船舶电力推进综合系统研究

陈　峰

(中石化海洋石油工程有限公司上海船舶分公司, 上海 201206)

船舶电力推进综合系统研究

陈峰

(中石化海洋石油工程有限公司上海船舶分公司, 上海 201206)

摘要：分析了电力推进系统应用于船舶的优缺点。通过先进的变频技术，设计了综合船舶推进系统。该系统可以满足多种情况下的航行要求，所有推进装置及辅助设备都可以分开控制。利用直流升压技术将电池组接入系统，使得船舶航行更加经济节能。

关键词：电力推进；变频驱动；经济节能

0引言

随着社会的发展以及环境污染显现出的严重后果，人们对环境问题越来越关注。传统能源的过度消耗使得节约能源消耗或者提高能源利用率越来越重要。近一个世纪以来，船舶领域多采用常规动力。随着电力推进技术的发展，电力推进船舶逐渐引起船舶领域设计以及使用人员的关注。但是，电力推进船舶建造初期投入大，使得其发展受到制约。电力推进与传统柴油机推进相结合的船舶综合推进模式通过变频器能够对复杂工况或者靠岸进行转速的有效调整，从而使能量转换更加合理，能源利用率更加高效，因此有必要对电力推进综合系统进行研究，达到改善环境污染，提高能源利用率的目的。

1电力推进技术简介

通过电动机作用于螺旋桨来推动船舶运动的装置称为船舶电力推进装置。近年来，现代电力电子技术、变频技术以及大功率电机制造技术得到飞速发展，使得船舶电力推进技术具有更加广阔的应用空间。目前，船舶推进装置的主要发展方向为现代电力推进技术与传统柴油机推动相结合的新型船舶推进技术。

船舶电力推进装置的基本组成部分为螺旋桨、发电机、原动机、电动机以及控制调节设备等[1]。船舶电力推进装置简图如图1所示。

原动机一般由小型柴油机组组成，柴油机组转动生成的机械能经发电机G转变为电能传输到船舶电站由其统一调配。船舶电站中的一部分电能传输给推进电动机M，推动电动机将电能转换为机械能带动驱动轴转动，传动轴将机械能传递给螺旋桨J，推动船舶运动。控制设备K可以是一般的机旁控制台或其他控制设备。

Y：原动机；G：发电机；M：电动机；K：控制设备；

2当前电力推进技术发展

2.1吊舱式电力推进系统

吊舱式推进器(也称POD推进器)是吊舱式电力推进系统的主要组成部分。舱式电力推进系统的主要特点是将推进和操舵装置集于一体。吊舱式推进器的推进电机放置于船舱外部，推进电机直接与螺旋桨相连，可以在360°平面内水平转动从而实现矢量推进。吊舱式推进器主要包括驱动电机、水平转动机构、螺旋桨和冷却装置等。螺旋桨与驱动电机直接连接，驱动电机多选择永磁电机。

吊舱式推进器使得电力推进的优越性得到了更充分的体现。吊舱式推进器的使用不仅增加了船舶设计、建造和使用的灵活性，而且使得船舶装机功率减小，船舶运转环境更加舒适。但是吊舱式推进器也具有局限性，比如吊舱与螺旋桨轴毂的密封困难，传递的最大功率等级低，维护保养复杂，故障发生率高以及较高的初次投入成本等。双电机型吊舱式电力推进系统如图2所示。

图2　双电机型吊舱式电力推进系统

2.2超导电磁推进系统

超导电磁船是一种新型的现代船舶，设计时主要取消了传统船舶的螺旋桨与舵装置。超导电磁船的船型和普通船舶没有任何差异，只是对其内部构造进行改造以符合使用要求。船舶行驶过程中，在超导线圈上通过强大的电流来使船舶周围的海水产生超强磁场。当海水产生强大磁场时，由于海水的导电特性，设置在海水中的电极形成通电回路使海水带电。在强大的磁场下，带电海水产生电磁力使海水运动。电磁力的反作用推动使船舶获得前进的推力。1980年，美国率先完成了300 kW电磁推进船海上试验，制造出2 250 kW的船舶样机。1985年，日本成立 “超导电磁推进开发委员会”开发超导电磁推进船[2]。1992年，世界第1艘载人超导电磁推进船在日本试航成功，标志着超导电磁推进技术进入实用阶段。

3综合电力推进系统研究分析

柴油机具有功率范围广、重量轻、经济性好、尺寸小、外加负荷变化迅速、附属设备少等诸多优点，使得近一个世纪以来成为主要船舶动力输出。但随着世界经济的发展以及现代航运法规的制定，以柴油机为主要动力的船舶缺点也显现出来，比如低速下燃烧不充分导致环境污染和经济性较差以及过载调速性能低，船舶工作环境因为主机的振动和噪声变差，其排除的废气含有大量有害物质(如NOX、SOX和CO2等)。

电力推进作为船舶推进动力，使得船舶航行效率和可靠性大大提高。电力推进采用先进的电力电子技术提高了整船自动化程度，降低了船舶运行的故障率，因此电力推进系统成为倍受大型船舶青睐的主推进系统。但电力推进也有其不足之处，如价格昂贵，系统设备复杂，变频器和变压器等存在中间功率损耗。

综合电力推进装置可以发挥柴油机推进和电力推进2种动力推进方式的综合优势，既能解决船舶工况复杂，对船舶推进功率和定位能力要求差异大的特点，又能提升船舶使用的经济性、机动性、可靠性以及定位能力。

3.1综合电力推进系统介绍

综合电力推进系统可以根据实际用电情况选择运行发电机组合，这样可以有效避免系统运行过程中自始至终均使用全部发电机并且使得船舶电力在一个最大的利用效率又能够保证给用户提供持续、稳定、不间断的电源，保证了船舶航行以及船员生活、工作所需。系统采用直流微电网配合变频器、整流器，完成全船开放式多能源电力系统动态协调控制和保护技术，实现船用电源(交流)AC/(直流)DC、DC/DC、DC/AC的组合式转换，能够满足不同环境下电能的生产及储存，保证了船舶供电驱动系统的稳定性。开放式多能源直流母线供配电驱动系统电力，驱动电机易于调节，不用齿轮箱装置，直接操纵螺旋桨。驱动电机不需要机械联结，只需要电气联结，因此发电装置可以安装在船上任何地方，例如安装在螺旋桨轴上方，这样可以使机舱紧凑，空间得到合理应用。综合动力推进系统如图3所示，图中SG为轴带发电机。

图3　综合电力推进系统图

传统的船舶推进系统由纯柴或纯电驱动。纯柴动力在机舱布局、柴油机效率、节能减排及维护等多方面存在局限，而纯电推进受制于成本及制造技术，虽有柴电混合推进，但其纯电模式并非主要推进方式。本供配电系统采用先进的直流微网供配电系统，以蓄电池、超级电容、同步发电机作为主能源，可接入风能、光伏以及岸电作为辅助能源，动力装置采用电动机与柴油机共同或各自单独驱动，解决了船舶低速时柴油机运行效率低、排放高的问题，甚至可以达到港内零排放要求。系统采用国内最新变流变频技术，实现了能量的双向转换、柴电匹配无缝连接。无齿轮箱船舶电力推进综合

系统的研发，符合当前及未来先进推进技术发展趋势，对实现节能、环保、绿色和智能航行非常必要。

3.2BOOST升压与直流升压综合方案

直流升压属于典型的DC/DC升压类型。直流升压就是将电池提供的较低的直流电压，提升到需要的电压值。其基本的工作过程都是：高频振荡产生低压脉冲——脉冲变压器升压到预定电压值——脉冲整流获得高压直流电。本系统利用BOOST升压配合DC/DC直流升压组成混合动力可节约40%的燃料，系统原理如图4所示。

图4　变频升压原理图

图中，左边为升压变频器，将母线电压升高，更其他设备使用。右边为充放电变频器，控制电池组的充电和放电。设备运行变频器消耗功率较小时，充放点变频器将发电机组发出的电充入电池组；当设备运行变频器消耗较大时，由充放电变频器控制电池组放电，和发电机一起给变频器使用。电池组的使用，节约了成本，保证了电力使用的最优化。

4结语

本文对于船舶综合电力推进系统的电力系统和动力系统以及系统配置进行了分析。作为船舶主动力系统的综合电力推进系统效率高、性能可靠、自动化程度高，定将成为现代大型船舶首选的主推进系统。对于船舶综合电力推进系统，国外已有类似产品处于摸索阶段,而国内尚属空白。新型综合电力推进系统的使用能够使得节能减排指标不小于25%并且比同类系统成本降低30%，体积下降50%。随着国产变频技术的提高，国产变频器已经达到国际领先水平，打破了国外技术的垄断，使得造船业中大量使用变频器成为了现实，中国现代船舶综合推进系统也将进入一个新的阶段。该系统不仅在性能上优于其他电力推进系统，而且在经济性能上也更加出色。

参考文献：

[1]莫荔，林叶春. 船舶电力推进概述[J].科技视界，2012(28)：154-155.

[2]芮江，由大伟. 舰船综合电力推进技术的现状与发展趋势[J].舰船科学技术，2010，32(4)：3-6.

[3]张平，陈涛.舰船综合全电力推进系统相关标准研究[J].船电技术，2009(7)：73-74.

收稿日期：2016-03-26

作者简介：陈峰(1975—)，男，工程师，轮机长，从事海工船舶轮机与电气自动化管理与运营研究工作。

中图分类号：U665.13

文献标志码：A