船舶電力推進技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀分析

曹建峰

摘 要：船舶電力推進技術(shù)的發(fā)展主要經(jīng)歷了以下幾個過程。1833年，第一艘電動實驗船誕生，但是受制于當(dāng)時的技術(shù)障礙一直沒有很好的應(yīng)用。二戰(zhàn)期間，由于關(guān)鍵技術(shù)的突破，船舶電力推進技術(shù)逐漸應(yīng)用于軍艦、破冰船、挖泥船等特種船舶。自上世紀(jì)80年代以來，大功率交流電機變頻調(diào)速技術(shù)的突破促進了船舶電力推進技術(shù)的發(fā)展。如今，電力推進技術(shù)廣泛應(yīng)用于大型油輪、水面戰(zhàn)艦、工程船舶和潛艇等各類船舶。電力推進系統(tǒng)是一個集成系統(tǒng)，涉及變頻調(diào)速、電子自動化、供配電和電機控制等技術(shù)，同時包含眾多高端工業(yè)設(shè)備，科技含量高，可反映國家工業(yè)生產(chǎn)水平和裝備研發(fā)能力。

關(guān)鍵詞：船舶;電力推進;技術(shù)發(fā)展

1船舶電力系統(tǒng)簡述

船舶電力系統(tǒng)是一個高集成化的有機整體，它主要由一個或多個處于相同監(jiān)控下運行的船舶電源和與船舶電源連接的船舶電網(wǎng)所構(gòu)成，負(fù)責(zé)船舶所有電能的產(chǎn)生、傳輸、分配和消耗。從上述概念來看，無論容量大小，整個船舶電力系統(tǒng)主要由四部分組成：電源、配電裝置、電網(wǎng)和電力負(fù)荷。這四個組成部分的組件通過電氣連接在一起，從而形成一個統(tǒng)一的整體系統(tǒng)，該整體系統(tǒng)中任何一個組成部分或者某一電氣元件出現(xiàn)故障都將對整個電網(wǎng)造成影響，導(dǎo)致整個電力系統(tǒng)的運行出現(xiàn)安全風(fēng)險，當(dāng)情況特別嚴(yán)重時會造成重大的損失。因此，研究船舶電力系統(tǒng)具有重要的意義。

2電力推進式船舶電力負(fù)荷預(yù)測系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1船舶負(fù)荷預(yù)測電路設(shè)計

新型船舶系統(tǒng)的負(fù)荷預(yù)測電路以 S3C2440A 芯片作為核心裝置。該芯片與數(shù)據(jù)存儲單元、電能流量控制單元、外接供電單元等多個模塊直接相連，且電壓互感器、電源互感器2個獨立船舶裝置可為芯片提供源源不斷的電能支持。當(dāng)船舶系統(tǒng)外接供電裝置的輸出電壓發(fā)生改變時，電壓互感器、電源互感器中的自動調(diào)節(jié)裝置會在保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行的前提下，適當(dāng)控制負(fù)荷電子的行進速度，避免電荷紊亂現(xiàn)象的發(fā)生。當(dāng)負(fù)荷預(yù)測電路中穩(wěn)定電力電子數(shù)量不隨船舶航行狀態(tài)的變化而變化時，可認(rèn)為系統(tǒng)中的負(fù)荷電子數(shù)量達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

2.2推進負(fù)載接口設(shè)計

新型船舶系統(tǒng)的推進負(fù)載接口可以實現(xiàn)軟硬件模塊間的實時數(shù)據(jù)交換。當(dāng)船舶系統(tǒng)短期用電量發(fā)生改變時，外接供電單元的供電狀態(tài)會隨之發(fā)生改變，使系統(tǒng)在一段時間內(nèi)無法實現(xiàn)電能的平均供應(yīng)。為解決此問題，新型系統(tǒng)為每個推進負(fù)載接口都配備一個額定電壓為220V的定值電阻，且該電阻的工作狀態(tài)不會隨著電壓、電流等外在條件的改變而產(chǎn)生變化。所有經(jīng)過船舶推進負(fù)載接口的電力電荷都必須滿足直流變化規(guī)則，且其自身的帶電量不能超過定值電阻周圍附著的電荷總量。當(dāng)船舶負(fù)荷預(yù)測電路中的電子經(jīng)過電能流量控制單元進入推進負(fù)載接口時，外接定值電阻會按照電壓的穩(wěn)定分配比獲得一定的工作電壓，進而使系統(tǒng)進入平穩(wěn)的工作狀態(tài)。

3電力推進系統(tǒng)的技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及展望

3.1發(fā)電技術(shù)

柴油發(fā)電技術(shù)是一項十分成熟的技術(shù)，但產(chǎn)生的廢氣會造成環(huán)境污染。從上世界40年代初開始，人們開始對燃料電池進行研究。燃料電池發(fā)電時不燃燒，以氫燃料電池為例，其放電過程不產(chǎn)生任何環(huán)境污染。且相較柴油機，結(jié)構(gòu)更為緊湊，沒有運動部件，無噪聲，大大提高了發(fā)電的效率和可靠性。燃料電池按電介質(zhì)劃分有六類：固體氧化物型燃料電池、固體聚合物燃料電池、熔融碳酸鹽型燃料電池、磷酸鹽型燃料電池、堿性燃料電池和生物燃料電池。燃料電池產(chǎn)生直流電，但也可轉(zhuǎn)換為交流電。但對于大功率燃料電池，所需費用較高，仍需進一步研究。

3.2推進電機技術(shù)

推進電機是電力推進船舶的關(guān)鍵組成部分，是系統(tǒng)中重要的動力源。電機有同步電機和異步電機，同步電機在轉(zhuǎn)矩擾動的承受能力上優(yōu)于異步電機。電機在工作時所受工況變化復(fù)雜，而同步電機可以根據(jù)海上風(fēng)浪造成的轉(zhuǎn)矩變化做出迅速的反應(yīng)，且在很寬的轉(zhuǎn)頻范圍內(nèi)可保持穩(wěn)定運行。隨著永磁材料性能的不斷提高和發(fā)展，永磁同步電機朝著大功率（高轉(zhuǎn)速、高扭矩）、高性能、微型化的方向發(fā)展。永磁電機優(yōu)點有：①永磁電機中的轉(zhuǎn)子無傳統(tǒng)推進電機的鐵芯和勵磁系統(tǒng)，減小了電機體積和重量;②減小了系統(tǒng)鐵損和銅損，提高了系統(tǒng)運行效果;③電機磁性恒定，電磁轉(zhuǎn)矩與電樞電流正相關(guān)，可通過調(diào)節(jié)電流實現(xiàn)電磁轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)和控制，操作簡單。

3.3諧波抑制技術(shù)

半導(dǎo)體器件的發(fā)展助推了船舶電力推進技術(shù)的發(fā)展，半導(dǎo)體器件在電力推進系統(tǒng)中的主要目的就是改變電流。在變流過程中，輸入、輸出側(cè)的電壓和電流都會產(chǎn)生畸變，產(chǎn)生大量諧波，使原本正弦電壓和電流產(chǎn)生畸變，降低電網(wǎng)電能的質(zhì)量，增加功率損耗，降低船舶運行的安全性，還會不同成都損害設(shè)備。因此研發(fā)諧波抑制技術(shù)對電力推進系統(tǒng)的應(yīng)用和發(fā)展有十分重要的意義。實際應(yīng)用的諧波控制技術(shù)主要有：①增加諧波濾波器;②將電流機組進行轉(zhuǎn)換，是系統(tǒng)中的旋轉(zhuǎn)變流機單獨作為電力推進系統(tǒng)的供電設(shè)備，將諧波產(chǎn)生源與其他設(shè)備隔離，減少諧波危害;③增加系統(tǒng)脈動數(shù)量，主要內(nèi)容是增加變頻器整流和逆變中的脈動數(shù)量，對諧波進行有效控制。

3.4帶儲能單元的電力推進系統(tǒng)

海洋環(huán)境復(fù)雜多變，推進系統(tǒng)負(fù)載變化，若偏離最佳功率點則造成燃油燃燒不充分，降低燃油消耗率，同時增加排放，能量儲存技術(shù)是解決該問題的有效方法。儲能設(shè)備具體作用是：低負(fù)荷儲能，高負(fù)荷供能。儲能技術(shù)在電動汽車方面已經(jīng)有了良好的應(yīng)用。其實現(xiàn)可以利用超級電容技術(shù)和鋰電池技術(shù)。

（1）超級電容技術(shù)。超級電容也被稱為雙層電容器，是一種擁有高能量密度的電化學(xué)電容器。超級電容的電解電容比同等體積的標(biāo)準(zhǔn)電池的高五個數(shù)量級，具有高電流容量、壽民長、溫度范圍廣、環(huán)境友好、維護保養(yǎng)容易、容易監(jiān)控狀態(tài)的優(yōu)點。但目前仍面對端電壓變化大、價格昂貴的技術(shù)難題。

（2）鋰電池技術(shù)。鋰電池技術(shù)依靠金屬離子在正極和負(fù)極之間的移動來工作。鋰電池具有能量密度高、單體電壓高、自放電率小、輸出功率大的優(yōu)點。目前需解決的問題有：①成本高。主要是因為正極材料價格較高，隨著材料技術(shù)的發(fā)展，替代材料有望大大降低鋰電池成本;②必須有特殊的保護電路，防治過充和過放;③與普通電池相容性差。

4船舶電力系統(tǒng)未來的發(fā)展方向

隨著電氣設(shè)備朝著通用化、綜合系統(tǒng)化、配置靈活性的方向不斷發(fā)展，以及計算機技術(shù)的飛速進步為船舶電力系統(tǒng)的綜合化、集成化、智能化發(fā)展提供了強大的技術(shù)保障。另外，由于信息技術(shù)和總線技術(shù)的快速發(fā)展，船舶電力系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化和自動化程度也隨之水漲船高。隨著自動控制理論以及計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，船舶電力控制系統(tǒng)可以引入和吸收越來越多的新的控制方法與技術(shù)，可以充分利用計算機的建模優(yōu)勢來進行船舶電力系統(tǒng)的模擬試驗，來驗證新的控制策略的可行性。通過這種方式，不僅可以節(jié)省成本，還可以在特殊條件下利用計算機上模擬各種測試，這有利于船舶電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性的提高，并提升船舶供電質(zhì)量。

結(jié)語：船舶電力推進技術(shù)自上世紀(jì)九十年代開始在大型民用船舶和艦艇方面得到了廣泛的應(yīng)用，其良好的工作性能得到了廣泛認(rèn)可。隨著電力推進各關(guān)鍵技術(shù)的不斷完善，船舶電力推進技術(shù)的發(fā)展必然越來越快，同時也將帶來巨大的經(jīng)濟和社會效益。

參考文獻：

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