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五、船型与具体方案
在这一节，我们将讲述电力推进方法在一些主要的船型上的应用。这些船型的主要特征是什么，电力推进方案的优势在哪？其中破冰船在这一节省略，因为这种船型之前已经有过介绍，而且我们可以发现有很多的船型具有破冰船的特性，这些船型在下面章节谈到时，那些特性将会被提出。
A 游轮
无一例外，所有游轮都应用了船舶电力推进系统（见图7），因为它是到目前为止，在负荷曲线中能够同时满足低噪声和振动特性的最为经济的方式[10]。随着旅游行业的发展和船舶设计的尺寸和载客量的增加，对于船舶的舒适性，安全性和可靠性，变得非常重要。由于吊舱式推进系统具有效率高，操作性好，噪声和振动小，以及船舱布置灵活等优点，吊舱式推进器在高端旅游行业非常受欢迎。电源和电力推进装置一般是工作在中等电压等级的设备，主配电板则工作在11kV的系统中。11kV的柴油发电机（4台到6台）给主配电板供电，而3.3kV的推进驱动系统(传统的还有现在的)则通过推进系统中的变压器来供电。大部分的邮轮装有两到三个螺旋桨，主要是为了满足电力驱动的冗余要求和最大电力限制要求。由平行变频器控制的双定子电机广泛地应用在最高额定功率范围内，因为变频器的最大限制电流远远比电机小。除此之外，这种方案既保证了冗余要求又减少了电力系统的谐波。吊舱式推进系统大约在1995年进入市场，现在已经是在新的邮轮上使用最广泛的现代推进系统之一了。每个推进器的额定功率大约在20MW，船上安装的全部的发电机可以达到80MW或更多地电力。例如，现在最大的邮轮“魅力海洋号”拥有97MW的电力装机容量分配在6台电机，其中60MW的推进驱动能量分配给了三台负责推进的电机。推进系统变频器采用电压型变频器，而且这些邮轮大部分使用同步电机，因为可以直接通过吊舱或者轴系与螺旋桨连接。有一些邮轮也装备了大型低速异步电机。其中，ABB公司考虑到整体的效率，也采用了同步电机。
图7 邮轮电力推进概略图
B. 动力定位式钻井船
邮轮最主要的就是航行能力，机动性能以及给船上游客提供生活所需能量的能力，然而钻井船设计时，考虑的最主要的性能是保持位置准确，以及按照要求进行钻井工作（见图8）。因此，对于原动机和推进装置就有了不同的要求，而且对于这种船舶，安全性和可靠性操作是关键因素。这类船型为了保持船舶位置的准确性采用了动力定位控制系统（DP）。这类控制系统根本性质是对于不同工况（例如克服环境力量例如风，浪，流）要求不同的螺旋桨速度和推力。因此，这种推进器被设计用来输出最大的推力。每一个推进器在螺旋桨附近都设计安装了一个导管，尽可能地引导水笔直向后流。在航行或变速过程中，导管产生了额外的阻力，因而这个技术仅仅用在需要航速接近于0的船舶上，例如挖泥船。动力定位钻井船有两种基本设计模式，作为一条船，或者一个钻井设备。但是，六推进器及发电机和八推进器及发电机机的电力设备和推进系统非常的相似。动力定位按照不同需求及冗余定义分类的规定，动力装置根据船舶种类和设计要求，可以分成三到八个。通常，一个钻井船有6台柴油发电机，每一个动力装置有一到两台发电机，一个有八台柴油机的钻井船拥有四个或者八个配电板。全部的装机功率一般在40到50MW，目前主配电板的电压等级为11kV。这种船上的推进驱动为690V（低压）或者3.3kV（中压），根据推进器的尺寸不同，推进器驱动功率从3MW（用于操纵）到5.5MW（用于船舶）不等。推进单元一直都是方向型，通过动力定位系统，可以控制推进器向任何一个方向推进。推进器本身可以设计为机械传动，也可以设计为船内电机推进或者吊舱式电机推进。
除了推进系统/推进器装置之外，钻井系统是这类船上最大的电力消耗，包括大约10MW可变速钻井电机。除此之外，事实上这也有利于集中式电站对电力生产的管理。
图8钻井船电力推进概略图
C 近海供应船/工程船
近海供应船（或者工程船）是一类在操作性能，尺寸大小，设计方面与其他船有许多不同的船（见图9）。所以这一小节将讲诉这类船通用特征。这类船小于前面提到的其他船舶，拥有更小的装机功率，一般在10MW左右，但是也有超过20MW的情况。从传统标准供应船舶到现代船舶，像抛锚处理，管层布置，工程船等，每种船的复杂程度不一样。这类船舶主要通过柴油机-电力推进系统，但是也有一些机械推进系统应用到更标准船舶。考虑到动力定位以及灵活性，电力推进是很好的选择，对于电力推进设计，大部分的这类船舶采用690V电压（低压）发电机和配电系统。推进驱动的电压也经常保持在690V，通过不同的变压器实现也可以不用变压器，也有可能采用直流的方式，这些在接下来的小节会讲诉。初装功率超过20MW的最大船舶可能采用中压（6.6kV）的设计。这类船一般包含有两个主要的推进单元，轴系结构或者侧推结构。更进一步说，多个艏侧推装置（以及可能包括艉侧推装置结合轴系推进装置）来实现动力定位操作的要求。通常，这类船舶设计时一定会权衡良好的运输性能和定位性能。
图9近海供应船电力推进概略图
D．液化天然气运输船
液化天然气运输船（见图10）作为最新船型之一，在推进方面做出了很大的改进，将机械推进系统变为电力推进系统[6]。对于长期签约的传统液化天然气运输船，由于它大部分时间都运行在设计的速度下，所以电力推进相比传统推进没有明显的优势。但是，于货物液化天然气的蒸发气体比较容易获取，使用汽轮机作为主要的推进装置也是这类船主要的一种推进方式。液化天然气运输船，顾名思义，装载零下163摄氏度的液化天然气。液化天然气以液体的形式保存在与外界隔绝的罐子里，但是允许挥发，以防罐内压力过大。最简单处理这些蒸发气体是燃烧它们并产生蒸汽提供给推进系统。这种方式没有内燃机的效率高，也就意味着当技术发展到能使内燃机较方便的使用这些气体作为燃料时，利用液化天然气蒸发气体产生电能并且利用电力推进系统成为了一种发展可能。直到现在，大部分的四冲程发电机都可以满足这类尺寸的船舶，但是也有一些二冲程的燃气或混合燃料的发动机被使用在直接机械传递系统里面。
图10 LNG运输船电力推进概略图
另外，液化天然气运输行业在最近几年也有远途运输改为短途运输甚至是现场交易液化天然气。这又使得电力推进受到人们的青睐，由于其灵活性，和在更低速的调节下也能保持较高的推进效率。从这方面来看，未来液化天然气运输船将会发展几种类型的推进方式，电力推进会是其中一种。
液化天然气船推进系统的特点是大部分的船都只有单个螺旋桨和减速器，减速器在螺旋桨与推进电机之间。减速器甚至也用在双螺旋桨当中。体积小于同等低速电机的中速电机因为减速器也可以应用在动力推进系统中。除了这个因素外，液化天然气电力推进器与邮轮船上的电力推进器非常相似，都由配电板分配到两个独立的转换线。这类船舶的正常工作电压是6.6kV。除了推进器之外，存储货物大约需要10MW的能量消耗。这个能量并不是算在推进系统中，于是装机功率大小设计时需要考虑更多，除了要满足船满载时，推进系统的需求，还要满足货物存储的需求。
六、未来船舶技术发展趋势
A新的直流电网方案
直流电网是一个比较新颖和全新的电力分配概念，它采用了交流发电机和交流电机，由于其已知的优良特性，还使得效率提高和空间节省能够进一步的发展。效率的提高主要通过系统的频率不在固定在特定频率（通常在船上是60Hz）来实现，甚至即使频率不是60Hz的电能也能够连接到电网上。这种新式的可以完全自由地控制每一个独立的耗电单元的模式产生了大量优化燃油消耗方式。自从主配电板包括它的发电机和馈线断路器被省略，一个新的保护系统方案被提出。熔断器，独立开关，半导体功率器件的关断控制，三者的结合实现了船上直流电网的正常保护。图11分别采用传统的交流配电和新型的船上直流电网供电方式，展示了机械设备，配电装置，推进系统在一个典型的平台供应船上的布局。
这里有多种方案配置船上直流电网从多驱动方式（见图11a）到完全独立系统（见图11b）。在这个多驱动的方式中，所有的逆变器模块固定在一个或者多个队列上，并且占据和目前的交流主配电板同样的空间。对于分散式系统，每一个逆变器单元可以更自由的放在船上任何一个位置，一般情况靠近独立电源或者负载附近，并且整流器可以集成到同步电机上。这两种方案的共同点是在这个新的概念中交流主配电板和所有变频器转换装置都被省略了。相反，所有的发电设备产生的电能直接或者通过整流器输送到直流母线上，然后将电能分配到用电单元处（见图（12））。每一个用电单元都由一个独立的逆变器单元控制。有些地方仍然需要交流配电网（例如：230V储备负载），它由独立的变频器控制，尤其是给一些对谐波敏感的电路中供电。
进一步来说，变频器可以应用到电网上以便能量存储。能量存储介质，如电池或者超级电容等，能够被用到很多方面，例如平均负荷，功率峰值，实现零排放等，接下来小节会介绍它的用途。首艘配备船载直流电网方案的船舶已经交付，并投入运营。据报道，其中“M/S Dina star”号，动力定位操作比常规操作节省了燃油高达27%。
图11海洋平台供应船（a）传统交流电网和（b）直流电网
图12可变直流电网装置：（a）多驱动方式和（b）能量分配驱动方式
B．能量存储
1）能量存储技术：在近几年人们的关注下，能量存储（ES）和与之相关的技术,不仅在航海业，还在其它很多行业获得了长足的发展。存储的能量作为主要供电源或者与内燃机同时作用（混合动力），有利于提高未来船舶电力推进系统的安全性，工作效率和其它性能。能量存储介质主要分类三大类：蓄电池，超级电容，和飞轮，而前两种似乎比后一个更加常见。需要短时重复充放电和电力密集型的场合一般采用超级电容。电池是除超级电容之外另一种可以适用于能量密集型应用的储能元件。但是，随着电池化学技术和散热技术的不断提高，电池正慢慢地取代了超级电容。除此之外，对于目前发展状态，在船舶电力系统中使用能量储存不论是在经济方面还是技术方面都是可行的。
2）能量存储应用到电力系统中：有三种方式将电力存储整合到船舶电力系统中。根据应用场合不同，每种方式有其独特的优点。
一、通过一个固定的变流器和变压器，连接到交流电网上
二、通过dc/dc转换器连接到转换器中的直流转换环节或者直流配电系统
三、直接连接到转化器中的直流转换环节或者直流配电系统
不论是哪一种方式，控制能量存储装置中的电能的输入和输出的电力电子器件和低压VSI变流系统中的电子器件相同，见图13。
对于电池作为主要电力源，电池可以非常直观的看成传统的发电机，但是也存在其它情况，电池只是用来增强系统的整体性能，它与柴油发电机共同作用，而这种方式受到人们更多地关注，在这种方式中，能量存储系统具有很广泛的功能。如表1
图13.ACS800/ACS880工业LV变频器类中不同变频器变频模块
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符号 |
名称 |
描述 |
目的 |
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旋转备用 |
控制单元与系统连接而且运行但是与系统没有电力交换。 |
切断发电机组 减小工作电机 提高燃油效率 减少电机工作时间 |
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不间断电源 |
与旋转备用功能一样，但是一般是具体用电子系统，例如推进器或者钻进驱动 |
能量存储单元可以通过UPS给全船或者部分电力系统供电 实现更高ERN数量的新方式 电源系统分配更灵活 |
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调节峰值 |
调节单元吸收电网上变化的负载使得电机仅仅检测到系统所需平均负载 |
平衡电机需要输出的能量 补偿需要启用的新电机 提高燃油效率 减少电机工作时间 |
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增加动力性能 |
调节单元吸收突然的负载变化，从而减小运行电机的功率变化。如果峰值调节工作，则这个功能也会工作。 |
瞬间产生功率提供给发电机组 使得更低速发动机的使用可能： 液化天然气/双燃料发动机 燃料电池 |
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备用负载 |
该单元通过充电和放电来优化电机的工作点，降低能量产生成本，顾及能量存储系统 |
用这种方式给能量存储介质充电和放电，用以优化发电机组的工作点 电机工作在高效率处 |
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零排放操作 |
储能单元给系统供电，关闭电机 |
海港零排放 降低电机室噪声 |
表1.能量存储单元功能
C混合推进
推进系统可以分为两类，一类是原动机直接驱动螺旋桨，还有一类是电机驱动螺旋桨。两种驱动系统各有优缺点，采用哪种系统取决于船舶类型和操作。对于某些特定的船型，采用两种推进方式，可以提高整体的能量利用率以及对于紧急情况，采用电力驱动满足冗余要求，提高船舶的安全性。两个系统的合并称之为混合推进。混合船舶推进技术可以通过结合原动机直接驱动螺旋桨和电机驱动螺旋桨这样一种简单的方式来实现（见图14a）。更为先进的一种办法是结
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