0 引　言

舰船配电系统是保障舰船安全、稳定运行的核心基础设施，其不仅承担着发电、输电、配电的基础功能，还直接影响着舰船推进系统、武器装备、通信导航及生活设施的正常运转^[1]。在现代海战和远洋航行场景下，舰船的电力供应稳定性直接关系到作战效能与航行安全，一旦配电系统出现故障，可能导致推进失效、武器系统瘫痪，甚至引发灾难性后果。

随着舰船电力系统规模不断扩大，全电推进技术电磁武器系统等高耗能设备的应用，以及多样化负载的集成，包括非线性电力电子装置、冲击性大功率设备使得配电系统的运行特性愈发复杂^[2]。一方面，负载类型的多样化导致功率需求呈现动态波动、谐波污染加剧等问题，威胁系统的电能质量；另一方面，大规模电力网络的互联增加了短路电流水平与故障传播风险^[3]。在此背景下，开展舰船配电系统建模与负载特性仿真分析具有关键意义：通过构建高精度系统模型，可实现对复杂工况下电力系统行为的预测与优化；深入研究负载特性，有助于揭示负载动态变化对系统稳定性的影响机制，进而为配电系统设计优化、供电可靠性提升和舰船综合性能增强提供科学依据。

在舰船配电系统建模领域，现有方法主要分为基于物理元件的建模与基于数学模型的建模两类。前者通过对发电机、变压器、电缆等物理设备的电气参数和动态特性进行研究，构建系统的详细等效电路模型，该方法在验证系统稳态运行特性时具有较高精度，但计算复杂度高，难以快速模拟大规模系统动态行为。后者则利用状态空间方程、图论等数学工具，将配电系统抽象为节点-支路网络，通过参数辨识与优化算法求解系统状态变量，其优势在于建模效率高、可扩展性强，但模型准确性依赖于参数拟合的精度。

近年来，随着多领域统一建模语言和数字孪生技术的发展，部分研究尝试建立涵盖电、热、机械等多物理域的耦合模型，以更真实地反映系统交互特性，但在模型验证与实时仿真能力上仍存在不足。在负载特性研究方面，国内外学者已针对舰船典型负载开展了大量研究。例如对推进电机的启动过程、调速控制特性进行建模分析其对电网频率和电压的影响，针对非线性负载研究谐波产生机理及抑制策略，针对脉冲负载探讨其瞬时大功率需求对系统稳定性的冲击效应^{[4 − 5]}。

现有研究多聚焦于单一物理域的舰船配电系统建模或单一类型负载特性分析，存在模型精度与扩展性难以兼顾、负载耦合作用剖析不足等局限。本文旨在建立高精度、可扩展的舰船配电系统模型，结合多物理域耦合与动态参数优化，实现对系统复杂运行特性的准确模拟，深入分析不同类型负载的功率特性、动态响应特性及其耦合作用，从而解决传统研究存在的局限性。

1 舰船配电系统建模 1.1 舰船配电系统架构

舰船配电系统是舰船电力供应的核心，其架构由发电设备、配电网络、保护装置和用电负载四部分构成，形成完整的电力供应体系^[6]，如图1所示。

1）发电设备是电能产生的源头，主要包括柴油发电机组和燃气轮机发电机组。柴油发电机组以其成熟的技术和稳定的性能，成为舰船日常运行的主要供电设备，通过柴油燃烧将化学能转化为机械能驱动发电机运转，能够持续输出稳定电能以满足常规负载需求。燃气轮机发电机组则具有启动迅速、功率密度大的特点，适用于应急供电和高功率需求场景，可在短时间内快速响应并提供大功率电能，与柴油发电机组形成互补。

2）配电网络承担着电能传输与分配的功能，主要由母线和电缆组成。母线作为电力汇集与分配的枢纽，根据功能可分为主母线、应急母线等，通过合理的配置将发电设备产生的电能高效输送至各个区域。电缆作为连接各单元的传输介质，依据电压等级、传输功率以及敷设环境等因素选择相应规格，实现电能从母线到用电负载的安全、稳定传输。

3）保护装置在配电系统中起到保障安全的关键作用，主要包括断路器和熔断器。断路器具备短路、过载、欠压等多种保护功能，通过检测电路中的异常电流、电压信号，能够在故障发生时迅速切断电路，防止故障扩大。熔断器则通过熔体的熔断特性，在电路发生短路时快速隔离故障点，其结构简单、成本较低，常作为初级保护元件与断路器协同工作，确保配电系统的安全运行。

4）用电负载作为电力消耗的终端，涵盖推进负载、生活负载和武器装备负载等类型。推进负载如推进电机，是舰船航行的动力来源，其功率需求随舰船航行工况动态变化；生活负载包括照明、空调等设备，为舰员提供生活保障，其运行具有一定的周期性和时段性特征；武器装备负载如雷达、电磁武器等，在作战时会产生瞬时高功率需求，对配电系统的动态响应能力提出较高要求。

1.2 基于Modelica的舰船配电系统建模

Modelica是一种面向对象、声明式的多领域建模语言，专为复杂系统的组件化建模而设计，尤其适用于包含机械、电气、电子、液压、热、控制、电力等子组件的系统。利用Modelica对舰船配电系统进行建模时，可充分发挥其多领域统一建模与面向对象的特性^{[7 − 8]}。

首先，针对发电设备，如柴油发电机组与燃气轮机发电机组，可依据其物理原理与电气特性构建对应的Modelica类。图2为基于Modelica的柴油发电机建模，通过定义内部的机械子模型，描述柴油机的燃烧过程、机械传动等，同时建立电气子模型模拟发电机的电磁感应和电能输出，并利用Modelica的方程语法建立两者之间的能量转换关系方程，从而完整刻画柴油发电机组的运行特性。

对于配电网络，母线和电缆可分别被抽象为不同的Modelica组件。母线作为电能汇集与分配节点，可通过定义其连接端口（connector）来表示与发电设备、电缆及其他负载的连接关系，并建立描述电能在母线中传输与分配的相关方程。电缆模型则需考虑其电阻、电感、电容等电气参数，通过Modelica的方程精确描述电能在电缆中传输时的电压降、功率损耗等特性，实现对配电网络的精准建模。

在保护装置建模方面，断路器和熔断器同样可构建为独立的Modelica类。断路器类可定义其在不同故障电流下的动作逻辑方程，如当检测到电流超过额定阈值时，触发断路动作的方程描述；熔断器类则可依据熔体的熔断特性，建立在过电流情况下熔体熔断切断电路的方程关系，以此实现保护装置在舰船配电系统中的功能建模。

对于用电负载，推进负载、生活负载和武器装备负载等不同类型负载，可分别构建相应的Modelica模型。图3为基于Modelica的负载建模，以生活负载和武器负载为例，通过建立电机的电磁转矩方程、转速与电压电流关系方程等，精确模拟其在不同工况下的功率需求与运行特性。

最后，将上述构建的发电设备、配电网络、保护装置和用电负载等各类Modelica模型，按照舰船配电系统的实际拓扑结构与连接关系进行实例化与连接，形成完整的舰船配电系统Modelica模型。在这个过程中，Modelica的面向对象特性确保了模型的模块化与可重用性，多领域统一建模能力则保证了能够综合考虑配电系统中不同物理过程与现象，从而实现对舰船配电系统全面、精确的建模，为后续的系统性能分析与优化提供坚实基础。

2 负载特性仿真及应对策略分析 2.1 非线性负载特性分析

整流器、变频器等非线性负载的核心特征是电流波形非正弦化，其谐波产生机理源于电力电子器件的开关动作，导致电流中包含基波以外的高次谐波分量。以单相桥式整流器为例，其输入电流为周期性脉冲波形，通过傅里叶级数分解可表示为：

$ i(t)=\sum\limits_{n=1,3,5,...}^{\mathrm{\infty }}{I}_n\sin (n\omega t+{\phi }_{n}) 。$

(1)

式中：I_n为第n次谐波幅值；ω为基波角频率。谐波电流注入配电系统后，会在电缆阻抗上产生谐波电压降，导致母线电压畸变，形成总谐波失真（THD）：

$ {\text{THD}}_{V}=\frac{\sqrt{\displaystyle\sum\limits_{n=2}^{\mathrm{\infty }}V_{n}^{2}}}{{V}_{1}}\times 100\text{% }。$

(2)

式中：V₁为基波电压（一次谐波），频率为额定频率，V_n为第n次谐波电压，频率为基波频率的整数倍，反映非线性负载产生的谐波特性。

对舰船配电系统中的非线性负载特性进行仿真分析，设定基波频率f=50 Hz，对应舰船电力系统常用的频率，模拟非线性负载电流输入，触发角为0，即理想导通状态，采样点数为10000，保证波形分辨率。图4为舰船配电系统中整流器的输入电流波形，电流呈现周期性脉冲形态，在每个基波周期的正负半周各有一个类似正弦的脉冲。

图5为负载电流频谱分析，从频谱分布可知，谐波分量使电流偏离正弦波，奇次谐波，如150 Hz（3次）、250 Hz（5次）、350 Hz（7次）等清晰可见，而偶次谐波幅值极小。总谐波失真（THD）通过计算谐波分量与基波幅值的比值得到，反映了电流波形的畸变程度，这对配电系统电能质量（如电压畸变）产生影响。

2.2 冲击性负载特性分析

冲击性负载的瞬时功率需求可达兆瓦级，其负载特性表现为短时间内（ms级）的功率突增与突降，导致配电系统电压骤降。冲击负载模型可表示为：

$ P(t)={P}_{0}+\Delta P\cdot u(t)。$

(3)

式中：P₀为稳态功率；ΔP为冲击功率幅值；u(t)为单位阶跃函数。

图6为模拟冲击性负载的电压波形，从仿真结果来看，在t=2 s冲击开始时，电压迅速上升至2.965 pu，这与冲击性负载瞬时功率突增有关，在负载停止工作后电压迅速回落至正常电压。

图7为舰船配电电网电压仿真波形，当舰船配电网受冲击性负载影响时，冲击于2 s开始、2.5 s结束。冲击期间，电网电压骤降至0.933 pu，冲击结束后电压逐渐回升，回升过程中最大超调0.92%，冲击性负载短时间内功率突增突降对舰船配电电网电压的显著影响，反映了冲击性负载影响配电网的电压并在恢复过程中存在超调现象，有助于分析舰船配电系统在冲击性负载作用下的动态特性。

2.3 应对策略分析

根据2.1和2.2节的仿真结果，针对舰船在非线性负载和冲击性负载等特殊工况下的运行挑战，可采取以下应对策略：

1）对于非线性负载（如整流器、变频器等），可通过提升供电电网的短路容量，增强系统抗谐波干扰能力；增加整流变压器二次侧相数及整流脉冲数，或使多台整流装置的变压器二次侧保持适当相角差，降低谐波产生量；按谐波次数装设分流滤波器，直接滤除谐波电流，改善电流波形畸变问题，从而有效抑制谐波对舰船配电系统电能质量的影响，减少电压畸变、设备发热及故障风险。

2）针对冲击性负载，可采用专线供电方式，避免冲击电流影响其他负载；加大配电线路导体截面、降低线路阻抗，减小电压波动幅度；将冲击性负载与对电压敏感的负载接入不同变压器，防止敏感设备受冲击影响。

此外，还需综合优化舰船配电系统设计，配置智能监测与控制系统，实时监测负载动态，动态调整运行参数，配备储能装置，如超级电容、蓄电池，在冲击性负载投入时释放能量补偿功率缺额，平抑电压波动，优化负载配置与运行策略，从而全面提升舰船配电系统在特殊工况下的可靠性与稳定性，保障舰船电力供应安全。

3 结　语

研究舰船配电系统建模及负载特性对保障舰船电力供应安全、提升系统可靠性具有重要意义，其成果可为舰船电力系统的优化设计、运行维护及特殊工况下的稳定控制提供关键支撑。本文主要结论包括：

1）基于Modelica的建模方法及负载特性仿真分析，不仅能精准描述舰船配电系统动态行为，还可为新型舰船电力系统研发、负载优化配置及故障预测提供技术基础。

2）仿真结果表明，非线性负载产生的谐波会严重影响配电系统电能质量，导致电压畸变，威胁设备安全运行；冲击性负载的瞬时功率突变则会引发配电系统电压骤降、波动及超调，对系统稳定性构成挑战。而通过针对性的应对策略，如抑制谐波、优化配电架构及配置储能装置等，可有效提升舰船配电系统在特殊工况下的适应性与可靠性，确保舰船电力供应的安全、稳定与高效，为舰船作战及日常任务执行提供坚实的电力保障。