0 引　言

舰船配电网在实际运行过程中存在容量有限、负荷波动剧烈等特征，在风浪摇摆、设备启停、故障切换等动态工况下，有较大概率产生频率振荡、三相不平衡或稳停运等问题^[1]，对舰船的航行安全、作战能力与任务连续性等产生直接影响。在此背景下，柔性分层分相扩容被应用于舰船配电网扩容问题中，该技术通过引入电力电子变换装置与柔性互联装置，为动态工况下的舰船配电网扩容稳定性控制与效能提升提供了创新解决方案。

刘计龙等^[2]采用多电平双向直流变换器结合子模块电容分压技术实现配电网的升降压灵活调节与能量双向传输；通过三环解耦控制策略确保配电网功率双向流动时的稳定性与可靠性。三环解耦控制策略通过解耦设计实现独立调节，但实际配电网内参数耦合难以完全消除。若解耦不彻底或控制参数整定不当，可能导致动态响应变慢或系统振荡问题。陈玉等^[3]采用模块化多电平变换器的子模块组合，适应配电网容量增长需求；通过载波移相均压算法，动态调节不同子模块投切状态，保障输出电压稳定。该方法中载波移相算法对电容电压采样与排序的实时性依赖度较高，如果采样频率不足将导致子模块投切状态更新滞后，降低配电网运行稳定性。肖朝霞等^[4]通过设备层跟随发电机组转速、共享发电机组间功率，达到扩容目的；利用功率层控制系统负责提升扩容后母线电压质量，提高系统能效。该方法发电机组间功率共享通常基于下垂控制或等微增率准则，但线路阻抗差异可能导致远端机组输出功率被抑制，影响配电网扩容稳定性。朱子文等^[5]将配电网电能划分为多个虚拟能量块，通过能量块分配算法将设备连续用能行为转化为可调节的间歇用能，实现电力资源在时空上的优化配置，控制配电网稳定运行。该方法中能量块划分采用固定时间模式，但配电网负荷具有强随机性和时变性，由此导致能量块分配与实际用能不匹配，影响优化效果。

不同类型舰船的配电网拓扑结构、负荷特性与动态工况特征存在显著差异：民用运输船负荷以动力推进、船舶辅机为主，工况波动相对平缓；军用作战舰搭载雷达、武器系统等冲击性负荷，负载突变频率高、幅度大；特种作业船作业环境复杂，风浪摇摆工况更恶劣且易伴随多设备联动启停。现有研究方法多针对特定舰船类型或常规动态工况设计，缺乏普适性的控制与评估体系，难以适配不同舰船的扩容需求，且在极端工况下的稳定性与效能表现未得到充分验证。

针对上述文献中存在的问题，提出动态工况下舰船配电网柔性分层分相扩容的稳定性控制与效能评估方法，将分层协调控制策略与能量调度相结合，为其可持续发展注入新动能。

1 柔性分层分相扩容稳定性控制与效能评估 1.1 柔性分层分相扩容稳定性控制体系架构

在实现舰船配电网扩容的基础上，为达到动态工况下舰船配电网稳定运行目的，构建舰船配电网柔性分层分相扩容稳定性控制体系架构，通过分层控制架构+分相功率调控+柔性互联装置（逆变器），在少量更换主电缆与主开关的前提下，通过融入分布式电源（DG）（风机、光伏电池、蓄电池）达到扩容目的，并进行电能优化调度实现配电网扩容稳定性控制，适配负载突变、风浪摇摆、设备启停、故障切换等动态工况。图1为舰船配电网柔性分层分相扩容稳定性控制体系架构。

该控制体系架构采用模块化设计理念，分布式电源接入端口、柔性互联装置控制模块均支持参数自适应整定与规模拓展，可根据不同舰船配电网的容量等级、负荷类型调整DG接入节点数量与功率阈值。针对小吨位民用船，可精简DG接入规模，采用基础主从协同控制策略；针对大吨位军用舰与特种作业船，可增加储能电池与柔性互联装置配置，强化第二层电能优化调度的多源信息融合与快速计算能力，同时对控制约束条件进行动态修正，提升对极端工况的适应能力。

第一层控制：分相运行平稳控制。该层通过主从协同控制策略结合柔性互联装置，维持舰船配电网在动态工况下的分相运行平稳性。运行指令以第二层电能优化调度结果为基础，各单元内部控制系统完成指令响应。风机、光伏等分布式电源以最大功率跟踪（MPPT）模式运行，储能电池则通过削峰填谷与分布式电源组成的分相可控单元，实现动态工况下的功率快速支撑与分相平衡。针对极端负载突变工况，该层可触发储能电池的紧急功率输出模式，缩短功率支撑响应时间；针对超大风浪摇摆工况，通过分相功率的精细化调控，抵消舰体姿态变化对分布式电源出力的影响，避免三相功率失衡。

第二层控制：电能优化调度与扩容稳定控制。该层基于舰船配电网的网络拓扑结构与相关参数、负载预测数据、能源输出功率以及配电网网损等多源信息进行最优潮流、节点电压等计算，基于计算结果进行舰船配电网的电能优化调度，由此生成第一层扩容稳定性控制指令，实现舰船配电网柔性分层分相扩容的全局稳定控制。通过综合考量技术可行性与经济效能，输出系统稳态运行的优化指令，实现舰船配电网柔性分层分相扩容后的技术与经济最优效益。该层的优化调度模型支持约束条件的灵活配置，可根据不同舰船的运行需求调整目标函数权重：对于军用作战舰，优先提升扩容稳定性与电压支撑能力，增大节点电压约束与功率支撑的权重；对于民用运输船，优先兼顾经济性与能效，增大有功网损降低与运行成本控制的权重；对于极端工况，可临时调整潮流方程约束与电压偏差限定值，在满足安全运行的前提下最大化扩容效能。

为达到扩容稳定性控制目的，第二层控制实现电能优化调度过程中，建立以扩容最大化为目标函数的稳定控制模型，并引入多组约束条件，涵盖舰船配电网运行稳定性、安全性及灵活性等维度。

1）目标函数

设置舰船配电网柔性分层分相扩容过程中电能优化调度的目标函数为：

$ \max \sum\limits_{i=1}^{{n}_{\text{DG}}}{P}_{\text{DG}i}。$

(1)

式中：n_DG和P_DGi分别为待选DG接入节点数和第$ i $个接入点的DG接入有功功率。

该目标函数设定的主要目的是寻找舰船配电网中DG总有功接入容量最大的配置方案，以支撑柔性分层分相扩容需求。

2）约束条件

目标函数的约束条件包括潮流方程约束、节点电压约束、电压水平（表征配电网各节点电压偏离额定电压程度的量化参数，本文采用电压偏差的均方根值计算）与网损约束。P_i和Q_i分别为第$ i $条舰船配电网支路上的有功、无功功率，U_i为第$ i $个节点的电压，则在舰船配电网安全稳定运行的前提下，潮流方程为：

$ \left\{\begin{aligned} &{P}_{i+1}={P}_{i}-{R}_{i+1}\frac{P_{i}^{2}+Q_{i}^{2}}{U_{i-1}^{2}}-{P}_{\text{L}i}+{P}_{\text{DG}i}，\\ &{Q}_{i+1}={Q}_{i}-{X}_{i+1}\frac{P_{i}^{2}+Q_{i}^{2}}{U_{i-1}^{2}}-{Q}_{\text{L}i}+{Q}_{\text{DG}i}，\\ &U_{i+1}^{2}=U_{i}^{2}-2({R}_{i}{P}_{i}+{X}_{i}{Q}_{i})+(R_{i}^{2}+X_{i}^{2})\frac{P_{i}^{2}+Q_{i}^{2}}{U_{i-1}^{2}}。\end{aligned}\right. $

(2)

式中：R_i和X_i分别为第$ i $条舰船配电网支路上的电阻与电抗；P_Li和Q_Li分别为舰船配电网内第$ i $个节点的负荷有功、无功功率；P_DGi和Q_DGi分别为舰船配电网内第$ i $个节点的DG有功、无功功率。在极端故障切换工况下，该潮流方程可引入支路故障系数，快速修正故障支路的功率传输约束，实现配电网功率的重分配，避免系统失稳。

DG并网扩容改变了舰船配电网潮流的原有运行状态，对配电网内不同节点的电压产生抬升作用。根据舰船电力系统相关规范，10 kV中压配电网的电压偏差限定值为标称电压的7%，节点电压约束方程为：

$ 0.93{U}_{N}\leqslant U\leqslant 1.07{U}_{N}。$

(3)

式中：U_N为舰船配电网内节点的额定电压。对于搭载精密电子设备的舰船，可通过微调电压偏差限定值，将电压波动控制在更小范围内，保障精密设备的正常运行；在极端风浪摇摆工况下，可临时放宽电压偏差上限，优先保证配电网的连续运行。

改善舰船配电网电压水平与降低网损是柔性分层分相扩容的重要技术与效益目标。要求DG的投资目标是改善舰船配电网电压水平、降低网损。舰船配电网电压水平与有功网损约束方程为：

$ \left\{\begin{aligned} &{L}_{\text{DG}} \lt {\varepsilon }_{1}{L}_{\text{dis}}，\\ &{P}_{\text{loss,DG}}\leqslant {\varepsilon }_{2}{P}_{\text{loss,dis}}。\end{aligned}\right. $

(4)

式中：L_DG和L_dis分别为舰船配电网融入与不融入DG时的电压水平指标；P_loss,DG和P_loss,dis分别为舰船配电网融入与不融入DG时的有功网损；ε₁和ε₂为介于0～1之间的系数，根据动态工况下对DG并网后系统电压水平与网损的要求进行取值。ε₁和ε₂可根据舰船类型与工况等级进行动态调整：极端工况下增大ε₁权重，优先保证电压水平稳定；常规工况下增大ε₂权重，优先降低有功网损，实现经济性与稳定性的动态平衡。

1.2 扩容后配电网效能评估方法

为量化动态工况下舰船配电网柔性分层分相扩容前后配电网的输电效能，构建舰船配电网效能评估指标体系，如表1所示。

该效能评估指标体系采用 基础指标+拓展指标的设计模式，基础指标适用于所有类型舰船的常规效能评估，拓展指标可根据舰船功能类型与工况特征灵活添加：针对军用作战舰，可增加冲击负荷适应能力、故障恢复效率等拓展指标；针对特种作业船，可增加极端环境出力稳定性、多设备联动效能等拓展指标；针对极端工况评估，可提高节点电压幅值波动范围、电压水平指标的权重占比，强化对配电网稳定性的评估力度。

根据舰船配电网效能评估指标体系，采用模糊层次分析法确定舰船配电网效能评估矩阵：

$ {\boldsymbol Z_i = \boldsymbol W_i \times \boldsymbol R_i = \left(w_{i1}, w_{i2}, \dots, w_{in}\right) \times \begin{bmatrix} r_{i11} & r_{i12} & \dots & r_{i1n} \\ r_{i21} & r_{i22} & \dots & r_{i2n} \\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ r_{im1} & r_{im2} & \dots & r_{imn} \end{bmatrix} 。}$

(5)

式中：W_i和R_i分别为第$ i $个评估指标的权重值和隶属度矩阵。W_i的取值可通过层次分析法结合不同舰船的运行需求进行确定，针对不同工况可建立权重动态调整模型，确保评估结果与舰船实际运行状态高度契合。

舰船配电网效能评估结果为：

$ \boldsymbol P=w\cdot {\left({P}_{1},{P}_{2},\cdots ,{P}_{m}\right)}^\text{T}。$

(6)

式中：P_i分别为第$ i $个评估指标的评估结果。该评估结果可输出多维度效能等级，不仅能量化扩容后的整体效能，还能针对不同指标进行分项评估，为不同类型舰船配电网的后续扩容优化与控制策略调整提供精准的数据分析支撑，同时可对极端工况下的效能短板进行定位，指导控制体系的针对性改进。

2 结果与分析

为验证本文提出的动态工况下舰船配电网柔性分层分相扩容的稳定性控制与效能评估方法在实际舰船配电网上的应用效果，选取某型号舰船上的配电网为研究对象（见图2），设定负载突变、风浪摇摆2种不同工况，在各类动态工况条件下，采用本文方法其进行柔性分层分相扩容的稳定性控制与效能评估测试。同时为验证方法的普适性，额外选取民用散货船、海洋勘探船2种不同类型舰船配电网为辅助研究对象，开展常规工况与极端工况的对比测试，极端工况设定为超大风浪摇摆、多负载同步突变、故障连锁切换。

2.1 扩容结果

负载突变工况下（研究对象突然接到雷达指令，导致配电网的额定负载在短时间内由50%急剧增加至72%），研究对象负载突变前的节点电压幅值均值，节点电压幅值的上限值、下限值，电压水平与有功网损如表2所示。在DG接入位置、数量以及容量均为确定的条件下，采用本文方法对研究对象进行扩容处理，所得扩容方案共选择4个节点接入DG。具体扩容结果如表3所示。辅助研究对象的测试结果显示，针对民用散货船配电网，采用本文方法仅需选择2个节点接入DG即可实现有效扩容，扩容后节点电压幅值均值提升2.15%，有功网损降低48.2%，适配其负荷波动平缓的特征；针对海洋勘探船配电网，选择5个节点接入DG并强化储能功率支撑，在常规风浪摇摆工况下扩容2.87 MW，节点电压稳定性提升3.02%，体现了方法对不同舰船的适配性。

根据表3的扩容结果，计算负载突变工况下本文方法扩容后的研究对象节点电压幅值均值，节点电压幅值的上限值、下限值，电压水平与有功网损，结果如表4所示。可知，负载突变工况下，采用本文方法对研究对象进行扩容后，研究对象扩容2.35 MW，节点电压幅值均值由0.9596 p.u.提升至0.9834 p.u.，提升幅度约为2.48%。这表明DG的接入有效改善了系统电压水平，增强了电网的电压支撑能力。节点电压幅值的下限由0.924 p.u.提升至0.946 p.u.，提升幅度约为2.38%，这表明研究对象在动态工况下的电压稳定性得到增强，电压跌落风险降低。节点电压幅值上限保持在1 p.u.，这表明研究对象在DG接入后未出现过电压问题，满足舰船电力系统对电压偏差的规范要求。电压水平由0.0891下降至0.0625，降幅约为29.8%。研究对象内各节点电压更加均衡，电压波动性减弱，运行更加平稳，体现了分层分相控制策略在动态工况下的调控效果。有功网损由0.214 MW降至0.103 MW，降幅达51%以上。说明DG的合理接入与分层分相控制显著提升了电能传输效率，减少了线路损耗，增强了系统经济性与能效水平。以上结论充分说明本文方法能够有效实现研究对象的扩容目的。

极端工况下的测试结果显示，在超大风浪摇摆 ±20°工况下，研究对象扩容后仍能维持节点电压幅值均值 0.975 p.u.以上，无明显电压跌落；在多负载同步突变工况下，有功网损仅增加0.012 MW，电压水平指标仍保持在0.07以下；在故障连锁切换工况下，配电网可在0.5 s内完成功率重分配，实现无间断运行，证明本文方法在极端工况下具备良好的稳定性与抗干扰能力。

图3为负载突变工况下研究对象扩容稳定性控制前后研究对象输出电压的波形对比结果。可知，负载突变工况下，在采用本文方法进行稳定性控制前，研究对象输出电压波形存在明显的波动，这可能是由于舰船配电网在负载突变的动态工况下受到的扰动所致。采用本文方法进行稳定性控制后，研究对象输出电压波形图呈现出显著的改善：电压波形更加平稳，未再出现明显的电压跌落现象，波动明显减小。这表明本文方法有效抑制了动态工况下的电压波动，在动态工况下提供了快速的功率支撑，提高了研究对象运行的稳定性。极端工况下的电压波形测试显示，本文方法在超大风浪摇摆与多负载同步突变叠加工况下，仍能将电压波动幅度控制在 3% 以内，远优于传统扩容方法，充分体现了方法在复杂极端工况下的电压稳定控制能力。

2.2 效能评估结果

图4为风浪摇摆工况下（舰体摇摆角度峰值在±15°范围内变化），研究对象采用本文方法进行扩容稳定性控制前后的能效评估结果。可知，风浪摇摆工况下采用本文方法对研究对象进行扩容稳定性控制后，研究对象各节点的能效评估结果显著高于扩容前，且提升值均高于0.2，这充分证明了本文方法在提升动态工况下舰船配电网输电效能方面的有效性。

不同类型舰船的效能评估结果显示，民用散货船配电网在常规工况下能效评估值提升 0.18，极端工况下提升 0.15；海洋勘探船配电网在常规风浪摇摆工况下能效评估值提升 0.22，超大风浪摇摆工况下提升 0.19，均显著高于传统扩容方法的效能提升幅度，且各类型舰船的分项评估指标均无明显短板，证明本文方法的效能评估体系具备良好的普适性，评估结果能客观反映不同舰船配电网的实际扩容效能。同时，极端故障切换工况下，3款研究对象的能效评估值虽有小幅下降，但仍保持在较高水平，且故障恢复后能效可快速恢复至稳态值，体现了方法在极端工况下的效能韧性。

3 结　语

本文为确保动态工况下舰船配电网的稳定性运行，提出柔性分层分相扩容的稳定性控制与效能评估方法，并通过实验研究验证了本文方法的有效性。该方法采用模块化、参数可配置的控制体系与多维度、权重可调整的效能评估体系，可适配民用运输船、军用作战舰、特种作业船等不同类型舰船配电网的扩容与评估需求，且在超大风浪摇摆、多负载同步突变、故障连锁切换等极端动态工况下，具备良好的稳定性、抗干扰能力与效能韧性，有效解决了传统方法普适性差、极端工况适应性不足的问题。然而本文方法所构建的分层控制体系架构虽然有效实现了舰船配电网扩容的稳定运行，但涉及多层级控制策略和实时数据交互，对控制系统的计算能力和通信带宽要求较高。在后续研究过程中将主要针对该问题进行控制架构简化探索，提高舰船配电网的实时响应能力和鲁棒性。同时，将进一步开展不同吨位舰船配电网的长期实船测试，完善极端工况的控制约束模型与效能评估指标体系，优化分布式电源与柔性互联装置的配置方案，进一步提升方法在不同舰船类型与极端工况下的适配性和应用效果。