船舶电力推进技术发展现状分析

曹建峰

摘 要：船舶电力推进技术的发展主要经历了以下几个过程。1833年，第一艘电动实验船诞生，但是受制于当时的技术障碍一直没有很好的应用。二战期间，由于关键技术的突破，船舶电力推进技术逐渐应用于军舰、破冰船、挖泥船等特种船舶。自上世纪80年代以来，大功率交流电机变频调速技术的突破促进了船舶电力推进技术的发展。如今，电力推进技术广泛应用于大型油轮、水面战舰、工程船舶和潜艇等各类船舶。电力推进系统是一个集成系统，涉及变频调速、电子自动化、供配电和电机控制等技术，同时包含众多高端工业设备，科技含量高，可反映国家工业生产水平和装备研发能力。

关键词：船舶;电力推进;技术发展

1船舶电力系统简述

船舶电力系统是一个高集成化的有机整体，它主要由一个或多个处于相同监控下运行的船舶电源和与船舶电源连接的船舶电网所构成，负责船舶所有电能的产生、传输、分配和消耗。从上述概念来看，无论容量大小，整个船舶电力系统主要由四部分组成：电源、配电装置、电网和电力负荷。这四个组成部分的组件通过电气连接在一起，从而形成一个统一的整体系统，该整体系统中任何一个组成部分或者某一电气元件出现故障都将对整个电网造成影响，导致整个电力系统的运行出现安全风险，当情况特别严重时会造成重大的损失。因此，研究船舶电力系统具有重要的意义。

2电力推进式船舶电力负荷预测系统硬件设计

2.1船舶负荷预测电路设计

新型船舶系统的负荷预测电路以 S3C2440A 芯片作为核心装置。该芯片与数据存储单元、电能流量控制单元、外接供电单元等多个模块直接相连，且电压互感器、电源互感器2个独立船舶装置可为芯片提供源源不断的电能支持。当船舶系统外接供电装置的输出电压发生改变时，电压互感器、电源互感器中的自动调节裝置会在保证系统稳定运行的前提下，适当控制负荷电子的行进速度，避免电荷紊乱现象的发生。当负荷预测电路中稳定电力电子数量不随船舶航行状态的变化而变化时，可认为系统中的负荷电子数量达到稳定状态。

2.2推进负载接口设计

新型船舶系统的推进负载接口可以实现软硬件模块间的实时数据交换。当船舶系统短期用电量发生改变时，外接供电单元的供电状态会随之发生改变，使系统在一段时间内无法实现电能的平均供应。为解决此问题，新型系统为每个推进负载接口都配备一个额定电压为220V的定值电阻，且该电阻的工作状态不会随着电压、电流等外在条件的改变而产生变化。所有经过船舶推进负载接口的电力电荷都必须满足直流变化规则，且其自身的带电量不能超过定值电阻周围附着的电荷总量。当船舶负荷预测电路中的电子经过电能流量控制单元进入推进负载接口时，外接定值电阻会按照电压的稳定分配比获得一定的工作电压，进而使系统进入平稳的工作状态。

3电力推进系统的技术的发展现状及展望

3.1发电技术

柴油发电技术是一项十分成熟的技术，但产生的废气会造成环境污染。从上世界40年代初开始，人们开始对燃料电池进行研究。燃料电池发电时不燃烧，以氢燃料电池为例，其放电过程不产生任何环境污染。且相较柴油机，结构更为紧凑，没有运动部件，无噪声，大大提高了发电的效率和可靠性。燃料电池按电介质划分有六类：固体氧化物型燃料电池、固体聚合物燃料电池、熔融碳酸盐型燃料电池、磷酸盐型燃料电池、碱性燃料电池和生物燃料电池。燃料电池产生直流电，但也可转换为交流电。但对于大功率燃料电池，所需费用较高，仍需进一步研究。

3.2推进电机技术

推进电机是电力推进船舶的关键组成部分，是系统中重要的动力源。电机有同步电机和异步电机，同步电机在转矩扰动的承受能力上优于异步电机。电机在工作时所受工况变化复杂，而同步电机可以根据海上风浪造成的转矩变化做出迅速的反应，且在很宽的转频范围内可保持稳定运行。随着永磁材料性能的不断提高和发展，永磁同步电机朝着大功率（高转速、高扭矩）、高性能、微型化的方向发展。永磁电机优点有：①永磁电机中的转子无传统推进电机的铁芯和励磁系统，减小了电机体积和重量;②减小了系统铁损和铜损，提高了系统运行效果;③电机磁性恒定，电磁转矩与电枢电流正相关，可通过调节电流实现电磁转矩的调节和控制，操作简单。

3.3谐波抑制技术

半导体器件的发展助推了船舶电力推进技术的发展，半导体器件在电力推进系统中的主要目的就是改变电流。在变流过程中，输入、输出侧的电压和电流都会产生畸变，产生大量谐波，使原本正弦电压和电流产生畸变，降低电网电能的质量，增加功率损耗，降低船舶运行的安全性，还会不同成都损害设备。因此研发谐波抑制技术对电力推进系统的应用和发展有十分重要的意义。实际应用的谐波控制技术主要有：①增加谐波滤波器;②将电流机组进行转换，是系统中的旋转变流机单独作为电力推进系统的供电设备，将谐波产生源与其他设备隔离，减少谐波危害;③增加系统脉动数量，主要内容是增加变频器整流和逆变中的脉动数量，对谐波进行有效控制。

3.4带储能单元的电力推进系统

海洋环境复杂多变，推进系统负载变化，若偏离最佳功率点则造成燃油燃烧不充分，降低燃油消耗率，同时增加排放，能量储存技术是解决该问题的有效方法。储能设备具体作用是：低负荷储能，高负荷供能。储能技术在电动汽车方面已经有了良好的应用。其实现可以利用超级电容技术和锂电池技术。

（1）超级电容技术。超级电容也被称为双层电容器，是一种拥有高能量密度的电化学电容器。超级电容的电解电容比同等体积的标准电池的高五个数量级，具有高电流容量、寿民长、温度范围广、环境友好、维护保养容易、容易监控状态的优点。但目前仍面对端电压变化大、价格昂贵的技术难题。

（2）锂电池技术。锂电池技术依靠金属离子在正极和负极之间的移动来工作。锂电池具有能量密度高、单体电压高、自放电率小、输出功率大的优点。目前需解决的问题有：①成本高。主要是因为正极材料价格较高，随着材料技术的发展，替代材料有望大大降低锂电池成本;②必须有特殊的保护电路，防治过充和过放;③与普通电池相容性差。

4船舶电力系统未来的发展方向

随着电气设备朝着通用化、综合系统化、配置灵活性的方向不断发展，以及计算机技术的飞速进步为船舶电力系统的综合化、集成化、智能化发展提供了强大的技术保障。另外，由于信息技术和总线技术的快速发展，船舶电力系统的网络化和自动化程度也随之水涨船高。随着自动控制理论以及计算机技术的迅速发展，船舶电力控制系统可以引入和吸收越来越多的新的控制方法与技术，可以充分利用计算机的建模优势来进行船舶电力系统的模拟试验，来验证新的控制策略的可行性。通过这种方式，不仅可以节省成本，还可以在特殊条件下利用计算机上模拟各种测试，这有利于船舶电力系统的稳定性的提高，并提升船舶供电质量。

结语：船舶电力推进技术自上世纪九十年代开始在大型民用船舶和舰艇方面得到了广泛的应用，其良好的工作性能得到了广泛认可。随着电力推进各关键技术的不断完善，船舶电力推进技术的发展必然越来越快，同时也将带来巨大的经济和社会效益。

参考文献：

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[2]范啸平，韩龙，邰能灵.电力推进船舶谐波问题及实例分析[J].船舶，2012，23（01）：58-64.