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商用船舶综合电力推进系统的历史、现状
及未来发展趋势
本文主要论述船舶电力推进技术的历史发展过程和该技术在商船上的应用，以及电力电子装置在提高综合电力系统效率方面所起的作用。
作者：简·弗雷德里克·汉森，弗兰克·文特。
[摘要]过去几十年，电力推进作为一种在很多类型船舶上都效率最高的推进装置而开始兴起。虽然在19世纪末期到20世纪初有很多应用电力推进的案例可以找到，但是直到20世纪80年代，随着半导体开关技术在大功率驱动（直流驱动和交流-交流驱动）上的使用，对电力推进的现代化应用才开始发展。电力推进首先是在螺旋桨和推进器的全转速装置上开始应用，可以在机械结构中简单使用。然而，除了电动螺旋桨优于内燃机驱动的螺旋桨的破冰船以外，电力推进相比于具有同等效果的机械装置，具有节省燃料的功能，这是在商船上应用电力推进技术的主要原因。在船舶上应用电力推进具有很多不同的操作模式并且几乎不会在满负荷下运行，它可以根据推进和其他船舶负载的电力需求来开、关控制单元，从而使电站能随时发电且保证原动机柴油机在最优情况下运行，有利于船舶电站运行。破冰船是最早开始利用这项技术的船舶之一，随后，游轮也开始应用这项技术，近海钻井船还开始应用动态定位这一技术。随着整流器技术的快速发展，直流机驱动很快就被交流机驱动所取代。在同期内，电力推进作为大型油轮和采用动态定位的钻井船的基本标准配置兴起，同时也拓展到了其他部分，比如穿梭油船、轮渡和其他特种船舰。同时吊舱式推进系统也被引进，电动机被直接安装在螺旋桨轴上，位于水下并且可以360°水平转动，它不仅提高效率，增加操纵灵活性，还减小了电力推进装置的安装空间及成本。未来的发展趋势主要是通过利用多能源来更好地提高效率，使单个动力源独立运行，为不同设备进行储能，比如建立备用电源，避免用电高峰期，或者无排放操作（在短暂航行中）。
关键词：商船；游轮；钻井船；变频器；破冰船；液化天然气船；海运技术；吊舱推进；船舶电力推进。
1引言
船舶电力推进历史悠久，可以追溯到一百多年前（参见文献[1]和[2]），实际上还不止这么多年。推进器刚开始的主要方式是蒸汽机推进，随后出现了柴油机推进。早期柴油电力推进系统有很多例子，比如1903年研制出的内河油船“汪达尔号”（见图1），它的电站有3个120马力的机组，还配备有传向螺旋桨的电力传输装置。该船的电站是由瑞典的狄赛尔（狄赛尔柴油机有限公司）和阿西亚公司在瑞典建造而成的，船体在下诺夫哥罗德市的索莫夫船厂建造，之后又被运到圣彼得堡进行最后的装配[3]。尽管这个时期有一些案例，但是人们通常认为第一代电力推进的船舶是建造于20世纪20年代的一批船舶。在那个时期，只有涡轮电力装置能满足高功率推进的电力需求。每个推进装置都是由蒸汽机供给电力，发电机不同的转速也会控制推进器转速发生变化。这个时代的一个例子是1935年投入使用的客船“S/S 诺曼底号”（见图2）[4]，它具有4台29兆瓦的同步电动机，每四个螺旋桨轴上配有一个。之后，随着柴油机成为推进系统的直接动力源，就不再需要电力传输装置，直到20世纪80年代，半导体技术开始发展并且开辟了对电动机新的转速控制方式，船舶上才开始真正应用电力推进。
图1 内河油船“汪达尔号”
图2 “S/S诺曼底号”
2现代历史
随着半导体开关技术在大功率设备上作为半导体闸流管和晶体管的发展，它能够根据电压和频率的变化来输入不同的电功率，从而控制电动机的转速。第一代的应用是通过晶闸管整流器控制的转速可变的直流电动机。而且，变频器的发展使对交流电动机进行调速成为可能。无论哪种方式，都使螺旋桨的调速控制独立于发电机操作，这种条件为应用电力推进开辟了新的方式。电站建造要求是具有能提供固定电压和频率的柴油发电机（或者燃气轮机发电机）。在遵守这条规范的基础上，船舶电站应该被设计成像陆地电站一样，能够依赖于拥有多个发电机组的工业电厂，但是船舶电站并没有和电网连接的外部装置。这意味着船舶电站的操作像孤岛配置一样，并且电源与负载之间传输距离很短。电力推进在那些操作过程中会产生大变动的船舶上很受欢迎，以及其它电力负载很大的船舶，比如游轮，破冰船，海上石油和天然气的勘探船。
电力推进受到广泛应用的一个主要原因是有调速控制系统的电动机在额定功率的5%和额定功率下有很高的效率（达到95%），然而内燃机最高的效率只有85%-90%左右，并且在较低负载下运行时效率极度下降，其损失远远超过电力传输所带来的损失。在一个简化的电力推进系统中，电站被分成一些小单元，而不是原来一个提供动力的整体，根据不同的推进模式和电力需求，它可以开始或者停止发电机。这种方式可以确保发电机始终处于最佳负载运行状态，如图3所示。
图3 船舶电站规范，电力推进效率
船舶满载下的电力损失比在部分负载操作时为提高其效率所消耗的损失要大。这种情况到现在仍然存在，但是在20世纪90年代以及21世纪初甚至到21世纪20年代发生了很多变化，有更多关于电力推进的优势被发现。这些不同点将会在本文后面进行讨论和着重阐述。
电力推进除了使破冰船在破冰时具有优良的破冰性能，还使游轮可以用变速电动机作为它的主要推进。除了满足电站的基本要求可以带来好处，设备位置的灵活性也提供了好处。比如内燃机可以安放在最佳位置而不需要考虑与螺旋桨连接的长轴的安放问题。交流电机的第一代现代应用之一是20世纪80年代早期经过改进的“伊丽莎白女王二世”[1]。然而即使安装了交流电机，转速控制仍然受到起动和可变螺距螺旋桨功率控制的限制。但是之后在20世纪80年代“幻想号”和“王妃号”游轮完全采用了配备有固定螺距螺旋桨的变速电力推进系统。在20世纪90年代越来越多的游轮和穿梭油船采用了相同的方式，之后动态定位钻井船也运用了同样的技术，然而整流器类型的选择在电站生产不同设备时是不同的。2000年之后直到今天，这个市场在平稳地增长，并且整流器已经对任意一种推进和船舶型号有不同的标准类型。
A发电和配电
从20世纪80年代直到今天，电站的发展主要是优化其组成部分的设计和操控，比如发电机、变压器和配电板（包括断路器和保护继电器）（见图4）。然而最显著的发展是系统控制和IT技术的应用。一些电站控制系统已经被设计完善，发动机调速器可以调节电网频率（通过控制柴油机转速）和有功功率的分配。自动调压装置控制电网电压和无功功率的分配。在高级控制层面上，电力管理系统监视电站并根据实际情况改变在网运行的发动机数，从而调整不同发电机之间的负载分配。除了控制要求以外，如果电站发生故障，电站必须能被有效保护起来，为了达到这个目的就要求配电板上的保护继电器能通过选择性保护措施确保电气故障被识别和切断。而且为了实现更有效保护，电力管理系统要具有通过高层控制来避免电站全部断电的功能，重载起动时要能监视电站情况，当电站出现大故障时要能减轻负载运行。所有这些早期的控制和保护技术都要基于当时可以应用的技术，即都是在独立的单元里完成操作的。现在这些技术已经向集成化系统发展，通过利用现代数字计算机的基础单位，实现各个组件的交互，从而提高电站性能。
a）发电机 b）配电间 c）变压器
图4 船舶发电和配电装置例子
虽然在实际中陆地应用和船舶应用有相同点，但是电站技术本身对组件和操作有相关的要求，在设计时很多因素都需要被考虑进去。IEC 721-3-6“环境条件的分类——船舶环境”规定在设计海洋设备时气候条件、机械条件和化学物质都要被考虑。海洋船级社（比如挪威船级社，美国船级社，英国劳氏船级社，法国船级社和其他船级社）的要求和规范都包括上述的要求。船舶运动和高振动都要求其具有高强度的机械和结构设计。比如，润滑系统和冷却循环系统必须能够在有几个方向的倾角的条件下正常运行，或者当船舶在大风大浪中行驶时能正常工作，或发生其它突发事件（比如碰撞）引起更大倾角时能紧急起动进行工作。振动情况也必须能够被适应，尤其对最敏感的设备，振动阻尼器也经常被应用。对船舶应用来说，温度和湿度条件也是常常需要被考虑的因素，也就意味着船上的设备必须能够抵抗恶劣的环境条件，与标准化的工业应用相比这些设备的功率会降低。
现阶段，海洋船舶电站发展趋势最显著的特点之一是脱离标准电站转向直流配电系统，拥有自己固定的电压和频率，每一个主要的原动机可以自己独立运行，不依赖于其他原动机。关于这个趋势的更多细节将在后面的章节中详细说明。
B动力驱动系统
正如已提到过的变速电动机驱动如果可能实现，就可以为电力推进开辟新方式，而半导体开关装置的快速发展使变速电动机驱动成为可能。第一代变速装置是在直流电动机上由可控硅整流器控制而实现的，由晶闸管整流器给直流电动机提供电压并且实时给予精确的转矩和速度控制。直流驱动可以进行精确的扭矩控制而不产生大的脉动，但是还存在其它问题和挑战，比如定子与转子通过电刷进行的机械连接就是一个主要的问题。20世纪80年代直流驱动很快就被交流驱动所取代。与此同时，交流电动机的调速控制技术也得到了发展。有一些变化是源于交流电动机的类型，如异步电动机（感应电动机）或同步电动机，其它相关的应用是低速直接推进或者中速齿轮推进。同步电动机与异步电动机从20世纪80年代直到今天在船舶的电力推进系统和推进装置中都占有重要地位，虽然在近十年永磁电机的使用进入商业市场，但是交流电动机仍然是在大多数应用中都优先考虑的解决方式。在20世纪80年代和90年代，异步电动机与同步电动机明显的区别是它们的外观尺寸大小，尺寸是由额定功率与额定转速共同决定的，现在普遍的应用选择是功率低于5MW的系统用异步电动机，功率高于10MW的用同步电动机。功率介于5MW与10MW之间的系统，其额定转速是选择的决定性因素，低至5MW的直接速度推进系统采用指示同步电动机，高至10MW的中速齿轮推进/推进器采用异步电动机。
变频器（见图5）控制交流电动机的转速，因为它们的转速是由输入的频率所决定的。变频器技术从20世纪80年代开始发展，到现在已有20多年，它已经形成了一系列标准化的设计电力推进装置的方式。电压源逆变器（VSI）控制异步电动机，电压源逆变器由整流器，直流连接装置和逆变器组成。整流器（经常采用二极管桥）将固定的频率转化（整流）为直流电压。直流连接电容器组使直流输出电压趋于稳定，给逆变器（也称电压源逆变器）提供稳定地直流电压。通过使用有源半导体开关（绝缘栅门极晶体管或集成门极换向晶闸管），逆变器将恒定不变的直流电压转化为频率和电压值变动的交流电压。在电压源逆变器上首先被使用而且仍然是应用最普遍的转换算法（控制方式）是脉冲宽度调制策略（PWM），它也被广泛地“错误地”当作电压源逆变器技术的同种说法。现在，电压源逆变器也适用了更先进的控制算法比如直接转矩控制（DTC）和在速度/转矩控制上精度更高、反应更快、性能更优良的矢量控制。直接转矩控制在20世纪80年代中期开始发展，到90年代中期被ABB公司商业化使用，从2000年开始在船舶装置上进行使用。
（a）电压源变频器（b）电流源变频器（c）循环变频器
图5 变频器结构
同步电动机的变频器类型使用的是电流源逆变器（CSIs）和交交变频器，它们都是建立在晶体闸流管之上的，与直流机相似，就像其名字一样，这是一个恒流直流连接，负载整流逆变器（LCI）从同步电动机磁场绕组获取能量，这种类型的变频器虽然被称为负载整流逆变器，但它们也属于电流源逆变器。交交变频器是直接进行转换，在直流连接电压在最大值与最小值之间变化缓慢的地方还可以被看作整流器。这种情况就限制了输出频率只能为输入频率的三分之一，也使交交变频器只适用于低速齿轮推进装置。所有这些变频器都有各自的优点和缺点，但是还有一个有利于电压源逆变器的问题，就是二极管桥整流器的使用，它可以向主要的配电板提供恒定的大功率因数（gt;0.95）。基于晶闸管的整流器的功率因数是变动的，它依赖于可控硅触发角，而该角度又依赖于螺旋桨所需要的转速。功率因数小会影响电站的效率，从需要的有功功率的角度来看，这还会导致电站需要比实际情况更多的发电机同时工作。
不可避免地，在2000年时，门极可关断晶闸管（GTO）、集成门控制晶闸管（IGCT）、绝缘栅双极性晶体管（IGBT）和其它类型的半导体开关装置开始在大功率、高电压装置上的应用越来越商业化并具有可靠性，电压源逆变器就成为了推进器和推进系统中的主要应用技术。现在，电压源逆变器是所有海洋船舶电力推进的标准化解决方式。关于海洋应用装置的不同变频器技术的更多细节和解释可以在文献[2]中找到。
在20世纪90年代，吊舱式推进器被引入，提高了电力推进系统的紧密型，最初是用在破冰船和游轮上。现在，吊舱式推进器被更广泛的应用，在后面的章节中将会介绍更多的细节。没过多久，吊舱式推进系统不仅使破冰船破冰性能变得极为优越，也提高了效率，增加了可操作性。
在接下来的内容中，将会介绍更多关于电力推进系统各个装置的细节和船舶类型，将会更注重于现在的应用。最后一章讲述了直流电网系统和能量储存站的发展趋势，以及其它更多有关海洋电气发展的可预见的趋势。
3电力推进解决方案
现在对于不同的船舶类型和操作配置有不同的电力推进解决方案，现有技术的影响，设计及参数的灵活性都会影响最终的最优方案。在最近十年间，电力推进船舶的增长速度是世界船舶增长速度的三倍[5]。游轮，破冰船，动态定位近海钻井船。液化天然气船仍然是现在船舶中的主要部分，但是电力推进技术也逐渐应用在其它类型船舶上。正如提到的液化天然气船一样，这是2003年首批应用的从机械蒸汽推进向电力推进转化的一个非常大的船舶类型[6]。另外其它类型的船舶，比如挖泥船，特种施工船，铺管机，电缆敷设船，穿梭油船，轮渡等船
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