过去、现在和未来，船舶电力系统面临着哪些挑战
摘要
本文从历史的角度介绍并讨论了船舶用电的演变过程。在历史长河中，1880年“哥伦比亚”号上所使用的照明灯泡是电力的首次商业化应用,其后来逐渐发展为在蒸汽涡轮发电机和柴油机的混合动力推进系统上所使用的复杂电力系统，再到2015年，电力的使用的发展带来了世界上第一艘基于电池的全电动海洋船。本文不仅从电力使用的诸多好处出发，还将讨论船舶电力系统出现后所带来的那些挑战，深入探讨电力电子、电池储能、直流电力系统等新型转换技术对整体能效、电能质量和排放水平的影响。本文通过聚焦于对船舶电力使用形式有着巨大影响的各种因素来引导读者感受电力在船舶上的发展。而影响因素主要包括未来研究的需求以及重新审视电能质量、安全、完整性、海洋船舶电力系统的稳定性等。
关键词：船舶电力系统，柴油机-电力推进，汽轮机，电力电子，蓄电池储能，电能质量，谐波
I.介绍
交流感应电动机、变压器和柴油机的发明，在19世纪末20世纪初促使了人们进行新的研究和开发。最早的商用船用电气系统使用记录就是历史上可追溯到19世纪80年代的“哥伦比亚号”( Columbia)上的舰载直流系统。在这一时期，科学家对潜艇、电池、汽轮机和柴油机进行了首次研究。第一次世界大战之前最重要的两项相关发展是1903年的第一艘柴油电力船(Vandal)和1912年的第一艘电力推进海军船(USS Jupiter)。在第一次世界大战之前的紧张局势升级期间，第一批带有涡轮电动推进装置的货船在美国和英国得到构思和开发。第二次世界大战的爆发激励了电力系统的新发展，随之带来了具有涡轮电力推进的T2坦克。20世纪50年代后期出现了核动力船，并且在交流电动机发明70年后，1960年（SS堪培拉）启用了第一个使用交流电的客轮。在1956年至1985年期间，由创新的固态技术引发的电力电子革命标志着船舶新时代的开始——全电动船的时代。因此，女王伊丽莎白二世于1987年推出了第一台柴电集成推进系统。在过去的二十年中，船舶行业目睹了第一批以液化天然气为燃料船舶的发展。2015年1月标志着全电动船时代的开始，世界上第一艘纯电池驱动的汽车和客运渡轮安培被投入使用，并在挪威定期运营。图1引导读者了解1830年至2015年船舶电力系统演变的里程碑。然而，电动海洋船舶的新时代并非没有挑战。接下来，本文重点介绍了海洋船舶发展演变的不同阶段以及电力使用对这一演变的影响。跟随历史发展进程,本文将移步现代电动船推进，讨论向混合交流/直流和纯直流电力系统方面迈进，追求电气稳定性，减少谐波污染，提高海洋船舶类独立的微型电网电能质量、发展电池储能系统，并朝着无排放操作靠拢等系列挑战。针对这些挑战，再提出潜在的解决方案和可能的道路。
II.海洋船舶电气化的早期步骤
在德国的莫里茨·赫尔曼·雅各比（Moritz Hermann Jacobi）发明了一种简单的电池供电的直流电动机之后，在[1]小船上进行了实验。它有许多不完善之处，并且没有采用船舶的电力推进装置。船舶首次成功应用电力是19世纪70年代的枪械射击电路。在弧光灯用于街道和公共场所照明之后，舰船上也开始采用弧光探照灯,利用它探照敌方船舶并失明敌军炮手。为了方便乘客，豪华班轮也配备了呼叫铃[2]。
图1. 船舶动力系统从1830年到2015年发展历史中的亮点。
托马斯·爱迪生和其他人发明白炽灯后，于1880年安装在SS哥伦比亚的客运和货运船上。它包括120个由发电机驱动的灯;整体系统十分粗糙，导线起保险丝的作用，灯的强度只能由发动机室工作人员根据灯的外观调整发电机来调节[3]。尽管如此，它还是导致美国航海局要求安装额外电灯。不久之后，电动机被安装在控制通风和枪支射击的电路中。1896年，布鲁克林号航空母舰配备了80伏直流电气系统，用于操作绞车，甲板机械和炮架[2]。大多数安装的船上电力系统都是直流电，因为交流电（ac）电机不是很完善。第一艘成功的电动船是Elektra，一艘载客量为30人的客轮，由德国公司Siemens＆Halske于1885年建造。长11米，宽2米，由电池[4]供电的4.5千瓦电机提供动力。
A.交流电动机和变压器
在尼古拉·特斯拉(美国)、伽利略·费拉利斯(意大利)和迈克尔·奥西波维奇·多尔维奥·多布朗斯基(德国)等人的研究下，相移导体电感效应的交流电机得以出现于世。它的出现使交流电的应用成为可能。然而，Frank Sprague（美国）和其他公司开发电机时仍倾向于使用直流电机。无论如何，交流研究仍在继续，而美国的乔治·威斯汀豪斯取得了领先地位。他是Ka`roly Zipernowsky，Otto` Bla`thy和Miksa De#39;ri（ZBD）的匈牙利团队，他们的高效闭合核心变压器实现了交流配电，并被Westinghouse采用[5]，[6]。
尽管如此，交流功率因数（由感应和电容电抗引起的损耗后提供的有用功率）的问题限制了商用电力，铁路和船舶的交流电的采用。然而，直流系统更重，更大;因此，为了减轻重量，交流系统被设计用于高达400Hz的频率，但当时的机械变频器很麻烦。虽然在没有现代电力电子控制的情况下它的结构很复杂，而且还受电压和频率变化以及极连接的变化影响。但实际的交流推进在1908年得到了证明。据说交流系统的复杂性使得英国海军保留了直流系统，但是美国在1932年[2]还是采用了交流系统。
B.涡轮电动船
在20世纪初期，英国倾向于开发带减速齿轮的汽轮机驱动系统，而美国则专注于涡轮电动驱动装置的电力驱动装置，并于1908年在额定功率为400轴马力的消防船[1]，[7]Joseph Medill上安装第一台相关装置。四年后，木星USS Jupiter成为第一艘采用涡轮电动推进器的海军舰艇。这是一次实验，该船还包括柴油发动机和直接耦合蒸汽轮机。由于通用电气提供的3,500马力涡轮增压电力系统取得成功，所以海军决定将所有前线战舰转换为电力驱动。木星继而成为第一艘航空母舰兰利号[8]，[9]。
第一艘采用涡轮电动推进器的战舰是新墨西哥号航空母舰。它于1914年推出，配备了一对11.5MW 3000 / 4242伏双电压变频发电机。电动机为4节7500马力24/36极感应电机提供动力，速度可达21节。由于轴巷道较短，因此目标较少，燃料经济性大大提高。虽然通过切换电路很容易实现转换控制，且无需改变蒸汽系统[2]，[8]，但是随之带来的是电动机和控制装置重量的剧增。
第一艘采用新系统的客船是约克镇号，1894年建造于古巴，在1916年沉船事件之后，它在1919年被重新配置为涡轮电动系统[2]，[10]。电力驱动不仅限于美国。在瑞典，造船厂Rederiaktiebolaget Svea于1916年建造了一对货船。其中之一，Mimer，是用蒸汽动力建造的;另一方面，Mjouml;ner，配备了电驱动装置，它由径向流动反应涡轮机动力交流感应电动机通过减速齿轮连接到单轴[11]。两年后，货船SS Wulsty Castle在英国建造，它具有类似的驱动系统。
虽然蒸汽机对于陆基发电很实用，但是燃料消耗的低效率还是促使着人们进行更深的探寻。德国发明家鲁道夫·迪塞尔（Rudolf Diesel）于1892年获得柴油发动机专利，并在瑞典和俄罗斯获得许可。1903年，在Vandal上安装了恒速柴油发动机和电力传动装置。那是一艘在伏尔加河上航行的河流驳船，将煤运到圣彼得堡和芬兰[1]，[2]。
C.潜艇
电力在照明，通信和推进方面的可用性促进了电动船概念的推广。因此，将这一概念应用到潜艇也是合乎逻辑的，因为潜艇动力来源仍然是一个难以实现的目标。在19世纪，人们对水下工艺的概念进行了大量的实验：推进力来源从手动压缩空气到存储压缩空气都试了一遍，甚至还有来自化学反应物的压力。1885年，法国设计师Claude Goubet在一对实验潜艇上引入了电力推进装置。到1900年，法国，美国和英国开始探索潜艇概念，而后两个国家扩大了约翰菲利普荷兰的工作。大多数这些方案都集中在可于地面操作的内燃机和给被水浸没的电池充电[2]，[12]。
D.第一次世界大战和第二次世界大战
在第一次世界大战期间，德国广泛使用潜艇攻击船舶。随后美国，英国和日本进行军备竞赛。20世纪20年代的条约阻止了这种情况，这些条约限制或完全禁止现有船舶的新建或重建，从而有效地阻止技术发展。后续协议继续对海军施加限制，直到日本退出1934年的协议。在后来的军备竞赛上，美国开始建造战列舰。虽然因为担心电力系统在战斗中容易损坏而未采用电力推进，但是同时他们也考虑到更多的重量对于武器或装甲[2]，[13]也是有利的。美国在海军加油机采用电力推进，所谓的加油机就是一种向海上船舶供油的油轮，它最大功率为7,240马力，速度为15节，行驶里程为12,600英里。在战争期间建造了481 [2]台加油机。而在第二次世界大战期间，美国大量建造了各种类型的柴电潜艇。
III.现代电动船推进
20世纪初，在动力转换方面，电流整流器成为机械功率转换的实用替代方案，它既可以作为整流器也可以作为逆变器。20世纪60年代和70年代出现的固态电力电子设备带来了船舶动力系统的显着进步。第一艘带有交流推进器的英国客轮是1960年的SS堪培拉，它配备了三台6,000伏同步电机，可产生85,000马力，是船上安装的最强大的电机，能够以27.5节的速度进行巡航。同时由单独的发电机为非推进负荷提供能量[14]，[15]。
在20世纪80年代，使用电力电子技术来最大化燃料效率成为一种趋势。1984年，Cunard Line重新装备了“女王伊丽莎白二世”系统，配备了九辆德国MAN柴油发动机和一个电动变速器。该系统的设计使得只需要七个发动机组来保持28.5节的设计速度，从而节省了35％的燃料[2]。
电力电子技术广泛应用于平台供应船（PSV）和其他服务船等离岸船舶。动态定位（站点维护操作）系统需要复杂的控制系统来保证专业操作中的定位位置精确度。虽然液化天然气在21世纪初也被采用，但柴油电力推进是大多数船舶的基本蓝图。和蒸汽轮机系统相匹配的核反应堆最初是为潜艇而开发的。1954年的美国海军航空母舰就是第一艘采用相应系统的船，而在1959年第一艘核动力水面舰艇长滩建造完成。同年，第一艘客船和货船，萨凡纳号正式动工[16]，[17]。
船舶开发者在不断提高燃油经济性的同时，也开发了混合动力驱动船。这是一种由燃气轮机直接驱动或由柴油发动机 - 发电机组供应的电动机提供动力，系统根据需要配置以实现燃料效率的最大化。最近出现的燃料电池和电池储能系统（电池储能系统）让船舶可以应用可再生能源。2015年1月，全球首个全电动客运和汽车渡轮MF Ampere上市。它可以容纳120辆汽车和360名乘客，30分钟内便可以从挪威卑尔根附近的Oppedal到达Lavik。船上有一兆瓦的电池容量为渡轮供电。当船舶抵达码头时，电池组便可通过岸电充电。该渡轮由Norled AS运营，是Fjellstrand造船厂和西门子AS [2]的产品。
IV.船舶电力系统的特性和挑战
船舶的电力系统已经存在了100多年，并且历史上的高水平研究和创新将19世纪80年代的船载电力的早期应用发展到了现代电力系统这个程度。现在，船舶电力负荷在不断增加着： 大多数推进系统和辅助负载，例如海军舰船中的武器系统，邮轮中的酒店和服务负载，以及用于海底作业中属于电气类型的站点保持（站点维护操作）系统。通常，动力来自利用例如柴油和/或气体等燃料的原动机，或来自具有涡轮 - 电动配置的核电站。在许多操作模式中，电力系统必须可靠并且具有高水平的幸存能力。海军海上系统司令部很好地阐述了海军动力系统的设计理念[18] - [20]：电力系统设计的主要目的是为了保证电力供应的幸存性和连续性。为确保服务的连续性，应考虑发电机，配电板的数量，大小和位置，以及所安装的配电系统的类型以及隔离或隔离系统损坏部分的适用性。
这种设计理念不仅仅适用于海军舰艇。任何进行危险操作的船舶都适用，例如在海上建筑物附近进行站点维护操作的船舶。或者就一般来说，只要出现任何故障都可能带来高经济或环境破坏的操作船舶，都需要具有高可靠性和幸存性以及电气稳定性的电力系统。在商业方面，船舶应该具有较高的燃料效率，从而将排放（空气污染）保持在最低水平而且燃料成本也随之降低。当今船东和建造商面临的最关键问题之一就是更加严格的排放法规，例如国际海事组织（IMO）MARPOL空气污染法规[8]，[21]。由于这些严格的废气排放法规，许多研究点都集中在诸如排气催化剂，电子注入共轨柴油机和废物能量回收之类的技术上，例如热交换系统等。此外，替代燃料，如液化天然气，也已进入更广阔的市场。可靠性，幸存性，电力供应的连续性，可持续性和效率等属性（和要求）都可以与电力系统的设计，电气稳定性和运行方式相关联。在下文中，我将讨论船载电力系统正在进行的设计趋势，特性和挑战等方面的部分内容。有关最常见船载电力系统设计的详细介绍，请参阅[22]。
A.交流与直流
早期的船载电力系统属于直流型，但随着交流电动机的引入，这种情况发生了变化：交流电成为船载电力系统设计的主流趋势。其中一个原因是早期的直流系统（没有电力电子设备）需要旋转设备将功率从一个电压电平转换为另一个电压电平[23]。交流电力系统是船舶中使用最多的电力系统，但现在，凭借现代电力电子技术和其他技术优势，在船上电力系统中使用直流或交流配电的讨论已经变成了使用交流或中压直流（MVdc）的问题（从[20]，[24] - [26]采用）。
bull;阻抗：由于消除了许多功率转换组件并优化了电缆的使用（仅欧姆电阻），MVdc电力系统能够提供比传统交流电力系统更大的能量动力。直流分布在电力传输中不会产生交流传输中趋肤效应。此外，由于缺乏基频，直流系统没有功率因数。而且根据电压水平和给定的功率水平，所需电缆的重量可能会减小。与直流系统不同，交流系统中有额外增加损耗的无功电流，从而降低了能量输送能力。交流系统中
英语原文共 16 页
资料编号：[5225]
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