曹建峰

摘 要：船舶電力推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展主要經(jīng)歷了以下幾個(gè)過(guò)程。1833年，第一艘電動(dòng)實(shí)驗(yàn)船誕生，但是受制于當(dāng)時(shí)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(jìn)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(lái)，大功率交流電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)的突破促進(jìn)了船舶電力推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展。如今，電力推進(jìn)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(jìn)系統(tǒng)是一個(gè)集成系統(tǒng)，涉及變頻調(diào)速、電子自動(dòng)化、供配電和電機(jī)控制等技術(shù)，同時(shí)包含眾多高端工業(yè)設(shè)備，科技含量高，可反映國(guó)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(jìn);技術(shù)發(fā)展

1船舶電力系統(tǒng)簡(jiǎn)述

船舶電力系統(tǒng)是一個(gè)高集成化的有機(jī)整體，它主要由一個(gè)或多個(gè)處于相同監(jiān)控下運(yùn)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(lái)看，無(wú)論容量大小，整個(gè)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(gè)組成部分的組件通過(guò)電氣連接在一起，從而形成一個(gè)統(tǒng)一的整體系統(tǒng)，該整體系統(tǒng)中任何一個(gè)組成部分或者某一電氣元件出現(xiàn)故障都將對(duì)整個(gè)電網(wǎng)造成影響，導(dǎo)致整個(gè)電力系統(tǒng)的運(yùn)行出現(xiàn)安全風(fēng)險(xiǎn)，當(dāng)情況特別嚴(yán)重時(shí)會(huì)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(jìn)式船舶電力負(fù)荷預(yù)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1船舶負(fù)荷預(yù)測(cè)電路設(shè)計(jì)

新型船舶系統(tǒng)的負(fù)荷預(yù)測(cè)電路以 S3C2440A 芯片作為核心裝置。該芯片與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元、電能流量控制單元、外接供電單元等多個(gè)模塊直接相連，且電壓互感器、電源互感器2個(gè)獨(dú)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(shí)，電壓互感器、電源互感器中的自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置會(huì)在保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，適當(dāng)控制負(fù)荷電子的行進(jìn)速度，避免電荷紊亂現(xiàn)象的發(fā)生。當(dāng)負(fù)荷預(yù)測(cè)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(shí)，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(jìn)負(fù)載接口設(shè)計(jì)

新型船舶系統(tǒng)的推進(jìn)負(fù)載接口可以實(shí)現(xiàn)軟硬件模塊間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換。當(dāng)船舶系統(tǒng)短期用電量發(fā)生改變時(shí)，外接供電單元的供電狀態(tài)會(huì)隨之發(fā)生改變，使系統(tǒng)在一段時(shí)間內(nèi)無(wú)法實(shí)現(xiàn)電能的平均供應(yīng)。為解決此問(wèn)題，新型系統(tǒng)為每個(gè)推進(jìn)負(fù)載接口都配備一個(gè)額定電壓為220V的定值電阻，且該電阻的工作狀態(tài)不會(huì)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(guò)船舶推進(jìn)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(guò)定值電阻周圍附著的電荷總量。當(dāng)船舶負(fù)荷預(yù)測(cè)電路中的電子經(jīng)過(guò)電能流量控制單元進(jìn)入推進(jìn)負(fù)載接口時(shí)，外接定值電阻會(huì)按照電壓的穩(wěn)定分配比獲得一定的工作電壓，進(jìn)而使系統(tǒng)進(jìn)入平穩(wěn)的工作狀態(tài)。

3電力推進(jìn)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(xiàng)十分成熟的技術(shù)，但產(chǎn)生的廢氣會(huì)造成環(huán)境污染。從上世界40年代初開始，人們開始對(duì)燃料電池進(jìn)行研究。燃料電池發(fā)電時(shí)不燃燒，以氫燃料電池為例，其放電過(guò)程不產(chǎn)生任何環(huán)境污染。且相較柴油機(jī)，結(jié)構(gòu)更為緊湊，沒有運(yùn)動(dòng)部件，無(wú)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(duì)于大功率燃料電池，所需費(fèi)用較高，仍需進(jìn)一步研究。

3.2推進(jìn)電機(jī)技術(shù)

推進(jìn)電機(jī)是電力推進(jìn)船舶的關(guān)鍵組成部分，是系統(tǒng)中重要的動(dòng)力源。電機(jī)有同步電機(jī)和異步電機(jī)，同步電機(jī)在轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)的承受能力上優(yōu)于異步電機(jī)。電機(jī)在工作時(shí)所受工況變化復(fù)雜，而同步電機(jī)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(yùn)行。隨著永磁材料性能的不斷提高和發(fā)展，永磁同步電機(jī)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(jī)優(yōu)點(diǎn)有：①永磁電機(jī)中的轉(zhuǎn)子無(wú)傳統(tǒng)推進(jìn)電機(jī)的鐵芯和勵(lì)磁系統(tǒng)，減小了電機(jī)體積和重量;②減小了系統(tǒng)鐵損和銅損，提高了系統(tǒng)運(yùn)行效果;③電機(jī)磁性恒定，電磁轉(zhuǎn)矩與電樞電流正相關(guān)，可通過(guò)調(diào)節(jié)電流實(shí)現(xiàn)電磁轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)和控制，操作簡(jiǎn)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(jìn)技術(shù)的發(fā)展，半導(dǎo)體器件在電力推進(jìn)系統(tǒng)中的主要目的就是改變電流。在變流過(guò)程中，輸入、輸出側(cè)的電壓和電流都會(huì)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(yùn)行的安全性，還會(huì)不同成都損害設(shè)備。因此研發(fā)諧波抑制技術(shù)對(duì)電力推進(jìn)系統(tǒng)的應(yīng)用和發(fā)展有十分重要的意義。實(shí)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(jī)組進(jìn)行轉(zhuǎn)換，是系統(tǒng)中的旋轉(zhuǎn)變流機(jī)單獨(dú)作為電力推進(jìn)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(dòng)數(shù)量，主要內(nèi)容是增加變頻器整流和逆變中的脈動(dòng)數(shù)量，對(duì)諧波進(jìn)行有效控制。

3.4帶儲(chǔ)能單元的電力推進(jìn)系統(tǒng)

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

（1）超級(jí)電容技術(shù)。超級(jí)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(jí)電容的電解電容比同等體積的標(biāo)準(zhǔn)電池的高五個(gè)數(shù)量級(jí)，具有高電流容量、壽民長(zhǎng)、溫度范圍廣、環(huán)境友好、維護(hù)保養(yǎng)容易、容易監(jiān)控狀態(tài)的優(yōu)點(diǎn)。但目前仍面對(duì)端電壓變化大、價(jià)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(dòng)來(lái)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(diǎn)。目前需解決的問(wèn)題有：①成本高。主要是因?yàn)檎龢O材料價(jià)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(hù)電路，防治過(guò)充和過(guò)放;③與普通電池相容性差。

4船舶電力系統(tǒng)未來(lái)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(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速進(jìn)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(qiáng)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(dòng)化程度也隨之水漲船高。隨著自動(dòng)控制理論以及計(jì)算機(jī)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(lái)越多的新的控制方法與技術(shù)，可以充分利用計(jì)算機(jī)的建模優(yōu)勢(shì)來(lái)進(jìn)行船舶電力系統(tǒng)的模擬試驗(yàn)，來(lái)驗(yàn)證新的控制策略的可行性。通過(guò)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(jì)算機(jī)上模擬各種測(cè)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(yǔ)：船舶電力推進(jìn)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(jìn)各關(guān)鍵技術(shù)的不斷完善，船舶電力推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展必然越來(lái)越快，同時(shí)也將帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

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