船舶電力推進技術發展現狀分析

曹建峰

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

關鍵詞：船舶;電力推進;技術發展

1船舶電力系統簡述

船舶電力系統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控下運行的船舶電源和與船舶電源連接的船舶電網所構成，負責船舶所有電能的產生、傳輸、分配和消耗。從上述概念來看，無論容量大小，整個船舶電力系統主要由四部分組成：電源、配電裝置、電網和電力負荷。這四個組成部分的組件通過電氣連接在一起，從而形成一個統一的整體系統，該整體系統中任何一個組成部分或者某一電氣元件出現故障都將對整個電網造成影響，導致整個電力系統的運行出現安全風險，當情況特別嚴重時會造成重大的損失。因此，研究船舶電力系統具有重要的意義。

2電力推進式船舶電力負荷預測系統硬件設計

2.1船舶負荷預測電路設計

新型船舶系統的負荷預測電路以 S3C2440A 芯片作為核心裝置。該芯片與數據存儲單元、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。當船舶系統外接供電裝置的輸出電壓發生改變時，電壓互感器、電源互感器中的自動調節裝置會在保證系統穩定運行的前提下，適當控制負荷電子的行進速度，避免電荷紊亂現象的發生。當負荷預測電路中穩定電力電子數量不隨船舶航行狀態的變化而變化時，可認為系統中的負荷電子數量達到穩定狀態。

2.2推進負載接口設計

新型船舶系統的推進負載接口可以實現軟硬件模塊間的實時數據交換。當船舶系統短期用電量發生改變時，外接供電單元的供電狀態會隨之發生改變，使系統在一段時間內無法實現電能的平均供應。為解決此問題，新型系統為每個推進負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不會隨著電壓、電流等外在條件的改變而產生變化。所有經過船舶推進負載接口的電力電荷都必須滿足直流變化規則，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。當船舶負荷預測電路中的電子經過電能流量控制單元進入推進負載接口時，外接定值電阻會按照電壓的穩定分配比獲得一定的工作電壓，進而使系統進入平穩的工作狀態。

3電力推進系統的技術的發展現狀及展望

3.1發電技術

柴油發電技術是一項十分成熟的技術，但產生的廢氣會造成環境污染。從上世界40年代初開始，人們開始對燃料電池進行研究。燃料電池發電時不燃燒，以氫燃料電池為例，其放電過程不產生任何環境污染。且相較柴油機，結構更為緊湊，沒有運動部件，無噪聲，大大提高了發電的效率和可靠性。燃料電池按電介質劃分有六類：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。燃料電池產生直流電，但也可轉換為交流電。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

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

3.3諧波抑制技術

半導體器件的發展助推了船舶電力推進技術的發展，半導體器件在電力推進系統中的主要目的就是改變電流。在變流過程中，輸入、輸出側的電壓和電流都會產生畸變，產生大量諧波，使原本正弦電壓和電流產生畸變，降低電網電能的質量，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備。因此研發諧波抑制技術對電力推進系統的應用和發展有十分重要的意義。實際應用的諧波控制技術主要有：①增加諧波濾波器;②將電流機組進行轉換，是系統中的旋轉變流機單獨作為電力推進系統的供電設備，將諧波產生源與其他設備隔離，減少諧波危害;③增加系統脈動數量，主要內容是增加變頻器整流和逆變中的脈動數量，對諧波進行有效控制。

3.4帶儲能單元的電力推進系統

海洋環境復雜多變，推進系統負載變化，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，能量儲存技術是解決該問題的有效方法。儲能設備具體作用是：低負荷儲能，高負荷供能。儲能技術在電動汽車方面已經有了良好的應用。其實現可以利用超級電容技術和鋰電池技術。

（1）超級電容技術。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電容器。超級電容的電解電容比同等體積的標準電池的高五個數量級，具有高電流容量、壽民長、溫度范圍廣、環境友好、維護保養容易、容易監控狀態的優點。但目前仍面對端電壓變化大、價格昂貴的技術難題。

（2）鋰電池技術。鋰電池技術依靠金屬離子在正極和負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，隨著材料技術的發展，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船舶電力系統未來的發展方向

隨著電氣設備朝著通用化、綜合系統化、配置靈活性的方向不斷發展，以及計算機技術的飛速進步為船舶電力系統的綜合化、集成化、智能化發展提供了強大的技術保障。另外，由于信息技術和總線技術的快速發展，船舶電力系統的網絡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的迅速發展，船舶電力控制系統可以引入和吸收越來越多的新的控制方法與技術，可以充分利用計算機的建模優勢來進行船舶電力系統的模擬試驗，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的穩定性的提高，并提升船舶供電質量。

結語：船舶電力推進技術自上世紀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用，其良好的工作性能得到了廣泛認可。隨著電力推進各關鍵技術的不斷完善，船舶電力推進技術的發展必然越來越快，同時也將帶來巨大的經濟和社會效益。

參考文獻：

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