作者：施伟锋,许晓彦
出版社：电子工业出版社
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船舶电力系统建模与控制试读：
前言
随着我国航运与造船事业的飞速发展，一个航运与造船大国如何发展为航运与造船强国成为关心远洋运输与船舶领域发展的广大高校师生与科技工作者思考的热点问题。要实现这个转变，需要有知识创新，需要有相关理论与技术的有力支撑，需要培养一批具有良好船舶电力系统理论与专业技术的人才，需要他们为之进行努力与奋斗。目前，海洋船舶的吨位越来越大，尤其是电力推进船舶已开始实质性应用，船舶电力系统的内容因涉及船舶主动力系统，成为海洋船舶最重要的系统之一。船舶电力系统建模与控制是电力系统及其相关理论与技术的一部分，对于远洋运输船舶这样的海上独立与按需移动的交通工具，船舶电力系统分布在一个移动与狭小的空间内，电气设备密度高；船舶电力系统与陆用无穷大电网相比，系统的容量小，但作为单个移动体，船舶电力系统的容量是已知系统中最大的；船舶电力系统的特性与陆用无穷大电网有明显不同，很多方面不能用无穷大系统进行描述，有其固有的运行特点。船舶电力系统的建模、特性分析与控制是深入研究船舶电力系统的基础，非常值得研究。由于船舶工业环境恶劣，使得船舶电力系统的电能质量问题越来越成为许多研究者关心的问题。
本书从船舶电力系统的基本概念与工作原理出发，介绍了船舶电力系统的结构、机理建模、非线性建模与神经网络建模方法；分析了船舶电力系统的特性，深入分析了船舶电力系统的混沌与随机分形特性。在船舶电力系统控制方面，以船用柴油发电机组控制为重点，首先介绍了常用的控制方法，对柴油发电机形成的船舶电力系统的电压与频率的控制原理进行了论述；然后重点论述了船用发电机组的人工神经网络控制方法。电能质量方面，重点论述了船舶电力系统电能质量参数的测量方法与测量系统，论述了船舶电力系统电能质量的改善方法，针对船级社对船舶电力系统电能质量测量与控制的相关规范进行了介绍。
为提高远洋运输船舶电气/轮机工程人员的技术素质，世界海事组织要求运用船舶自动化电站模拟器进行船舶电气/轮机工程人员的技术培训。运用模拟器进行船舶自动化电站专业知识与技术培训具有教学效率高和成本低的优点。因此，船舶自动化电站系统仿真装置（模拟器）研究成为国际国内相关行业研究的一个热点。作为船舶电力系统建模与控制的目的之一，最后论述了开发实现船舶自动化电站系统仿真装置的一种方法。
本书的第1～6章，以及第10章由施伟锋教授撰写，第7～9章由许晓彦教授撰写。博士后燕存良、博士生周左晗、硕士生丁立刚、杨建敏和梁璟旻老师参与了本书的部分编写工作。
本书获得上海市教育委员会科研创新（重点）项目（12ZZ155）、上海海事大学研究生教材建设项目、上海市教育委员会重点学科“港航电力传动与控制工程（J50602）”的资助，在此一并表示感谢。
限于作者的水平，书中难免有不当之处，欢迎各位专家批评指正。
作者
2011年12月
第1章 概述
现代海洋船舶上都装备有供给电能的独立系统——船舶电力系统。从船舶电力系统的形成与发展过程来看，“电”在船上得到应用已有一百多年的历史。从早期的船舶电力系统用于单一照明供电，到驱动辅助机械的电力拖动，再到现代用于船舶电力推进，船舶电力系统及其自动控制得到了快速的发展。随着船舶向大型化、自动化方向发展，船舶电力系统容量不断增大，在船舶中的重要性越来越高。对于电力推进船舶，电力系统更是成为了船舶推进的主动力系统，出现[1]了“全电船”，船舶电力系统的概念有了很大的扩展。尤其对于军用舰船，全电船更是发展的重要方向。
1.1 船舶电力系统的形成与发展
1.船舶电力系统的形成
20世纪40年代，海洋万吨级船舶平均电站容量只有60kW。我国在20世纪50年代以前，船舶电力系统绝大多数为直流电制，主要用于满足船舶照明供电。自1953年起，我国开始大规模的经济建设。在20世纪50年代，只能按照苏联提供的一些样机和图纸进行仿造。20世纪60年代初，国内制造的远洋船舶上采用混合电制，发电机为交流，经变流机组变为直流电后给甲板机械等电力拖动负载供电。
20世纪60年代，我国自行设计研制了新一代的船舶和舰艇，主要有万吨级远洋货轮、导弹驱逐舰与潜艇等。从仿制逐步走向自行设计、试制和独立建造。自行设计、试制完成了交流200kW、400kW、[2]1200kW柴油发电机组和汽轮发电机组等船舶电力系统主要设备。
20世纪70年代，我国继续发展船舶交流电气设备，完成了船舶起货机用恒力矩变极变速异步电动机及其控制装置、轴带发电机系统成套装置、DZ910系列船用塑壳式自动开关等船舶电气设备的试制与生产。在我国自行设计制造的沿海及远洋船舶上普遍采用了交流电制，[2]实现了船舶电力系统的交流化。
20世纪80年代开始，我国实行改革开放的经济政策，积极开展了从国外引进船用电气设备制造的先进技术工作，并加以消化吸收；积极开展国际交流和学术交流活动；按国际电工委员会（International Electrotechnical Commission，IEC）标准修订了我国船舶电气设备标准，以适应船舶向大型化、自动化方向发展的需要。近年来，我国的船舶制造技术发展迅猛，已经能够完成电力推进船舶的制造，电力系统容量在10～30MW，电力推进船舶制造能力与国际水平比较接近。然而，用于船舶制造的一些关键设备，包括船舶电力系统设备的设计、制造与自动控制的关键技术等被国外大企业垄断，国内关键技术掌握得比较少，因此急需进行船舶电力系统自动化的相关专业知识的自主创新与人才培养。
从船舶电力系统发展的历史观察，船舶电力系统从直流电系统发展到交流电系统，系统的容量从千瓦级发展到兆瓦级。目前，万吨级远洋船舶电力系统容量在2000kW以上，大型集装箱远洋船舶电力系统容量在10MW以上，电力推进船舶电力系统容量在20MW以上，甚至达到100MW；船舶电力系统无论从系统结构、设备和控制都发生了巨大的变化。最初的船舶电力系统主要用于船舶的照明，是一个照明系统；以后逐渐扩展到对电动机等负荷供电，支持电力拖动系统工作；目前，在一些电力推进船舶上，电力系统中安装了大功率主推进电动机用于船舶推进，电力系统已发展成为主要的船舶动力系统。随着船舶日趋大型化、自动化与电力推进技术的应用，船舶电力系统的容量日益增大，电力系统控制日趋复杂，船舶电力系统自动化程度不断提高。系统经历了单台发电机自动化、机舱局部自动化和全船自动化阶段，由单台微机对船舶电力系统的控制发展到多微机网络自动化控制系统，并朝着“高可靠性智能化”方向发展。
船舶电力系统与陆上的电力系统有着许多不同。船舶海上移动的工业环境决定了电气设备运行条件要比陆上恶劣，所以对船舶电力系统的安全与控制要求也比陆上系统高。船舶电力系统的工作环境可归纳成下列几个主要特点。（1）远洋船舶航行区域广，气温变化大、湿度高，空气中常常有盐雾、油雾、霉菌等腐蚀物，甚至还混杂有易爆气体。此外，还因受风浪的作用而产生倾斜和摇摆。（2）主柴油机及船舶推进系统运行时会产生振动；舰艇战斗过程中，更会受到各种强烈的机械冲击。（3）船舶舱室容积小、空间狭窄，周围的船体、管路都是导电体。（4）船舶电气设备之间存在较大的电磁干扰。
船舶的工作环境因素会导致船舶电力系统的故障率增大，故障发生对于船舶安全的威胁是非常大的，这对电力系统的控制提出了高要求。[3]
根据船舶环境条件，对船舶电力系统的运行提出下列要求。（1）工作可靠，主要是指电气设备在运行过程中不发生结构、功能上的故障，最大限度地保证不间断供电。（2）生命力强，主要是指船舷因故发生破舱进水或失火时，电力系统仍能保持不间断供电的能力。（3）应具有防盐雾、防油雾、防霉菌、防水、防燃、防爆等性能和耐冲击、振动、摇摆的能力，能经受长期与周期性的横摇与纵倾。（4）要求能在-25～45℃的环境空气温度和空气相对湿度为95%的条件下正常工作。（5）保证工作人员的人身安全，防止发生触电事故。（6）电气设备的外壳结构要便于装拆和维修。（7）要有一定的防无线电干扰和磁干扰的措施。（8）尽可能提高系统工作效率，减少燃料消耗和确保船舶应有的续航能力。
不同类型的船舶对上述各点要求是不尽相同的，应根据船舶具体情况而有侧重，对某些特殊用途的船舶更有特殊的要求。
2.船舶电力系统的发展
近来，随着电力推进船舶的应用，船舶电力系统容量与结构发生了突破性变化。由于计算机、微处理器和通信网络技术的迅猛发展，对相互独立的多个系统可以进行高度集成。船舶电力系统、推进系统及其他们的控制系统的设计发生了巨大的变化，取得了很大的进展。另外，对冗余推进船舶及具有动力定位功能的船舶需求不断上升，要求更多船舶配备物理上独立的冗余系统。如今，船上各个不同系统之间的相互联系已变得日趋复杂，从而使船舶的设计、工程和建造更具综合性。
从目前船舶电力系统发展的趋势看，中压电力系统成为大型海洋船舶电力系统发展的方向。目前新建的大型船舶，如集装箱船、客滚船、油轮、LNG船、豪华游轮、半潜船等，由于电力系统容量非常大，大多都采用中压电力系统；而海洋平台及海洋工程船，由于运用电力推进动力定位系统，几乎无一例外地采用了中压电力系统。国内外此类新型船舶的设计、施工及营运等实践证明，中压电力系统应用于现代船舶取得了很好的效果，体现了未来船舶电力系统发展的方向，将成为未来大型海洋船舶电力系统主干电网的主流形式。
军用舰船与电力推进船舶电力系统的发展方向是综合电力系统[4]（Integrated Power System，IPS）。综合电力系统技术开始于20世纪90年代中期，将船舶电力系统的领域拓展到了船舶动力系统等各个方面，成为船舶系统中最重要的系统，产生了“全电船”。电力系统控制内容涉及电能的产生、分配、管理调度、功率变换、舰载设备用电及其电力推进系统的各个方面。采用舰船IPS技术是未来使用舰载高能武器系统的必由之路；采用IPS技术能简化舰船动力系统结构，降低舰船噪声能级，提高舰船的生命力和综合作战能力；舰船IPS技术有利于舰船总体设计的优化。
随着电力系统及其自动化技术的发展，结合军用舰船与海洋运输类船舶，船舶电力推进将是重要的发展方向之一。在船舶电力系统发展方向上，国际权威观点认为，船舶电力系统在21世纪的发展将经过“中压交流电系统→中压高频（200～400Hz）交流电系统→中压[5]直流电系统”的发展轨迹，尤其在军用船舶上，“综合中压直流电[6]系统”将是发展的重要方向之一。
1.2 船舶电力系统建模与控制概述
船舶电力系统建模与控制研究是以实际船舶电力系统为对象，运用系统建模原理与系统仿真技术、电力系统分析、电力系统稳定与控制理论等，根据船舶电力系统的结构与工作原理对系统的基本电力系统单元、电网等建立数学模型，最终建立船舶电力系统模型，并以此根据船舶航行情况对船舶电力系统的运行工况、各种现象进行分析与研究，对船舶电力系统的各种控制方法进行研究。其中，船舶柴油发电机组控制、系统电能质量控制是船舶电力系统控制的重要内容。船舶电力系统建模与控制研究成果主要用于实际船舶电力系统的设计、评估与控制方法研究，用于船舶电力系统数字仿真系统与船舶自动化电站模拟器的建立。
海洋船舶向着超大型方向发展，海洋船舶电力系统的发电机单机容量不断增大；各种电力设备的运用，使得船舶电力系统变得越来越复杂，对电力控制与管理系统的要求也越来越高，船舶电力系统控制[7]的长期稳定性与控制质量的重要性日益凸显。由于电能不能大量储存，船舶电力系统运行时电能的生产、传输、消耗要求保持动态平衡，系统的各个组成部分通过电气联系而成为一个整体，系统中某一个电气设备发生故障会瞬间波及全部电网，从而可能对系统的安全运行带来负面影响，严重时系统将失去稳定而崩溃，由此将直接威胁船舶的安全和船舶人员的生命。为保证船舶电力系统的安全稳定运行，为提高船舶发电机组的供电质量，需要对船舶电力系统及其控制的各个方面进行研究，主要内容包括船舶电力系统的动态过程特性；建立船舶电力系统模型与仿真系统；对系统的运行进行故障模式影响分析与安全评估；分析船舶电力系统不稳定因素与故障机理；进行船舶发电机组控制方法研究；进行船舶电力系统谐波检测、电能质量分析与控制研究等。
出于船舶航行安全的考虑，出于船舶电力系统的复杂性和安全的重要性，船舶电力系统的设计方案在实施之前需要进行一系列动态/静态品质、系统安全性和系统优化指标的评估；船舶电力系统建造与实际运行时需要进行系统参数设定与调试；希望能进行电力系统故障仿真，以降低系统设计、建造与调试的成本。船舶电力系统仿真平台的运用可以缩短船舶电力系统建造与应用的时间，提高系统建造效率，是一项非常有意义的工作。精确的电力系统模型对系统设计方案的评估起到关键性的作用，反之船舶电力系统模型的不准确而得出脱离实际的分析结果，会给船舶电力系统的设计与运行带来巨大的损失。因此，根据船舶电力系统的特点，对船舶电力系统进行建模、分析和控制研究具有重要的理论价值和实际的应用意义。
1.模型概念
研究船舶电力系统的目的是为了掌握系统各个组成部分的特性及其之间的关系，是为了预演系统在一种新的控制策略下的执行情况。然而，要对船舶电力系统进行各种实际试验存在一些问题，如试验成本很高，或者由于会影响船舶的航行而不能进行，或者船舶正在设计之中实际系统还未制造完成，或者会导致船舶现有工作系统的破坏和发生事故等，这些情况使船舶电力系统不能进行多次实际试验，需要按实际系统建立系统模型（物理模型或数学模型）来进行研究，然后利用模型实验研究的结果来推断实际系统的工作情况，然后进行适当的实际试验。“模型”是系统的一种表示，是系统的内在联系及它与外界的关系的一种描述，是为了研究系统的特性而开发的。这种使用模型来研究系统的方法叫做系统模拟或系统仿真，简称“仿真”。之所以可以用模型来模仿实际系统，是因为模型与系统的特性方面存在[8]相似性与同形性。
2.模型的分类
模型的分类方法很多，可以根据模型的表示方式将模型分成物理模型和数学模型。（1）物理模型：实际系统在结构上缩小后的相似体。因此其外观、结构特性与实际系统极为相似，描述的逼真感较强。例如，用功率较小的发电机、电动机与各种负载组成一个与实际船舶电力系统成比例的实验船舶电力系统，类似于建筑师做缩小比例的房屋模型作为自己的设计方案。物理模型在其他诸如土木建筑、水利工程、飞机等制造方面有着广泛的应用。（2）数学模型：用数学方程（通常是一些代数方程和微分方程的组合等）来描述实际系统的结构和性能的模型。若模型中不含时间因素，则称为静态模型；若模型与时间有关，则称为动态模型。
一个真实系统的内在联系及和外界的关系的实际情况是很复杂的，用模型完全准确地描述系统很困难，一般是在保证一定精度情况下的近似描述。建立在物理属性相似基础上的物理模型，描述真实系统的真实感虽然较强，但是对于复杂的系统，建立物理模型所需费用高，而且要修改参数或改变结构都很困难。因此，将系统的内在联系和它与外界的关系抽象为数学模型，运用数学模型描述其特性并用计算机计算来仿真系统的动态过程，是目前使用最广泛的系统描述方法。
3.建模
建模是一项有悠久历史的人类活动。建立在科学工程方法基础上的人与外部世界的相互作用，看起来已有了“形式化”模型或者说抽象的表示方法，这就仿佛是一把关键的钥匙。科学研究中的绝大部分[8]工作是形式化过程和建立模型的过程所组成的。
通过观察和实验，科学家们试图建立抽象的表示方法和定律，这些方法、定律是对现实世界中有关的已经证明了的假设的形式化。这种形式化模型仅在它抓住了实际系统中的基本性质时才有运用价值。它使得人们有可能进行推理、分折和设计。
船舶电力系统的模型化，通常指的是用数学模型刻画与描述船舶电力系统的特性。由于船舶电力系统的特点，系统数学模型主要由两部分组成：描述船舶电力系统电气设备的单元模型和描述船舶电力系统单元间连接关系的系统结构模型。
4.常用建模方法
船舶电力系统的数学模型是研究系统特性的重要基础。常用数学模型建立方法有机理建模、辨识建模或两者相结合。对于不同的系统或不同用途，可以根据各自的特点采用不同的建模方法。
机理建模方法是根据船舶电力系统工作原理、物理过程的机理，在某种假定条件下，按照电路原理、电机学原理、电力系统稳定与控制理论等相关的理论，建立船舶电力系统物理过程的数学方程，结合其边界条件与初始条件，再采用适当的数学处理方法，来得到能够正确反映船舶电力系统静态特性与动态特性的数学模型。其模型形式有代数方程、微分方程、差分方程、偏微分方程等；船舶电力系统由于电、磁、机械的强耦合，模型具有较强的非线性特性。
辨识建模方法就是采用系统辨识技术，根据船舶电力系统实际运行或试验过程中所取得的输入/输出数据，利用各种辨识算法来建立船舶电力系统的动静态数学模型。近年来，系统辨识技术得到了飞速的发展。系统辨识建模的主要研究内容有：系统模型结构辨识、系统模型参数辨识、系统模型验证等。建立一个精确的模型需要船舶电力系统足够多的、准确的数据，而且这些数据应覆盖船舶电力系统所有主要的运行工况。目前，对于线性系统的辨识已经有比较成熟的理论，其主要方法有：最小二乘法、辅助变量法、极大似然法等。而非线性系统的辨识还没有构成完整的理论体系，有待于进一步的研究。由于船舶电力系统的非线性特性，精确的辨识需要用非线性系统的辨识方法进行。
船舶电力系统建模、分析与控制研究有一些基本任务，要建立与实际船舶电力系统尽可能接近的模型，完成的各种电气设备模型可以根据实际设备进行参数设定，根据实际船舶电力系统结构与数据构成各种类型的船舶电力系统仿真模型。船舶电力仿真系统能模拟船舶航行时的电力系统的各种运行工况；能对船舶发电机组的控制方式进行精确的仿真，控制器的控制方式可以重新设计，具有开放性；仿真运行时能观察到电网上任意一点的电气参数的瞬时值，能对电力系统的瞬态和稳态进行仿真与分析；仿真测量得到的参数值的精度与实际船舶电力系统测量得到的参数值的精度十分接近；满足系统设计方案论证、船舶发电机组控制评估、系统参数整定和故障仿真等分析研究的需要。在船舶电力系统控制方面，由于系统的动态和静态特性主要由船舶柴油发电机组的控制特性决定，因此，船舶柴油发电机组的控制成为系统控制的关键。然而，目前船舶发电机组控制系统常用的仍然是经典的PID控制，需要研究先进的控制方法以提高船舶电力系统控制的质量，有关智能控制方法在船舶发电机组控制中的运用与研究有很好的发展前景。
船舶电力系统建模、分析与控制研究存在一些问题。在系统建模方面，船舶电力系统中的主要设备“船用发电机”的数学模型具有复杂性和非线性特性，理论上基于机理的发电机模型，由于计算比较复杂，因此计算速度比较慢，会影响仿真的实时性；若建模时进行了一些不合理的简化，会使得实际同步发电机的非线性特性没有充分地表现出来，限制了模型在船舶自动化电站实时模拟器中的应用。在模型应用中，模型的精确性与实时性是比较突出的问题，船舶电力系统是多个柴油发电机组与供配电装置组成的复杂系统，对于复杂系统的建模要考虑非线性因素与建模方法的自适应因素。建模与仿真是否全面系统地反映船舶电力系统运行的实际情况是需要很好地研究的，船舶电力系统的一些固有的非线性与混沌特性也值得研究。
目前，智能化建模方法的运用正不断地被研究者重视和认同，基于人工神经网络（Artificial Neural Network，ANN）的知识模型被研究者重视，ANN建模能很好地对实际电力系统的非线性进行描述，其并行计算的方法可以解决模型运算速度慢的问题，适合于模型的实时运算与仿真。在船舶电力系统ANN建模上，构建一个泛化能力强的ANN用于系统建模，是研究者追求的目标。另外，对于我国目前的经济实力与教学科研水平，船舶电力仿真系统的成本因素是一个比较现实的决定系统能否推广与应用的因素，这也是研究者需要考虑的问题。由于船舶电力系统固有的非线性与混沌特性，如何判定系统是否存在混沌现象，如何进行系统混沌特性的描述，成为需要解决的问题。
船舶电力系统建模是控制的基础工作，建模的目的是为了研究船舶电力系统在各种工况下的特性，为建立船舶自动化电站模拟器等仿真系统提供依据。另外，建模的目的是为了更好地实施船舶电力系统的控制方法，使船舶电力系统稳定可靠地发挥作用。
5.船舶电力系统控制
船舶电力系统的功能是将能量从一种自然存在的形式转换为电的形式，并将它输送到各用电设备。观察电力发生传输与消耗过程，电能很少以电的形式直接消耗，而是将其转换为其他形式，如热、光和机械能。电能运用的优点是效率高。一个正确设计和运行的船舶电力系统应满足下列要求。（1）系统必须能够适应不断变化的负荷有功功率和无功功率需求。与其他形式的能量不同，电能不能方便地以足够数量储存。因而，必须保持适当的有功和无功旋转储备，并始终给予适当的控制。（2）系统应以最低成本供电并具有最小的生态影响。（3）考虑到频率的不变性、电压的不变性、可靠性水平，系统供电质量必须满足一定的船舶工业标准。
因此，船舶电力系统的控制对于船舶的安全航行具有非常重要的意义。
船舶电力系统的控制内容丰富，主要控制包括发电机组转速控制、发电机励磁控制、电力系统电能质量控制、电力系统重构、电力系统自修复、功率分配控制、电力推进电机控制等内容。从船舶电力系统自动控制角度来看，目前实际船舶上发电机组的控制方法以传统的PID控制方法为主，研究的热点有智能控制、鲁棒控制、最优控制、非线性控制等方法。从技术的发展方向来看，智能控制及其与各种控制方法相结合的方法将是船舶电力系统控制发展的方向。
本书论述的船舶电力系统控制的核心问题包括发电机组控制、电能质量控制等。发电机组控制包括发电机组转速控制与同步发电机励磁控制两方面，在这两方面的控制中目前船舶上运用的控制方法是经[9]典PID控制。由于船舶电力系统是多柴油发电机组的复杂系统，存在同一发电机组系统中两控制回路的适应与协调问题，以及不同发电机组并网运行时机组之间控制的适应与协调问题。由于这些因素，仅仅运用PID控制很难将船舶电力系统的运行质量提高到一个新的水平。
船舶电力系统要切实保证船舶航行的用电需要，必须达到安全、可靠、优质和经济的标准。例如，在电能的发生、输送、分配和使用中，不发生事故；满足电能的连续供给要求；满足电能使用的电压和频率等参数的质量指标的要求；电力系统的运行费用要低，并尽可能地节约电能；确保船舶电力系统安全、可靠、优质和经济地运行。可以说这些是船舶电力系统控制的基本任务。
船舶电力系统的应用与研究的历史超过百年，但全面系统地进行船舶电力系统的建模、分析和控制研究是近几十年的事。目前，船舶电力系统控制中，发电机组控制方法以经典控制为主，深入研究有很大空间。国际上，电力推进船舶学术交流方面，IEEE Electric Ship Technologies Symposium（IEEE Power and Energy Society等主办）是专业进行有关船舶电力系统研讨的国际学术会议，对船舶电力系统涉及的各方面热点问题进行深入的研讨、交流学术成果、探究船舶电力系统的发展方向。除此之外，在相关的电力系统国际期刊或学术会议上也发表了许多有关船舶电力系统研究的学术文章，船舶电力系统的建模与控制受到研究者的重视。总体上，美国Mississippi State University（High Voltage Laboratory）、Florida State University（The Center for Advanced Power Systems）、University of Texas at Austin（The Center for Electro-mechanics）等大学开展了对船舶电力[10]系统的深入研究。20世纪70年代以来，挪威的N.R.Control、英国的TRANSS、德国的SIEMENS、日本的MITSUBISHI等公司开始研制和生产船舶电站模拟器，进行了船舶电力系统的建模、分析与控制方面的研究工作。国内，清华大学、上海交通大学、海军工程大学、哈尔滨工程大学、武汉理工大学、大连海事大学、中国船舶重工集团所属研究所等的大学与研究单位对船舶电力系统的研究非常重视与深入。
目前，国内外有关船舶电力系统研究的热点问题有：船舶综合电力系统，开放型结构的系统和组成，系统分析、综合、建模与仿真，[11]船舶电力推进，电能转换、分配与储存，电能质量及其突加/突减负荷的影响，船舶电力系统保护、重构与生存能力，船舶电力系统测[12]试、评估与发证，全电船标准，等等。
第2章 船舶电力系统结构
远洋运输船舶与海上作业的工程船舶种类繁多，常见的有集装箱船、滚装船、散货船、液化天然气船、油轮、游轮、渡轮、动力定位钻探船、浮吊船、布缆船、管道敷设船、破冰船与科学考察船等。各种类型的船舶对于电力系统的要求与功能有所不同，形成的船舶电力系统的结构与设备配置有很大的区别，各有独自的特点。对船舶电力系统的结构与要求进行分析是研究船舶电力系统的基础。
2.1 船舶电力系统基本结构与运行工况
1.船舶电力系统基本组成与结构
船舶海上航行的独立特性决定了船舶电力系统是一个孤立电力系统。船舶电力系统结构与运行工况具有典型的特点。海洋船舶电力系统一般包括4个组成部分，基本内容如下：（1）发电单元是电源。它是将机械能、化学能、核能等转换成电能的装置。船舶上常用的电源装置有柴油发电机组、汽轮发电机组和蓄电池。（2）配电单元是自动化电站配电装置。它的作用是对电源进行保护、监视、分配、转换与控制。船舶配电装置可以分为主配电屏、应急配电屏、动力配电屏、照明配电屏和蓄电池充放电屏等。根据不同的船舶需要还配置一些特殊的配电屏。（3）输电单元是电网。它是全船输电电缆及其结构组成的总称。其作用是将电能传送给全船所有的用电设备。船舶电网通常由动力电网、照明电网、应急电网、低压电网与弱电电网等构成。
船舶电力系统的电网根据用途不同具有不同的结构。主电网由发电机电源经主配电屏进行供电，它包括动力电网和正常照明电网。应急电网用于当船舶电源因故障不能供电时，应急电源将通过应急配电屏向船上必须工作的部分用电设备供电。弱电电网应急时向全船直流应急照明、通信设备、各种助航设备及信号报警系统供电。通常情况下，船舶电力系统建模与控制研究以船舶主电网与应急电网为控制对象。（4）用电单元是电气负载。船舶电气负载可分成几种类型，一般海洋运输类船舶不安装大功率电力推进电动机，电力负荷主要是各种船舶甲板/机舱的机械或泵的电力拖动电动机、制冷空调与冷冻集装箱、船舶电气照明、船舶通信和航行电子设备、通风等用电设备。对于电力推进船舶，除上述负荷之外，主要供电对象是作为船舶主动力的大功率推进电动机及其系统的电力负荷，电力推进负荷的容量将[13]占到电力系统总容量的绝大部分。
船舶电力系统是以多台柴油发电机组为核心，在主控制配电屏、应急控制配电屏和负载屏的控制下，对船舶的各种用电设备进行自动供电的系统。如图2-1所示是某远洋大型集装箱船舶（69285载重吨位，5250TEU）电力系统结构的单线图。在发电机容量计算中，每个40尺冷藏集装箱按11kW计算，每个20尺集装箱按7.5kW计算，计算冷[13]藏集装箱的负荷时乘以0.6的需用系数。分析系统结构，该电力系统是交流三相AC440V/60Hz电力系统，是一个低压系统，有4台2850kVA（2280kW）/3657A柴油发电机组，1台325kVA（260kW）/417A应急柴油发电机组，电力负荷配置有侧推器2200kW。电网结构由4个部分组成，分别是440V主电网、440V应急电网、220V主照明电网和220V应急照明电网。船舶电力系统实用表明，这样的船用发电机容量（2850kVA/440V/60Hz）基本上达到了440V电压电力系统的极限，当船舶电力系统的容量继续增加时，需要采用中压电力系统。图2-1 大型集装箱船舶电力系统结构的单线图
从船舶电网结构进行分析，电网的结构形式多样，其中运用比较[14]多的结构形式有枝状配电、环形配电和区域配电布局形式，如图2-2所示。按枝状结线配电的一次网络的每一馈电线都是由总配电屏直接引出，并且各自独立的，它只向一个分配电箱或一个用电设备进行供电。而按环状结线配电的一次网络，其主馈电线却是一个环形的闭合回路，经过串接在主馈电线路上的各个分线盒供电给用电设备或分配电箱。区域配电系统将用电负载按需要分割为若干个水密区，主馈电线形成多通路环形结构，每一个负载区域都有一个独立的配电控[15]制系统。
枝状电网具有下列特点：（1）由于从总配电屏引出的各条独立馈电线上都装有馈电安全保护开关，因此便于在总配电屏上对全船用电设备实行集中控制。独立馈电，相互之间影响小，提高了供电的可靠性。（2）如果用电设备的数量很多，总配电屏内将会集中大量的馈电电缆，这不但使电缆消耗量大，而且总配电屏的尺寸也需相应地增大。图2-2 船舶电网的结线形式（3）这种结线方式的主馈电线一般都不留备用线路，因此任何一条馈电线发生故障时就会造成该线路上用电设备的停电。
环状电网具有下列特点：（1）每一个用电设备均可从线路的两个方向获得供电，所以任一路主馈电线因故障断电都不会引起用电设备的停电。（2）可以减少主馈电线的数量和总配电屏的尺寸。（3）不便于在总配电屏上对各馈电线路实行集中控制，并且往往需要设置两个电站。
区域配电系统具有下列特点：（1）用电负荷可以有多种供电方式进行组合供电，当部分发电单元受损，可以有余下发电单元维持供电。（2）对于推进器供电方式有冗余功能，提高了安全性。（3）需要有多个电站分布在船舶的不同部位来支持，投资大。
在现代船舶中，除了一些对供电可靠性要求特别高的军用舰艇、大型客船和一些电力推进船舶采用环状电网供电，大部分海洋运输类船舶都采用枝状电网供电，现代先进大型军舰开始采用区域配电系统。
系统的电压等级方面，国内外建造的大多数交流船舶电网的额定电压是440V或380V，属于低压交流电力系统。低压电气设备的造价低，防止人身触电的安全性比中压电力系统有优越性，一般用于电力系统容量不大的船舶。随着船舶吨位向超大型方向发展，船舶电力系统总装机功率快速增加，正常负荷电流和短路电流也会随之增大；当用电设备的功率很大时，作为低压系统，电流会很大，对于常用的电动机负载，启动时的电流更是大得惊人。因为决定绕组导体截面积的2因素是IR，大的电流要求大的导体截面积，而绕组的极大截面将使大功率的低压电机无法制造。同时，极大的线路传输电流会使线路的功率损耗很大，以及在发生短路时产生巨大的短路电流，对母线中的热应力和机械应力及对开关设备的容量和断路器等设备的设计制造将变得难以实现，因而有必要提高系统电压，以减小系统中的电流。
随着船舶用电量的增加，发电机容量不断增加，特别是一些特种用途船舶装备了大功率中压用电设备，使中压电力系统逐渐进入船舶电力系统和供配电装置领域。因此，对于具有大功率的用电设备的系统供配电网采用了中压标准。一些大型集装箱船舶侧推器的中压电动机、变频控制装置和配电网络，电力推进船舶的中压发电、配电、用电设备和网络开始广泛应用。例如，沪东中华船厂为中海集团建造的8530 TEU集装箱船舶，考虑到使用船舶侧推器与大量的冷冻集装箱运输，采用了6.6kV中压电力系统，船舶电力系统由4台[16]2760kW/6.6kV/60Hz的柴油发电机组成。大连造船厂为挪威某企业制造的11.5万吨穿梭油轮，采用单机容量为6500kW/6.6kV的柴油发电机组。伊丽莎白皇后二号，采用了9台大容量的发电机组，每台发电机额定功率为10.5MW/10kV，电力容量达到94.5MW。该船由于电力系统采用了中压系统，配电方式采用主干母线方式，每台发电机的输出功率达到12MVA。
中压系统的广泛应用是近几年的事，有关中压电力系统的定义，世界各国及在不同领域的标准不完全一致。电气和电子工程师协会（Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE）标准100规定的中压交流电力系统定义是指额定电压大于1000V、小于10000V的电力系统；在中压之上，还有高压和超高压。对于额定频率为60Hz的电力系统，中压的额定值有2.3kV、4.16kV、6.6kV等电压等级；而额定频率为50Hz的电力系统，中压的额定值有3.3kV、6.0kV、10kV电压等级。
根据IEC电压等级规定，主配电系统通常选用以下电压等级，电压等级的一般使用原则为：当发电机总装机容量超过20MW时，单台电动机功率达到或超过400kW时，使用中压11kV发电及配电系统；当发电机总装机容量为4～20MW时，单台电动机功率达到或超过300kW时，使用中压6.6kV发电及配电系统；当发电机总装机容量低于4MW时，单台设备供电功率低于400kW时，使用低压690V发电及配电系统。中压电力系统中通过变压产生400/230V电网，用于低压[17]生活设施与照明系统的配电。
2.船舶电力系统特征与运行工况
分析船舶的航行，典型工况有海上航行、进出港航道上航行、靠离岸边、装卸货物与停泊等，各种状态船舶电力系统的运行及其负荷变化情况有很大差异。在一种工作状态下，风平浪静与恶劣天气情况电力负荷运行也不相同，海洋天气变化无规律，加大了船舶电力系统故障发生的随机性。从船舶电力系统能量管理来看，发电机运行工况分为：发电机单机运行、双机并网运行与多机并网运行。从电力系统主要大负荷运行看，船舶根据航行需要，电力负荷运行分为：船舶主推进电动机不运行、平稳运行与变负荷运行；船舶的艏、艉侧向推进器电动机不运行、平稳运行与变负荷运行，同时还存在各种负荷交叉叠加运行的工况。
对于非电力推进船舶，干扰来自船舶空调、制冷（包括大量冷藏集装箱与冷藏货舱的制冷）、货仓风机、机舱中的服务泵等电气设备的启动/停止、船舶使用甲板机械进行移动等。对于电力推进船舶，典型的船舶电力系统大幅度快速负荷变化工况，如在海洋的风、水流的大小与方向不确定环境下要求船舶定向与定速航行。在天气恶劣的情况下，尤其在冬季航行，海洋水流变化、船舶摇摆剧烈与不可预测，推进螺旋桨纵摇露出水面与沉入水下过深工况交替进行（或被渔网等异物缠绕）等水动力负荷变化幅度大而无规律，导致推进电动机负荷大幅度变化，对船舶电力系统稳定性影响很大。又如，船舶在进出港避让其他船舶或靠离码头时，为保证船舶良好的机动性，大功率推进电动机启动与停止、大幅度加减速等操控频繁进行，这些工况都使电力系统受到大的不确定负荷的作用，使系统进入了严重的非线性，暂态过程呈现明显的不稳定特征。电力推进的船舶电力系统的运行工况比较复杂，动态稳定控制问题突出。虽然，船舶推进电力负荷的运行有启动设备、变频控制和负荷限制装置进行保护，但船舶推进系统在海上全负荷运行时，由于天气恶劣因素导致的风浪变化的不可预测，会使螺旋桨在水中的负荷产生大幅度变化，使船舶电力系统的负荷产生大幅度的变化，将对船舶电力系统造成巨大冲击。
电力推进船舶由于电力系统容量大，都采用中压或高压电力系统。电力推进船舶电力系统具有两个明显的特征：第一，推进电动机的单机容量大于发电机单机容量，而且为保证船舶不任意失去船舶推进主动力，推进电动机系统不允许安装断路保护装置、不允许实施常规过载继电保护方案，电力负载变化必须由发电机组承受，大功率推进电动机的负荷不稳定使电力系统过载运行经常发生，对系统的稳定造成巨大冲击，而且在不同的负荷与干扰作用下还会表现出特有的周期、非周期、混沌的振荡现象，系统稳定性问题突出，属于重载电力系统；第二，供电与受电设备连接距离近，电能发电端与受电端耦合度大，电力推进船舶电力系统大量运用高功率密度电气设备与电力电子设备，船舶机舱工业环境恶劣，电磁耦合、电动机的磁滞特性、温度变化、集肤效应等都会引起发电机、推进电动机的参数发生变化，电力推进船舶电力系统设备之间的各种关系描述困难，非线性特性突出，属于强非线性系统。
2.2 典型船舶电力系统
船舶的功能与种类往往决定船舶电力系统的形式与要求。船舶电力系统可以分为柴油机动力装置船舶电力系统、轴带发电机船舶电力系统、电力推进船舶电力系统等。2.2.1 柴油机动力装置船舶电力系统
柴油机动力装置船舶是传统的、也是目前海洋运输船舶中数量最多的船舶，船舶的航行依靠大功率柴油机驱动螺旋桨进行。在这一类船舶中，电力系统作为船舶的辅助系统，给船舶的各种电力拖动电动机、大功率柴油机辅助系统、冷冻集装箱、船舶制冷空调、船舶照明等用电设备供电。
随着集装箱船载箱量的不断提高，船舶电力系统的功率也越来越大，6000TEU以上的超大型集装箱船（主机功率达到60MW以上），冷冻集装箱用电大幅度增加，传统的440V船舶电力系统已经不能满足，6.6kV中压电力供电系统成了超大型集装箱船舶的标准配置。例如，沪东中华船厂为中海集团建造的8530TEU集装箱船是国内自行设计和制造的第六代超巴拿马特大型集装箱船，入级德国劳氏船级社（Germanischer Lloyd，GL）和中国船级社（China Classification Society，CCS）。船舶采用6.6kV中压电力系统，电力系统结构如图[16]2-3所示。船舶电力系统由4台2760kW/6.6kV/60Hz（发电机转速720r/min）的柴油发电机组提供电力。图2-3 超大型集装箱船舶中压电力系统结构图
从系统结构来看，该船舶中压电力系统由6.6kV发电机、MM中压配电系统、LM低压配电系统、主变压器、中压岸电系统等组成。发电机提供6.6kV的中压电力，经过MM中压配电系统主开关并入主电网汇流排，然后再经过两台6.6kV/450V的主变压器将450V动力电分别提供给450VLM低压配电系统驱动负载。该船舶电力系统结构还配备了6.6kV中压岸电系统接入设备，可将岸上提供的6.6kV中压电接入MM中压配电系统。传统的450V低压岸电系统仍然服务于常规低压电力系统，可以将岸上提供的450V岸电接入到LM低压配电系统。电力系统结构体现出多层次与复杂性。2.2.2 轴带发电机船舶电力系统
20世纪70年代与80年代以来，为了降低船舶电力系统的发电机柴油消耗，减少船舶柴油消耗支出，一些船舶运用主推进柴油机附带发电机进行发电。轴带发电装置按频率是否可调整分为频率变动型与频率稳定型两种类型，70年代至80年代初期建造的轴带发电机的船舶大多属于频率变动型，80年代中期以后建造的船舶基本属于频率稳定型。
由于轴带发电机是利用主机的功率余量来进行驱动的，因此在航行期间电能是来自于燃烧重油获得的，重油价格不足轻柴油价格的一半，这对于世界航运界燃料费用已占整个运行成本50以上的现状，无疑具有巨大的经济效益。具有轴带发电装置的船舶，海上航行期间由轴带发电装置提供电能，仅在进出港、停泊等工况时才由辅助发电机提供电能，所以辅助发电机的数量比不具有轴带发电装置的船舶至少可少安装一台，且发电机的容量也可略小一些，因此相应增加了机舱空间，有利于机舱其他设施的布置；由于航行期间辅助发电机不运行，故机舱噪声大大减小，机舱温度同时也可得到一定的下降；因辅助发电机累计运行时间大大减少，柴油机磨损相应减小，从而延长了维修保养周期与降低了维修费用。随着轴带发电装置技术的发展，各种类型的节能技术不断产生与更新。
轴带发电机系统与柴油机动力装置船舶电力系统不同之处是电力系统中有一台发电机是由主柴油机驱动，发电机的原动机驱动形式如图2-4所示。采用轴带发电装置的不足之处是初次投资高，一般船舶正常运行5年，有的甚至更短时间即可从油料差价上收回这一投资；对于频率稳定型轴带发电装置而言，由于系统较复杂，故需要船舶电气人员具备较高技术素质与管理能力。在20世纪80年代末与90年代初，船舶柴油发电机逐步解决了烧重油的问题，这样轴带发电机丧失了燃烧重油的优势，自90年代中期起，轴带发电装置逐渐不在新船建造中应用，目前存在于不少在营运的船舶。图2-4 轴带发电机系统
进入21世纪，由于有一些船舶在航行的可靠性方面提出了特别的安全要求，配置了轴带发电/电动装置，该装置具有发电机和推进电动机的双重功能，称为轴带发电机助推系统。图2-5是西门子公司设计的轴带发电机助推控制系统结构，从中可以了解系统的工作过程。轴带发电机作为发电机运行时，由主柴油机驱动发电，向电网供电；当主柴油机动力不足或失去动力时，电机从电网取得电能，用于电动机运行，驱动螺旋桨，维持船舶航行，在船舶主动力上产生冗余功能，提高船舶航行的安全性。从电能控制与管理上，实现了电能双向流动（Power Take Out/Power Take In，PTO/PTI）的工作模式，基本工作原理如图2-6所示。图2-5 轴带发电机助推控制系统结构图2-6 轴带发电机助推系统功率输入/输出基本工作原理图2.2.3 电力推进船舶电力系统
近几年，电力推进船舶与海上动力定位钻井平台开始应用。在一些对于机动性要求高的船舶（如海洋工程船、渡船、浮式石油钻井平台）、电力系统容量本来就比较大的船舶（如油轮、液化天然气船）、舒适度要求高的船舶（如游轮）上实现了电力推进，取得了好的效果。电力推进船舶是采用大功率推进电动机作为船舶主动力装置驱动螺旋桨航行的船舶；大功率推进电动机作为主动力取代了推进柴油机。船舶采用电力推进可以提高有效载重空间、降低维护成本、提高机动性、减少结构噪声和污染，可以提高柴油机燃烧质量与效率、降[17]低船舶燃油消耗10%～15%。
从历史上看，船舶电力推进并不是一个新的概念，它的起源可以追溯到100多年前。然而，只有当人们能够开发紧凑、可靠、经济的大功率范围变速电动机及其控制系统之后，电力推进技术才于20世纪80至90年代开始在一些海洋船舶中得到应用。目前，采用燃气轮机或柴油机驱动发电的电力推进系统已经在不同配置的各类船舶中得到应用。除用于潜艇和海面舰船之外，2002年海洋运输类船舶的电力推进系统总装机功率已达6～7GW（千兆瓦）。
在引入全方位电力推进器和吊舱式电力推进装置之后，一些船舶开始采用同时兼顾航行、机动和控制位置等不同操作模式的推进系统配置，以便推进装置能够在船舶的航行、机动操纵和动力定位中发挥更好的作用。目前，电力推进主要运用的船舶有邮轮、渡轮、动力定位钻探船、侧推器辅助控位浮式采油设施、穿梭油轮、液化天然气船、布缆船、管道敷设船、破冰船与其他冰上作业船、供应船及军用船舶等。为进一步扩大应用范围，人们仍在对电力推进系统在其他新型船舶设计中的应用可行性不断地进行研究和评估。
船舶中的电力推进系统主要有以下优点：（1）由于减少了燃油消耗和维护费用，从而降低了船舶的寿命周期成本，特别是当船舶负荷变化较大时效果更加显著。例如，对于许多动力定位船来说，其航行操作的时间和进行控位/机动操纵的时间通常各占一半。（2）系统不易受到单个故障的影响，并且可以对发电机的原动机（柴油机或燃气轮机）的运行与负荷进行优化。（3）使用高中速柴油机，质量更小。（4）船体空间占用更小，空间利用也更加灵活，从而增加了船舶的有效载荷量。（5）推进系统可通过电缆供电，因而可以不与原动机布置在一起，这就给推进装置的位置选择带来了很大的灵活性。（6）通过使用全方位推进或吊舱式推进装置，提高了船舶的机动能力。（7）由于传动轴更短，而且原动机转速固定，再加上所采用的拉式螺旋桨，使水流更加均匀，削弱了空泡现象，从而使推进系统的噪声和振动大为减轻，效率得到了提高。
上述优点足以抵消电力推进系统的一些不足：（1）投资成本增加。当然，随着电力推进装置生产数量的增加，其单位成本会逐渐降低。（2）对于刚开始使用电力推进系统的用户来说，由于船舶安装了多种新型设备，因此需要制定不同的运行、人员配备及维护方案。（3）有些系统，在原动机与螺旋桨之间增加的组成部件加大了船舶满载时的传输损耗。
船舶电力推进系统中的电力装置、推进装置、侧推器装置及安全与自动化系统均具有很高的可用性，整个船舶的可用性得到了提高。其中，安全与自动化系统主要用于对电力推进系统中的电站、推进装置及侧推器装置进行监测、保护和控制，对于优化电力推进系统运行和提高其运行可靠性具有越来越重要的作用。
在电力推进船舶中，船用发电机的容量很大，图2-7是Alstom公司为某电力推进军用船舶设计的电力系统结构图。这是一条典型的电力推进船舶，其中运用的发电机组为4台4.69MW/6.6kV/60Hz柴油发电机组和1台1.56MW/6.6kV/60Hz发电机组，总发电量的额定值为20.32MW。在该船舶的6.6kV中压电力系统中，电力网的主要电能用于电力推进。在图2-7的电力系统中，发电机主要通过4台4266kVA/6.6kV/1460V变压器对2×7MW的独立双单元主推进器电动机供电，通过两台1366kVA/6.6kV/820V变压器分别对1320kW（船艏侧[18]推器）和855kW（船艉侧推器）两个侧推器进行供电。根据Wartsila公司制造的侧推器，在2006年，最大的船舶侧推器的功率已经达到了3550kW（CT/FT300M型），侧推器的直径达到3m。与图2-3所示的中压电力推进船舶的甲板机械和机舱泵的供电通过两台3000kVA/6.6kV/450V变压器和两台1350kVA/6.6kV/450V变压器进行供电相类似，低压电力设备由于使用与维护方便仍然可以得到运用。电力系统中接近80的容量用于电力推进，由于电力推进中大量地使用了大功率晶闸管器件，因此电网中配置了两套谐波滤波器装置。图2-7 电力推进型船舶中压电力系统结构图
电力系统容量的增加，对于系统的安全提出了高要求，可以使用环型总线提高供电可靠性。某军用船舶电力系统配置如图2-8所示，是一个双向直流/直流变换的典型系统形式。电网中主回路正常工作时，通过该变换器对后备电源充电；主回路故障时，通过该变换器将后备电源能量变换为中高压供其他设备使用。图2-8 双向直流/直流变换器典型系统配置图2.2.4 船舶应急电力系统
由于船舶航行安全的需要，船舶在配置主要电力系统同时还需配置应急电力系统。当主要电力系统运行发生故障时，应急电力系统必须自动投入工作，以保证船舶航行所必须的基本用电需要。
船舶应急电力系统由应急发电机作为电源的应急供电系统和由蓄电池作为电源的应急照明系统组成。当船舶主电力系统因故障不能供电时，应急电源将通过应急电网系统向船上必须工作的部分用电设备供电。应急发电机将在应急配电系统的控制下，向维持船舶航行所必须的应急动力负载与照明负载进行供电。通常应急电力系统由一台应急发电机作为电源，形成一个低压电制系统，如440V/60Hz或400V/50Hz电力系统，发电机容量也比较小。应急发电机也有励磁控制与转速控制系统，但由于应急发电机容量较小、电网容量也较小，其控制要比主发电机组的控制简单一些。
蓄电池是船舶最基本的应急电源，在发电机组作为应急电源的基础上，船舶还必须配置蓄电池作为临时应急电源。蓄电池是一种可以充电并反复使用的电源。蓄电池在船上主要用做应急照明电源、应急柴油发电机组和救生艇柴油机的启动电源、无线电台应急电源，也可作为船内通信设备，如电话、广播、信号报警等系统的正常工作电源。蓄电池应急系统以直流电形式供电，自成系统，正常工况时依靠主电源进行充电。某海洋运输船舶电力系统的各个电源的关系与电网结构[2]如图2-9所示。图2-9 船舶电力系统的各个电源的关系与电网结构
2.3 船舶电力系统的船级社规范要求
大型海洋船舶电力系统的设计与建造需要按船舶计划入级的船级社的规范进行。船级社规范对船舶的入级制定了详细的规范，以控制船舶及其各个系统的建造质量与船舶航行的安全。例如，中国船级社（China Classification Society，CCS）在船舶规范上有《钢质海船入级规范》。《钢质海船入级规范》中对于船舶电力系统做了具体的要[19]求与规定，船舶电力系统必须在要求工况下能安全稳定地运行；对于电力推进船舶的建造也做出了比较详细的规定。我国对于电力推进船舶还设立了中华人民共和国国家标准（GB/T 13030船舶电力推进系统技术条件），对电力推进船舶的发展非常重视。鉴于船舶电力系统负荷变化大的特性，CCS船舶入级的船舶电力系统方面相关规定[19]的要求如下。这里假定船舶的设计与建造入CCS的级别，若入其他船级社，需参照该船级社的规范执行。
1.发电机调速特性
对于交流发电机，若原动机为汽轮机，原动机的调速特性应符合下列规定：当突然卸去额定负荷时，其瞬时调速率不大于额定转速的 10%，稳定调速率不大于额定转速的 5%；当在空负荷状态下突然加上 50%额定负荷，稳定后再加上余下的 50%负荷时，其瞬时调速率不大于额定转速的 10%，稳定调速率不大于额定转速的 5%，动态过程稳定的时间（即转速恢复到波动率为±1%范围的时间）不超过5s。
若原动机为柴油机，原动机调速特性应符合下列规定：当加上或卸去最大梯级负荷时，电网的瞬时频率变化应不大于额定频率的 10%，恢复到稳态的时间不超过 5s；当突然卸去额定负荷时，在超速保护装置防止柴油机转速超过额定转速的 115%的范围内，瞬时调速率不大于额定转速的 10%，稳定调速率不大于额定转速的 5%；当
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