小型内河船舶电力推进技术的应用及发展

付如愿，郑 晖，高海波

(1.南车株洲电力机车研究所有限公司，湖南 株洲 412001；2.武汉理工大学，湖北 武汉 430063)

小型内河船舶电力推进技术的应用及发展

付如愿1，郑 晖1，高海波2

(1.南车株洲电力机车研究所有限公司，湖南 株洲 412001；2.武汉理工大学，湖北 武汉 430063)

分析了内河航运的特点和电力推进技术适用于内河船舶的原因，介绍了电力推进应用于小型内河船舶上需要解决的关键技术和成功应用案例，并对其国产化现状做出分析，指出LNG发动机匹配电力推进方式和纯电动船会是未来小型内河船舶的发展方向。

内河运输；电力推进船；液化天然气

0 引言

内河航运拥有以下特点：航道深浅不一且宽窄各异，时常伴有浅滩和弯道；航道通行能力随季节变化，丰水期和枯水期迥异；繁忙航段需要过往船只相互避让；不同的航段水流速度差异很大；顺水和逆水航行时动力装置的功率需求不同；离靠码头频繁，工况多变。基于以上特点，内河船舶应该满足以下要求：灵便的转弯性能；较小的转弯半径；平滑的变速能力；逆水航行时应有充裕的冲滩动力；顺水航行时能稳定地输出动力，保持船速平稳[1]。要满足以上复杂的航运环境及多种功能要求，同时又要求原动机始终有较高的运行效率，节约燃料，降低排放，电力推进无疑是目前最佳的成熟推进方式。

国内的内河小型机动船舶，多数船长为5～20 m，总装机容量一般在2 000 kW以下，推进功率一般在1 500 kW以下，95%以上采用柴油机匹配齿轮箱驱动螺旋桨的推进方式[2]。因而，内河小型船舶电力推进系统的推广应用，方兴未艾。

电力推进一般采用柴油机驱动发电机，恒速运行，工况平稳，燃烧充分，废气排放少，变频电动机驱动螺旋桨调速方便，赋予船舶良好的操纵性。电力推进船舶是目前获得航运界认可的新型绿色船舶。

为了更好地推广电力推进系统，本文介绍了小型内河船舶电力推进系统关键技术，分析了该推进系统国产化现状，并对其发展趋势进行了展望。

1 小型内河船舶电力推进系统关键技术

与柴油机匹配齿轮箱驱动螺旋桨的推进方式不同，小型内河船舶电力推进系统的关键技术主要集中在电力推进系统结构优化技术、能量管理策略、智能操控技术、谐波抑制技术等方面。

1.1 电力推进系统结构优化技术

以船型及船体参数为约束条件，进行推进电动机与螺旋桨的功率匹配、不同航行工况下的运行参数匹配以及变频器与推进电机的匹配。通过综合计算，实现推进电机、变频器、螺旋桨的结构匹配优化，在推进电机拥有较宽调速范围的同时，减少低速工况下的输出转矩波动，保证推进系统有较强的过载能力。

1.2 能量管理策略

除了一般船舶电站应有的发电机组启动、停车、合闸并车、频率与有功功率分配控制、电压与无功功率分配控制、负荷转移控制等功能以外，电力推进船舶还应该有电站动态管理功能。能量管理策略能根据航行工况实现在网运行发电机组的数量控制，实时监控电力推进系统和电网其他负荷的运行状态，统一调配推进系统用电和其他负荷用电，使得原动机的负荷率始终保持在较高水平，从而实现节能减排的目标。

1.3 智能操控技术

基于现场总线的一体化嵌入式控制系统，可以在驾驶台遥控推进系统，实现系统的启动、停车、倒车、紧急制动、速度调节、安全保护、故障报警等功能；可实时监测推进系统的运行状态并可对控制系统进行参数设置和修改。

1.4 谐波抑制技术

变频装置在工作过程中会产生大量谐波，导致电网的电压和电流波形畸变，降低电能品质，给设备带来功率损耗和各种危害，并影响电力推进系统的安全运行。中国船级社规定船舶馈电母排的电压THD(总谐波畸变率)不能超过5%，动力电网的电压THD值不能超过8%。如何选用性价比较高的谐波抑制方案，一直是电力推进系统应用中的难点。基于成本考虑，目前中小船舶电力推进系统中多采用加装无源滤波器的方法进行滤波，主要抑制5次、7次谐波，保证电网品质。

经过国内科研工作者的不懈努力，以上小型内河船舶电力推进系统的关键技术难题已经得到攻克，1个典型的范例是上海海事大学的西部交通建设科技项目“内河小型船舶电力推进系统研制”示范船“滇游1号”。该船为200客位的游船，双机双桨，设置2台120 kW的柴油发电机组、2台90 kW的变频推进电机。根据上海海事大学和云南省航务管理局发布的“内河小型船舶电力推进系统研制研究报告”，运行数据表明，虽然初投资比柴油机直接推进方式高20%，但装机总容量下降2.4%～24%，油耗下降10%，废气排放和谐波水平达标，客舱的噪声水平低于65 dB。

2 小型内河船舶电力推进系统国产化现状

此前电力推进未能成为我国小型内河船舶的主流推进方式，主要原因在于技术不够成熟和价格高昂。SIEMENS、ABB、ALSTOM等企业虽然能够提供技术成熟的电力推进解决方案，但存在设备价格高、交付周期长、售后服务不便等诸多不利因素，令多数船东望而生畏。

目前电力推进系统的国产化已经有了可喜的进步，无论主要的电力电子器件，还是移相变压器、变频器、推进电机、滤波器，国内厂家都可以研制生产。第3代电力电子器件IGBT及其应用产品已实现国产化。2014年国内首条203.2 mm(8 in)IGBT芯片生产线在中国南车株洲研究所正式下线投产，性能达到世界先进水平。不同功率等级的国产移相变压器、变频器和变频电机已在多型船的主推和侧推装置上应用，性能稳定可靠，维护保养方便，性价比明显超过进口设备，已开始有船东尝试选用国产成套电力推进装置。

在与国外知名电力推进系统集成商和设备供应商的合作中，国内的研发机构和生产厂商也逐渐积累了丰富的设计和建造经验。推进功率已经覆盖功率等级10 MW以下的各种电力推进系统；电压等级包括低压690 V及中压6 600 V。国内自主设计集成及建造小型内河船舶电力推进系统已不存在任何技术瓶颈。

3 小型内河船舶电力推进技术的发展趋势

内河船舶使用清洁燃料是实现绿色航运的有效途径。现阶段对船舶发动机而言，液化天然气(LNG)是柴油的理想替代燃料。国家于2014年4月15日出台了《内河船型标准化补贴资金管理办法》，对于符合条件的新建LNG动力示范船给予资金补贴。可以预见，在国家政策引导下，内河船舶采用LNG作为燃料将成为未来的发展趋势。采用LNG发动机发电，并匹配电力推进技术是目前的研究热点之一，也是小型内河船舶电力推进技术的1个发展趋势。

LNG发动机低速段功率曲线变化大，但用于驱动发电机则可以充分发挥其高速段功率曲线变化平缓的优点，还可以把电力推进和清洁燃料的优势结合起来。虽然初投资稍大，但燃油消耗和维护费用减少，全寿命周期成本得以降低。目前该方式推广应用的主要问题在于LNG燃料的加注体系还不完善，待形成规模化后，在国家政策的大力支持下，LNG发动机匹配电力推进技术应该会成为小型内河船舶的主流推进方案。

另一种值得关注的新船型是纯电动船。此前受限于储能设备的容量和输出功率，纯电动推进的船舶建造很少，一般仅为小型的旅游客船、公务艇和运输船。锂聚合物蓄电池、超级电容是近年来涌现出来的新型储能器件，储能容量、使用寿命等达到了实船应用水平。上海瑞华(集团)有限公司2014年承担了浙江省交通厅“千吨级以下内河船舶应用技术研究”项目，采用超级电容匹配锂聚合物蓄电池为电力推进系统的动力源，截至2015年7月，完成了内河货船、游艇、海事巡逻艇各1艘的动力系统改装，运行效果良好。以锂聚合物蓄电池为主、超级电容为辅的供电模式，当推进系统有瞬间强劲功率需求时，由超级电容供给能量；当系统需要稳定的功率输出时，则由动力锂电池供给；当系统有能量回馈(紧急制动或反转)时，超级电容负责吸收瞬间回馈能量。由于使用的是超级电容和锂聚合物蓄电池储存的岸电，运行时不消耗燃料，没有污染，因此纯电动船是名副其实的“绿色船舶”。纯电动船为内河水域的防污染提供了新的思路及解决方案。

4 结语

船舶电力推进系统已经被证明适用于小型内河及湖泊营运船舶，在不损害动力性能的情况下实现节能环保，有助于实现内河水域的健康可持续发展。可以预见，随着电力推进技术的日益成熟和设备的国产化、精细化、系列化，电力推进系统的形式也会多样化，适应的船型也会更丰富，并且随着价格的逐年下降，在我国内河小型船舶上的应用将更加广泛。

[1] 胡建炬.交流电力推进系统在内河船舶上的应用前景[C]//中国造船工程学会.第十二届全国内河船舶与航运学术会议.北京：中国造船学会，2012.

[2] 喻小力.小型船舶电力推进国产化的发展与应用[J].广东造船，2012，30(6):70-72.

2016-06-07

国家自然科学基金项目(51579200)

付如愿(1983—)，男，工程师，从事船舶电力推进系统变频产品的开发应用研究工作；郑晖(1985—)，男，工程师，从事船舶电力推进系统变频产品的开发应用研究工作；高海波(1975—)，男，博士，副教授，从事船舶电力推进系统仿真研究。

U664.14

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