摘要:船舶的電力系統經過了漫長的發展過程。最初電力系統只是作為起輔助作用的能源，為船舶的小型用電設備供電。隨著電力系統的優化和儲電技術的發展，現在的船舶綜合電力系統已經作為必不可少的能量來源，甚至作為主要推進能源。傳統的電力系統結構復雜、性能較差，本文基于埃弗雷特優化技術對傳統的電力系統進行優化設計，提出電力系統的級聯式區域配電技術。

關鍵詞：電力系統;儲電技術;埃弗雷特優化技術

引言

電能具有靈活度高、環保和功率穩定等優點，隨著電力傳輸和電力儲存技術的高速發展，大量用電設備如照明設施、起重機和船舶通信等設備廣泛應用在船舶等海上作業平臺上。為了實現船舶電網的穩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引起了廣泛的研究。為了適應復雜的用電載荷和供電需求，保障整個船舶電力系統的平穩運行，船舶工業需要對傳統的船舶電力系統進行技術革新。電力變換裝置、電網拓撲結構和功率轉換器等各種先進的電力技術近年來逐漸成熟[1]，這些新的技術和優化算法開始在船舶的電力系統上應用起來。傳統的船舶電力系統主要有以下缺陷：

1)系統冗余、集成控制不便。傳統的船舶電力系統包括汽輪發電裝置、儲能模塊、電網和船上用電設備，電能沿船上左右兩側的母線傳輸到各種用電終端。由于眾多用電模塊在功率和電壓上相互影響，使得電力系統的性能下降甚至不穩定。船舶上各種用電設備相互獨立運行，無法有效的對整個用電網絡集成控制。

2)電力系統網絡復雜，維護困難。傳統船舶電力網絡在鋪設過程中無法對整個系統進行協調，電路之間的并聯、串聯往往根據用電設備隨機決定，因此電網的結構復雜無規律。這種復雜的電路一旦出現故障，檢測和維修需要耗費大量的時間和工作量。

3)系統供電效率低，電能損耗大。相對于采取網絡拓撲結構的集成化電路，傳統船舶電路的供電無法對負載用電變化做出及時的響應，這種供電電流和電壓調整的滯后性會造成大量電能的損耗。由于船舶用電設備存在功率的突變，傳統電力系統無法做出及時的調節，整體系統的用電效率就會降低。在船舶供電系統的電力變換裝置設計時，需要將眾多變換裝置有機的協調才能使電力系統的安全性、可靠性達到最佳[2]。本文在設計船舶的電力系統時，充分考慮到電路網絡拓撲結構的優化，結合量子學埃弗雷特算法對電路進行優化設計。經過優化后的船舶電力系統電路高度集成，故障診斷和維護方便;對負載用電變化的響應迅速，提高了供電系統的效率;系統內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

1.1船舶電力系統的發展現狀

近年來，電工電子技術發展迅速，大規模的集成電路逐漸取代了傳統復雜的電路。這種高度集成的電路可以顯著提高電力系統的可控制性、運行的穩定性和系統的使用壽命，同時節省了維護和故障診斷的成本。傳統的船舶電力系統主要為發電輪機和輸電和配電設備兩部分。其中，輸電、配電設備又包括電力轉換裝置、步進電機裝置、配電器、電池等儲能元器件和變壓器模塊等。經過幾代人的研究，模塊化電子技術在船舶電力系統中逐漸應用起來。模塊化電子技術是歐美等發達國家率先提出的，它的出發點是電路的網絡拓撲結構。根據模塊化拓撲結構設計的電路，充分考慮各個不同功能模塊之間的相互聯系，實現了電路在電壓轉換、電能輸送、節能調度的最優化[3]。

1.2船舶電力系統的區域配電

船舶電力系統的區域化配電是基于模塊化電工電子技術發展而來的，這種區域化配電模式可以根據船上用電設備的負載進行電能的分配。通常情況下，區域化配電的傳輸線路為船舶左右兩側的輸電母線，然后根據用電量的大小將母線的電流分配給各個區域。該區域化配電結構如圖1所示。相比較于傳統的船舶配電方式，采用區域化配電技術的船舶電力系統具有以下優點：

1)根據用電載荷進行電能的區域化分配，每個區域設計高度集成的電力轉換器，使電力系統的動態響應迅速和準確。

2)對于電力系統的壓力泵和各類風機等輔機模塊，采用區域化的配電方式可以針對輔機的頻率和轉速進行調節，確保輔機的工作效率。

3)區域化的直流電分配方式減少了船舶電力系統的變壓器轉換級數，降低了功率損耗。

2采用埃弗雷特優化技術的船舶電力系統

2.1埃弗雷特優化算法

量子信息科學近年來逐漸興起，其中量子計算和量子理論優化算法得到了長足發展。量子計算是由埃弗雷特率先提出的，他提出了物質的另一種狀態-“量子態”，并指出任何現實生活中存在的物質，不論是宏觀還是微觀物質，都可以通過“量子態”進行描述[4]。基于量子理論的優化算法在處理某一特定工況的問題時，充分利用量子邏輯運算和耦合算法。相比于傳統計算的迭代算法，量子計算在判定函數時僅需要運算一次就可將不確定的輸入量轉化為定量，具體的函數形式如圖2所示。圖2中，量子計算函數與傳統函數具有明顯不同，量子計算充分利用了量子的矢量可疊加特性，通過矢量變換H，將輸入量x和y轉化為疊加態，然后通過埃弗雷特算法進行計算，從而將非定值的物理量轉化為對應的確定值物理量。量子理論的埃弗雷特優化算法在電路設計中發揮著重要的作用。他可以將復雜的函數求解過程進行簡化，使得數據處理和運算過程更加簡便。尤其對于回路中干、支路電流的網絡設計和配電模塊的耦合性，可以大幅提高耦合求解的效率，對電力系統結構的合理設計具有非常重要的意義。

2.2基于埃弗雷特優化技術的船舶電力系統

基于埃弗雷特優化的船舶電力系統，與傳統電力系統最突出的區別是采用級聯的方式對船舶區域配電。通過配置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聯的方式連接，作為一個子模塊起配電的作用。采用級聯式區域配電的船舶電力系統具有以下特點：

1)在船舶的級聯式電力系統中，每個配電區域都可以看作是獨立運行的子系統，每個子系統的抗干擾能力也各不相同。子系統通常會受到不同程度的擾動，其中程度較小的擾動包括：用電設備的負載變化、系統自身的噪聲擾動和線路不穩定產生的擾動等;程度較大的擾動包括：電路開閉瞬間產生的擾動和輸電線路發生意外產生的擾動等[5]。

2)電力系統采用級聯的區域配電方式時，需要通過反饋系統對功率進行調節。通常情況下，配電區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反饋電壓和輸入電壓存在明顯差異時，區域內的阻抗器就會發揮調節回路電壓的作用，使系統輸入電壓與負載電壓匹配。本文所述的級聯式區域配電的等效模型如圖3所示。圖3中，G1為電力轉化器的級聯傳遞函數，G2為某區域配電的傳遞函數。Z0和Zin分別為配電器的輸入阻抗和電力轉換器的阻抗。由該級聯模型可知，區域配電的輸入阻抗和電力轉換器的阻抗相互調節，可以保障區域的穩定性。在該電力系統中，每個配電區域之間的級聯方式是通過埃弗雷特算法耦合起來的[6]。一方面，每個配電區域可以保障該區域內的用電需求和電力調節靈活性;另一方面，眾多配電區域組成一個有機的系統，共同保障了整個船舶電力系統的正常運行。該級聯式配電系統結構如圖4所示。在該電力系統結構中，輸入端為左右兩側的2個三相交流電源，PCM1-PCM4為電路的阻抗器和整流裝置，SSCM為電路的變頻器。

3結語

隨著電工電力技術的發展，集成化和模塊化的電路設計在船舶電力系統中的應用越來越廣泛。本文基于埃弗雷特優化算法，對傳統船舶電力系統進行優化設計，在原有的基礎上設計了級聯式直流配電模塊。后期的功率和穩定性測試表明，該新型船舶電力系統功率損耗低且具有良好的供電穩定性。

參考文獻：

[1]楊勇,耿攀,袁陽.基于DSP的艦船交流電力系統保護裝置設計[J].船電技術,2012,32(5):50–52.

[2]戴劍峰,周雙喜,魯宗相,等.面向對象的船舶電力系統數字仿真研究[J].中國造船,2005,46(3):61–67.

[3]郭光燦.量子信息科學在中國科學技術大學的興起和發展[J].物理,2008,37(8):556–561.

[4]Z.MALJKOVIC,關玉薇.故障和擾動引起的水輪發電機電路電壓升高[J].國外大電機,2001(1):20–24.

[5]王超,曾爽.淺析配電網級聯開閉所智能管理方法[J].科技創新與應用,2016(30):178–178.

作者：韓艷贊 倪江楠    單位：河南工業職業技術學院