IEPS）正在迅速發展為集成電力和電子電源系統（IEEPS）的概念。用電驅動的設備代替機械驅動的設備（例如泵和壓縮機）已經不足以達到業主所期望的高標準，因此更進一步引入高功率的電子功率轉換器來供電負載。 變頻驅動器的採用可以消除複雜且效率低落的機械流量調節設備，使操作更可靠、高效且性能更高。此外，主要優點之一的缺點，同時使電子功率轉換器提供的負荷率增加。實際上這些必要的改變，是通過調整安裝在井中電動泵的速率來實現調節生產流速的。 除了流量調節應用，電子電源轉換器正逐漸使用於船舶動力系統中，無論是集成在UPS系統，或者需要新的自動化系統。 這項變革得以實現更高的性能，並增加冗餘，使增加重新配置選項以及提高整體效率成為可能。然此狀況會出現缺點即為恆定功率負載（CPL）電壓不穩定。儘管電源網絡受到干擾，但CPL仍傾向於吸收恆定的電力，其行為類似於具有特殊特性的非線性負載：當系統的電壓下降時，它會增加吸收的電流。 此行為與常規線性負載（例如感應電動機）相反，可能會導致系統電壓不穩定。 CPL的不穩定性已在直流和交流配電系統中進行了廣泛分析。 由於系統變量的增加，交流分析變得更加困難。 本文將介紹兩個模型，用於評估存在CPL負載時交流電源系統的穩定性，並嘗試提供簡化的方法以專門用於先期設計階段評估。電子功率轉換器的CPL行為是電子功率轉換的主要優點之一的缺點：能夠將負載與電源解耦，即使輸入變化也能保持恆定的電壓和/或電流。 實際上，由於使用靜態設備可獲得高控制帶寬，因此可以實現去耦，該帶寬直接與嵌入轉換器本身的控制定律聯繫在一起。當轉換器控制帶寬過高（以嚴格調節輸出變量的方式進行設置）時，它的行為就像CPL。轉換器可能產生的不穩定作用不僅取決於帶寬，還取決於系統參數和工作點。同一個轉換器可能會妨礙系統的穩定性（就像CPL一樣），而對另一個轉換器則沒有影響。 在本文中，假設理想的CPL負載具有無限的控制帶寬，這通常被認為是穩定性最差的情況。在下文中，我們提出一種使用預先獲得的簡化模型評估系統穩定性的方法。最後，將展示案例研究，並討論系統參數的影響以及避免不穩定的可能解決方案。 IEEPS由許多不同的負載組成，通過各種電源通過配電系統饋電。常見的電源是柴油或燃氣輪機發電機，但也有來自陸地的饋線（船舶的岸上連接，離岸固定平台的海底電纜）或其他設施的饋線（衛星離岸平台的電源）。配電系統的確可以變化，範圍從簡單的單母線徑向分佈到具有分佈式發電的複雜多母線環形拓撲。 對於負載而言，最常見的是帶有或不帶有電子電源轉換器的電動機，以及照明和自動化系統。無論系統是什麼，通過應用Thévenin定理，都可以將其建模為單個集中式電源，通過網絡的集中式參數模型為一組等效負載供電。該系統的穩態單相等效模型如圖一所示。整個網絡和發電系統（由發電機，電纜，母線和變壓器組成）由理想的電壓發生器（Vac）進行建模， RLC網絡，其參數可通過Thévenin定理作為組成部分的組合獲得。根據它們的功率因數（PF）和CPL行為，將連接到配電系統的所有負載建模為四個不同的等效負載（其總功率是單個組件的總和）。 對於精確分析，具有統一PF的載荷與具有非統一性PF的載荷之間的區別非常重要，因為這兩種類型的載荷必須以不同的方式建模。單位PF負載可以看作是一個電阻，而一個非單位PF會引入一個電抗（即電感性）分量。該電感會為系統增加一個狀態變量，從而導致模型的複雜性增加，從而使CPL電壓不穩定性研究變得複雜。此外，大多數情況下單個負載的PF取決於其工作點，例如間接在線感應電機，或晶閘管轉換器中。 本文給出了一種簡化的方法，以幫助系統設計人員進行初步設計。因此，在下面的研究中，採用了一個主要的簡化假設：將所有負載視為單位PF，從而得到瞭如圖2所示的簡化的等效單相穩態模型。以系統分析和簡單的方式確定係統的穩定性，即使它可能導致對穩定性的低估。實際上，非均質PF CPL負載的電感性組件會使穩定性變差，因此，忽略它們可能會導致系統在紙上穩定但在構建時不穩定。但是，有兩個原因可以忽略這些組件。首先是本文所關注的設計階段評估。對於這種應用，這種近似是可以接受的，因為在此設計階段的系統中，參數僅是粗略定義的。第二種是船用電力系統中常用的電力電子轉換器。 船上功率最高的轉換器是推進器，可以是基於晶閘管的轉換器，也可以是電壓源的轉換器。在前一種情況下，由於轉換器工作，PF可能會低於1。但是，由於螺旋槳軸機械約束和固有原因（開關頻率受網絡頻率限制），此類轉換器的控制帶寬減小。因此，很難將基於晶閘管的轉換器視為CPL，從而限制了它們對穩定性研究的影響。在後一種情況下，根據網絡轉換器的前端，可能還會發生另外兩種情況。如果使用二極管前端，則產生的PF足夠高，可以認為它等於1，而在有源前端的情況下，它取決於嵌入式控制法則。因此，最合理地應用，通常是在網絡側保留一個統一的PF，從而允許在不損害分析的情況下進行簡化。 對於小功率負載，它們的轉換器具有公共二極管前端，因此可以將它們建模為單位PF負載。諸如直接在線電動機之類的剩餘負載的PF不能簡單地近似為1，但是如前所述，現代方法是提高轉換器驅動應用的速度，從而限制此類負載的功率。 圖一，穩態單相電路 圖二，簡化單向穩態電路 無論選擇哪種模型進行分析，都必須定義評估IEEPS穩定性的方法和研究所需的參數。本文提出了一種系統的方法，目的是簡化先前所述的理論分析的應用。作者提出的程序簡明扼要地顯示在圖二中，下面對單個步驟進行了完整的檢查。可以看出，該過程從“主要係統組件定義”開始。由於可以在設計階段和已經構建的系統上都獲得穩定性評估，因此可以以兩種不同的方式執行此步驟。當系統處於設計階段時，此步驟專用於定義IEEPS基本組件，例如發電機和負載（通常來自系統設計過程）。否則，當必須對已經建立的系統進行評估時，此步驟僅用於定義與研究相關的組件，而排除不相關的組件。 資料來源： Giorgio Sulligoi,Andrea Vicenzutti,Vittorio Arcidiacono and Yuri Khersonsky,“ Voltage Stability in Large Marine-Integrated Electrical and Electronic Power Systems,”IEEE Transactions on Industry Applications，2016。