船舶电力推进系统的现状与未来.pdf

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1、船舶电力推进系统的现状与未来船舶电力推进系统的现状与未来汤天浩上海海事大学2009.3内 容 提 要内 容 提 要 引言 历史回顾船舶电力推进的发展 现状船舶电力推进的主要形式 未来全电船的提出与发展 新能源船舶与我们的研究工作 结束语1.引 言引 言 发展背景 问题与挑战 研究背景自世界上第一艘以蒸汽机为动力的船舶问世以来，以热机（比如：柴油机、汽轮机以及燃汽轮机等）为动力直接驱动螺旋桨的机械推进系统成为目前船舶推进的主要方式，在船舶动力装置中占据了主导地位。问题与挑战（1）船舶内燃机机械推进系统仍存在噪音大、调速范围小和灵活性差等问题难以解决。与机械推进系统相比，采用电动机直接驱动螺旋桨的

2、船舶电力推进系统则具有调速范围广、驱动力矩大、易于正反转、体积小布局灵活、安装方便、便于维修、振动和噪音小等优点。（2）特别是近年来，随着电力电子器件、变流技术、传动控制系统以及新能源和新材料等高新技术的飞速发展，船舶电力推进系统正在经历着巨大变革。而船舶电力推进系统作为大功率电力传动控制系统的重要应用领域之一，却由于其专业的特殊性未得到应有的关注和重视，致使国内在这方面的研究与国外先进水平的差距更加明显。（3）随着全球石油资源的耗尽，内燃机将逐步退出历史舞台，人们必须在石油没有用完的约60年时间内找到新的能源及其动力装置。这是人类在进入21世纪所面临的巨大问题和挑战之一，因此，人们一直在努力

3、寻找能源利用效率高、不污染环境并可以再生的新能源及其利用方式。本文试图从系统结构、变流模式、控制方法和电力电子器件的应用等方面综述船舶电力推进系统的历史、现状与发展，并在此基础上，根据作者多次参加国际合作和交流的体会，提出了船舶电力推进系统未来发展中值得重视的一些问题，以便同行研究借鉴，并希望有更多的学者关注和投身到电力电子与传动控制这一新的研究领域中来。2.历史历史回顾船舶电力推进的发展回顾船舶电力推进的发展 船舶电力推进的历史可以追溯到1860年，世界上第一艘以蓄电池为动力，电动机直接驱动的电力推进潜水艇投入使用。进入20世纪，大部分潜水艇都采用电力推进方式。常规潜水艇在水面航行时由柴油机

4、发电机组给蓄电池充电，并向电动机供电驱动船舶；在水下航行时由蓄电池供电，电动机驱动船舶。核潜艇则采用原子能发电，电动机驱动的推进方式。20世纪20年代，美国建造的6艘Mexico级战舰（40000HP）和2艘航空母舰（180000 HP）都采用了汽轮机发电机电动机驱动模式的电力推进系统。在第二次世界大战期间，仅美国就建造了300多艘采用柴油机发电机电动机驱动模式的战舰和运输舰。此后，在破冰船、科学考察船以及其他特殊用途船舶上也陆续装备了电力推进系统。在此期间的船舶电力推进系统一般采用Ward-Leonard直流调速系统，即G-M系统。70年代晶闸管变流装置取代了Ward-Leonard变流装置

5、，成为船舶电力推进系统的主要调速方法。自80年代以来，随着电力电子器件的不断进步，采用可关断半导体开关的交流调速系统正在逐步取代晶闸管直流调速系统，成为目前船舶电力推进系统的主要调速方式。在这期间，80年代的电力推进系统采用交直交变频器供电，感应电动机或同步电动机驱动的交流调速方式，90年代开始采用交交变频器供电，同步电动机驱动的交流调速方式。历史的启示历史的启示从船舶电力推进系统发展的历史轨迹可以看出，其每一次进步和突破都与电力电子技术与传动控制系统的发展基本同步和密切相关。但由于船舶电力推进系统大多用于军事或特殊场合（虽然目前在大型渡轮和豪华客轮中有所应用），因此，这一重要的应用领域并不被

6、广大从事电力电子与传动控制研究的学者所熟悉。3.现状现状舰船电力推进的主要形式舰船电力推进的主要形式 系统结构 驱动模式 调速方法 控制策略 系统举例船舶电力推进的基本结构：电动机拖动螺旋桨3.1 系统结构系统结构电力推进船舶的优点 使用高速不可逆的热力发动机，降低了船舶动力装置的重量和体积；可以方便的通过发电机连接获得所需的大容量供电，并提高了系统可靠性；允许选用船舶推进器的最佳转速和直径，缩短了连接轴的长度；在中、低速航行时和船舶经常停止开航时，有较高的经济性能；电力推进船舶的优点 可以获得所需的推进电机机械特性，满足不同航行条件要求；控制简单、机动性好；可以消除推进螺旋桨对热力发动机的振

7、动和冲击。3.2 驱动模式驱动模式 船舶电力推进系统分类 多台电动机联合拖动方式 船舶电力推进系统分类（1）变速电动机拖动定距螺旋桨（FPP）驱动模式，（2）定速电动机拖动变距螺旋桨（CPP）驱动模式，并根据船舶驱动所需的功率可选择一台电动机单独拖动或多台电动机联合拖动的方案。多台电动机联合拖动方式又可分为串联驱动模式或并联驱动模式。（a）为单桨双机串联驱动模式；（b）为单桨双机并联驱动模式；（c）为双桨双机串联驱动模式；（d）为双桨双机并联驱动模式。几种船舶电力推进模式MMPMMMPMMMMMPMM(a)(d)(c)(b)Shaft propulsion on LNG carrierShaf

8、t propulsion on LNG carrier?电动机与螺旋桨舵桨和一成为目前船舶新的推进方式。这种分散驱动新模式的优点在于：推进器360旋转，可以在任何需要的方向产生推力，不需要舵和侧推器，极大地提高了船舶的操纵性和机动性；减少驱动系统（电动机和变流器）的单机容量；去除了尾轴、减速器和舵机等，简化安装和节省船舱空间，使船体设计和空间布置灵活；降低船舶振动和噪音；减少船体阻力5-10%，提高运输效率15%（包括：提高航速、降低油耗和减少造价）。与柴油机推进相比，电力推进增加了货舱容量5-15%more cargo capacity例如：西门子吊舱式电力推进器SSP 电动机直径减小40%

9、；电动机效率达到98%；总效率提高20%。例如：ABB的CRP Azipod推进器 燃油消耗减少20%；往返时间缩短25%。3.3 调速方法调速方法 目前，由于电力电子变流器的广泛应用，船舶电力推进系统一般采用可变速电动机拖动FPP的驱动模式。如图所示，常用的船舶电力推进系统的调速方法有4种：调速方法MACMACDCACDCMPWMDCMAC(a)(c)(d)(b)（1）直流调速系统采用晶闸管整流器供电的直流调速系统。这种电力推进方式由于受到直流电机换向器的限制，其功率不能超过5MW。而且，由于直流电机的电刷和换向器经常需要维修保养，并容易出故障。因此，目前已不再选择这种调速方法。为解决上述问

10、题，近年来永磁电机得到发展，但因其功率更小，只能用在小功率的船上。（2）基于循环变流器的交流调速系统采用交交变频器供电的交流调速系统。在船舶电力推进系统的应用中，一般主要选择同步电动机作为驱动电机。这是因为同步电动机的气隙较大且具有较高的鲁棒性，加上发电的同步发电机与拖动的同步电动机的结构相同，在大功率的应用场合更易匹配。此外，循环变流器的低频大功率特性，使采用循环变流器供电的同步电动机调速系统更适合于需要低速大转矩的船舶电力推进应用场合，比如需要零速大力矩的破冰船。(3)基于同步变流器的交流调速系统采用同步变流器（交直交电流源逆变器）供电的交流调速系统。由于系统在网侧和负载侧都采用晶闸管自然

11、换向的变流方式，因此只能选择同步电动机作为拖动电机。这种同步变流器与同步电动机组合的电力推进方式，由于其简单可靠，成为除破冰船之外，所有船舶都适用的选择方案。（4）基于PWM控制的交流调速系统采用PWM变频器供电，异步感应电动机拖动的交流调速系统。虽然，该方案被公认为无论是系统性能还是经济指标都很好的电力传动控制方式，但却很少在船舶电力推进系统中应用。其主要原因是因为PWM变频器需要可关断器件（比如：BJT、GTO、IGBT或MCT）作为功率开关，但目前这些器件与晶闸管相比，电流容量和电压等级较低，如果用于船舶电力推进系统，需要将许多开关器件串联或并联起来，从而增加了电路的复杂性并降低了系统的

12、可靠性。表1 常用变流装置与应用范围1-2%1-2%5-7%1%转矩脉动1-100%1-100%10-100%5-100%调速范围16/20MW0.3/10MW4/16MW0.5/8MW电机功率2000/6000V2400/3600V1100/4000V400/1100V电压定级同步电动机感应电动机感应电动机同步电动机感应电动机驱动电机晶闸管GTO晶闸管IGBT电力电子器件循环变流器交直交逆变器同步变流器PWM逆变器Drive Technology Map(Indicative)Drive Technology Map(Indicative)3152000P(kW)U(kV)270005000

13、60004000030000Motor Voltage1.02.41.54.56.03.3Motor Power900010000160006.91.8Cyclo-convertersCSI690VSIIGBT!VSI:Voltage Source Inverters with PWM or DTCCSI:Current Source Inverterswith Thyristors Cyclo:Direct Converterwith Thyristors!VSIIGCTor IGBTLVMV3.4 控制策略 Scalar control Control of the output freq

14、uencyVector control Control of the amplitude of each phase according to the motor positionDirect Torque Control Control of the amplitude of each phase according to a mathematical model of the motor QUEEN ELIZABETH 2(QE2)CRUISE SHIP DIESEL-ELECTRIC PROPULSION SYSTEM Simulation and Control DiagramSpee

15、dcontrolPITorquelimitationSpeedlimitationSpeedreferenceTorquereferenceTorquecontrol loopSpeedTorquereference11+TsTorque1J sMotorinertiaKpTiS(1+Tis)Loadcurve3.5 系统举例 目前最先进的电力推进船Queen Mary 2 Queen Mary 2 150,000 gross tons 345 metres long 72 metres high 2,620 passengers 1,253 Crews Cost:$800 million d

16、ollars Top Speed:30 knots Power:157,000 hp Propulsion:21.5 MW4pods(2 fixed and 2 azimuthing)Queen Mary 24.未来全电船的发展 全电船的概念 全电船的组成及关键技术 全电船的特点 全电船的实验系统4.1 全电船的概念“All electric ship AES”顾名思义：船舶的全部设备或绝大部分设备需要用电或采用电力传动。例如：美国海军计划到2011年推出新型驱逐舰DD(X)其系统组成为：集成电力系统（IPS）功率：78MW 电力推进系统 先进的多功能雷达系统 超强微波防卫系统“死光”（Let

17、hal lasers）武器系统 电轨枪炮（Electric rail guns）系统 舰载飞机的电磁发射和回收系统 舰载飞机的电磁发射和回收系统构想图4.2 AES的组成及关键技术 驱动电机与传动系统驱动电机与传动系统 原动机原动机 配电系统配电系统 能量存储能量存储1.驱动电机与传动系统驱动电机与传动系统 采用传统的直流电动机、交流感应电动机和同步电动机构成电力传动系统，技术成熟便于设计，但技术已接近其潜力的极限；永磁电机（PM）采用永磁材料提供励磁，省去了励磁绕组，可减少电机尺寸和提高效率，但PM设计仍不成熟；ALSTOM先进感应电机（AIM-Advanced Induction Moto

18、r）传动系统是当前最先进的舰用电力推进系统的解决方案，也可应用于商用船舶；超导电机利用超导材料的低温超导特性，在改善电机的重量、尺寸、成本和效率方面有很大潜力，但仍处于早期研制阶段。7MW双绕组同步电动机 两个6.6KV变频器和变压器分别供电超导电动机 还有许多其他的电力传动系统方案可供选择，比如：同步变流器和交交变流器能够提供船舶电力推进所需的功率密度；例如：ALSTOM研发15相20MW的AIM采用3路PWM变流器，每路PWM变频器给5相绕组供电。2.原动机原动机 柴油机被证明技术成熟，并具有市场竞争力，但高功率密度需要高速柴油机（大约1000转/分）；汽轮机可以提供大功率和高功率密度，但

19、造价昂贵和效率低。不过，若采用先进的循环气体技术，可以大大改善汽轮机的效率，比如：21MW的Rolls-Royce WR21型汽轮机。值得注意的是AES可以根据电力需求选取原动机的类型，更可以选用不同类型和功率的原动机组成混合电力系统，达到系统优化的目的。3、配电系统、配电系统 配电装置必须满足船舶环境的特殊要求，特别是满足舰船撞击和震动标准，并考虑由于大量使用AC和DC功率变换器，其谐波对高压配电系统安全的影响等问题。Integrated Power System(IPS)SSIMSSCMSSCMPSPulsed LoadPulsed LoadSMSSCMSSCMSSCMSSCMMCCPLZ

20、one 1ACBusACBusZone 2Zone 3Starboard DC Distribution Bus PrimeMoverPrimeMoverPropulsionConverter PropulsionConverter PropulsionLoadPropulsionLoadPropulsionInduction MotorPropulsionInduction MotorIMIMPS4.能量存储能量存储这是AES概念应用于战舰的特殊要求：大量电力集中使用时，比如：电磁武器系统在作战使用；当电力装置发生故障和毁坏时，可以维持船舶的核心功能。蓄电池超级电容飞轮转盘4.3 全电船（A

21、ES）的特点 螺旋桨的传动轴直接由电动机驱动，缩短了传动轴，省去了传动齿轮箱，可以静音运行，并提高了可靠性和减少维修；可以优化配置原动力装置；可减少原动力装置的数量、尺寸和运行时间，只用通常发电装置提供船舶推进和其他用电，这样可以极大地减少船舶的造价和提高船舶的运行效率；分布式集成系统具有高度自动化，可方便的实现系统重构；实现全部电气化可省去液压和空气系统，改善控制性能。DDG-79Displacement9,217 LTLength/Beam509 ft/67 ftDraft31 ftCrew Size 365Flt Dk Dimensions 71 ft x 57 ft(fwd)44 ft

22、(aft)Freeboardat hanger13 ft at transom16 ftDD(X)Displacement14,064 LTLength/Beam600 ft/79 ftDraft28 ftCrew Size150Flt Dk Dimensions 150 ft x 51 ftFreeboard22 ftDD(X)to DDG Comparison4.4 全电船的实验系统ESTDElectric ship Technology Demonstrator 原动机：21MW的Rolls-Royce WR21型汽轮机 4MW的Typhoon型汽轮机 发电机：4.16kV，60Hz，3

23、600转/分 电动机采用AIM：20MW，0-180转/分，15相绕组 变频器：VDM25000 ZPSU提供300kW低压电源：AC：440V/60Hz，115V/60Hz，115V/400Hz DC：220V，24V 电能储存：5个飞轮系统提供200KW，4分钟 2个1MW Flow Cell供电10分钟ESTD系统四象限Robinson曲线5 新能源船舶与我们的研究 AES的问题 新能源船舶的进展 我们的研究5.1 AES的问题 实现全船电气化，需要解决的主要问题是：电力系统的发展和革新。新能源是发展方向5.2 新能源船舶的进展 风力发电方式 太阳能供电方式 燃料电池供电方式 新能源在船

24、舶中的应用5.2.1 船舶风力发电5.2.2 太阳能电动船5.2.3 燃料电池电动船原理瑞士的Jean-Franois Affolter教授于1999年把燃料电池应用小型游船上。Hydroxy100,propelled with a 100 W PEMFC power pack技术参数：输出功率300W（PEMFC）；长6米；宽2.5米；重120公斤；速度1012Km/h；乘客2名。PEMFC 300W propelled boat美国加利福尼亚州旧金山海湾水运管理处（WTA）2003年设计了在旧金山海湾往返的混合燃料电池摆渡船。2005年开始制造，计划在2006年初下海通航。燃料电池摆渡船设

25、计参数：船长23米；速度12节；乘客49名；总重约21吨?燃料保存系统：压缩氢气100Kg?发电系统：Ballard公司120 KW的氢气燃料（PEMFC）发动机两套，输出直流250470VDC?辅助电源系统：6 KW燃料电池（PEMFC）?DC/DC变换系统：输出直流350VDC；?能量存储系统：铅酸电池；?DC/AC变换系统：输出3相480VAC；?电力推进系统：通用公司200 KW的460VAC交流电机及推进器两套。德国霍瓦茲船厂于1990年研制世界上第一台装备燃料电池的212级潜艇。经过改进后研制了212A级潜艇，在2003年U31开始下海航行。使用了9组燃料电池，每组组燃料电池的输出

26、功率为34千瓦，总功率306千瓦。U31船长55.9米，宽7米，水面航速为12节，水下航速20节，可以在水下持续潜行3周。5.3 我们的研究船体结构与系统结构燃料电池系统电源变换系统电能管理系统电力推进系统燃料电池实验船基于燃料电池的船舶结构图蓄电池（阀控密封铅酸电池）氢气瓶（70 升20MPa）燃料电池船长：4.8米型宽：1.8米型深：0.8米基于燃料电池的船舶控制结构图电池燃料电池电力推进系统PLCIPCMODBUSRS232 燃料电池系统 电源变换系统电力推进系统研究内容 在新能源供电系统的研究中，主要研究燃料电池的控制、变换和管理等技术。在船舶电力推进系统的研究中，将研制基于DSP控制

27、的永磁直流无刷电机调速系统，或交流同步电机调速系统，并应用于船舶电力推进。研制在船舶条件下使用的新能源集成动力系统和控制系统。关键技术（1）DC/DC和DC/AC变换技术软开关技术、PFC、SVPWM技术、DSP控制等；（2）新能源系统及PMS技术燃料电池系统的安装调试，电能分配、优化和安全控制等；（3）系统集成技术系统构成、状态监测和控制；（4）船舶电力推进系统及其控制；（5）试验船舶的建造、安装和试验等。燃料电池实验船“天翔1号”燃料电池试验船于2005年11月在上海市第6届国际工业博览会上正式亮相，宣告中国第一条燃料电池电力推进船的诞生，填补了国内空白，并达到国际先进水平。教育部赵沁平副

28、部长、上海市主管科技的严隽琪副市长以及市教委的领导专程参观了试验船，并给于高度评价。上海的主要报刊和电视台作了相关报道。实验船参数 游艇为全玻璃钢材料船体结构、敞开式游艇外型、燃料电池为动力、电力推进挂桨机的试验艇。总长4.7m，型宽1.17m，吃水0.25m，排水量700kg。控制面板上有相关的仪表及电脑触摸式显示屏，配备了GPS系统。艇的后舱设置燃料电池堆及动力源氢气钢瓶，后舷装备一台舷外电力推进挂桨机。氢气钢瓶的容量为50L，可连续航行约3小时。设计航速约为7km/h，实际航速约7海里。试验船在上海市第6届国际工业博览会上正式亮相结论与展望基于新能源的船舶电力推进系统作为电力电子与传动控制的重要研究领域，一方面正期待着电力电子与传动控制技术的新突破和新进展；一方面也为本学科的发展提供了一片可以施展才华的广阔天地。我们将不断进行探索和研究，希望在不久的将来取得突破和成功，为中国添光彩。谢 谢！