杨帆 崔刚 王乐 张元玮
（704研究所）
摘 要：本文介绍了电力推进系统的发展以及在船舶行业的应用，分析了采用电力推进系统船舶的优缺点，并介绍了关键技术电力推进系统国产化的几项关键技术。
1 概述
电力推进是采用电动机械驱动螺旋桨推进船舶运动。电力推进系统一般包括螺旋桨、电动机、变频器、发电机、原动机以及控制系统等。
电力推进根据电流类型分为直流电力推进、交流电力推进和交直流电力推进等形式，目前国内主要采用交流电力推进形式。交流电力推进原动机一般采用中高速柴油机，大功率船舶多用汽轮机或燃气轮机；发电机一般采用交流同步发电机；电动机一般采用异步电动机；推进器多采用螺旋桨。
2 电力推进系统的主要特点
目前大多数船舶仍采用常规推进方式，即原动机通过主轴和齿轮箱直接带动螺旋桨推动船舶航行；电力推进船舶多应用在一些具有高机动性和特殊工作性能的船舶上，主要原因是：
1.1 电力推进船舶的优势
采用电力推进时，螺旋桨可以获得很低的转速，有利于船舶实现机动航行；变频器驱动电机运行时，可以在很短的实现电动机的启停及反转，调速范围大大增加，保证了船舶在不同工况下的各种船速。
常规船舶采用直接推进方式，即原动机（柴油机、汽轮机或燃气轮机）通过主轴和齿轮箱直接带动螺旋桨推动船舶运行，一般单桨对应单台原动机。电力推进船舶单桨可由多台发电机组供电，通过增加冗余，增加系统对某单个故障的抵抗性，当部分机组损坏时，其余机组仍可照常工作，增强了船舶生命力；当低速航行时，可以减少在网发电机台数，提高运行效率及航行经济性。
通过推进器推力能够自动保持位置（固定位置或预设航迹）的装置属于动力定位船舶范畴[1]。因动力定位推进器需要不断调整推力进行船舶位置修正，电机及其驱动装置可以快速、精确动作，满足动力定位控制需求。
用中高速柴油机作为发电机组的原动机，重量通常要小于常规动力船舶的主机（低速柴油机），与此同时，设备占用空间少，增加了仓储容量；推进装置采用电缆供电，布置灵活，改善了船艉型线，提高船舶的水动力性能。
本文第一作者系工程师。
通过减少油耗和维修量，改善船舶生命周期成本。特别是负荷变化较大的船舶，例如动力定位船舶，采用电力推进的方式，可有效降低系统运营成本。
相比常规动力船舶，可以使螺旋桨转速选择最佳值，不必受到原动机转速的限制，允许柴油机转速选取最佳值，不必受到螺旋桨转速的限制，利于减振降噪，并且缩短了主轴长度[2]。
1.2 采用电力推进船舶的劣势
电力推进系统相对于常规推进系统的设备、集成费用均有所提高，增加了船舶初期建造成本。
额外增加的部件（电力设备，如发电机、变压器、变频器、电动机等），增加了原动机和螺旋桨间传输损耗。
电力推进系统设备多、电气联系复杂，需要技术人员具备比较全面的专业知识，才能维护系统长期稳定运行。
3 电力系统关键技术分析
目前电力推进船舶主要设备仍依赖于进口，但通过国家多部委经费支持，一些项目已经开展了部分关键技术的科研工作，以下几项均已形成了相关科研成果，取得了一定的进展：
3.1 中压配电技术
随着船舶电站容量的增大，低压系统已不能满足供配电要求。从20世纪60年代开始，一些大型船舶采用中压系统，当时，只是某些特定的大功率负载采用局部中压系统，如大功率负载、电力推进裝置等。目前中压系统较多应用在大型工程船舶、钻井平台以及工作性质较特殊的大型船舶上，且以电力推进船舶居多，主要原因是：船舶消耗的电力日益增长，要求电力系统的容量增大，引起系统的故障短路电流增大，而目前低压空气短路器的最大分断能力不能满足断流要求，即保护装置的断流容量限制了船舶电力系统容量的增大，采用中压系统可以减小短路电流的绝对值，增大电力系统的极限容量，缓解这一矛盾；发电机和负载电动机的单机容量增大，如仍然采用低压，则制造困难，且经济性差；配电系统容量越來越大，采用低压电缆時，其电缆截面很大、用铜量大，电缆铺设难度及费用增加，在输送功率大到一定数值時，电缆的最大标识截面已不能满足要求，必須提高电压等級。因此在中压配电板结构设计、系统保护、电缆选型等方面应重点考虑。
3.2 能量管理系统
能量管理系统设计时应重点考虑以下方面的内容：
采用电力推进系统的船舶由于负载设备类型众多，相比常规动力船舶供电网络通常要复杂。由多台发电机组构成的电力推进船舶电站在总体设计时，可能会有分区供电的设计要求。在这种情况下，能量管理系统的系统架构、软硬件设计、网络组成都有所不同，应重点考虑在
分区和联合模式下不同的控制方法，以及两种模式间的过渡过程。
电力推进船舶在不同的运行工况下，电能的需求差别很大，能量管理系统应考虑船舶在不同运行工况时的负载需求，制定每种工况下的系统控制策略，以及不同工况下电站应匹配的最小机组数，保证系统的负载需求，防止因系统断电造成船舶丧失主动力。
对于具有DP2、3要求的电力推进船舶，在能量管理系统设计时，应考虑采用冗余电源、CPU、I/O、网络进行系统设计，通过热备份使控制系统在单点故障时不受影响，保证控制系统的生命力。
为了保证系统运行安全，对于某些具有逻辑关系运行要求的设备，通过技术手段，建立一定的制约关系，形成关键设备的电气联锁保护。
全船综合平台管理系统（IPMS）包括推进控制子系统、能量管理子系统、操纵监测管理子系统、动力定位子系统、损管子系统等，其中，能量管理系统与推进控制系统之间的联系最为重要。与常规动力船舶能量管理系统不同的是，电力推进船舶的主动力由电网提供，需要考虑与推进控制系统之间的控制联系：一方面，能量管理系统应实时掌握系统负载（尤其是推进负载）的变化情况，根据负载的变化计算功率裕量，当不满足功率裕量最小值时，应增机提供更多的电能；另一方面，推进控制系统应在满足系统功率裕量的前提下输出推进功率，避免发电机组过载，当推进控制系统检测到发电机组跳闸导致功率裕量不足时，应快速的限制推进功率，防止发电机组过载停机。能量管理系统与IPMS其他子系统之间，应建立合理的接口与通讯网络，形成平台设备自动化、网络化、信息化、数字化管理。
3.3 推进控制系统
推进控制系统设计时应重点考虑以下方面的内容：
当船舶处于不同的运行工况时，推进控制系统通过PID等不同算法控制变频器，驱动推进电机转速，从而改变船的航速。
推进控制系统应具备系统保护功能，检测推进负载，限制推进功率，防止发电机组过载，及时报警与处理推进系统故障；并通过断路器、驱动装置等设备的联锁保护保证系统的安全运行。故障数据应进行存储并形成数据库，相关数据也应通过通讯传输给监测报警系统。对经常发生故障的设备应及时维修，找出故障根源，避免发生事故。
当系统出现故障时，为保证船舶不丧失主动力，利用安全越控功能取消某些保护功能，防止设备因保护停机。当该功能启用时，推进系统处于不正常运行状态，可能会导致某些设备的损坏，因此，该功能的设计应足够慎重。
4 发展与展望
随着现代电机、电力电子、自动化、网络技术的发展，已经彻底改变了船舶能量转化的面貌，使船舶电力推进技术也发生了根本性转变。我国是造船大国，电力推进系统由于其理想的拖动性能广泛应用于具有特殊功能的船舶，如游轮、渡轮、穿梭油船、挖泥船、破冰船、科考船、勘察船、远洋渔船、液化天然气船（LNG）等，国外某些军事舰艇也采用了综合电力系统的概念。另外，电力推进系统在海洋钻井平台、深海铺管船、浮式生产储存卸货装置（FPSO）等海洋工程领域也被广泛接受。
目前我国电力推进技术仍处于起步阶段，已经具备了一定的电力推进系统集成能力，但关键设备（如电机、变频器、中压配电板等）主要依赖于进口，许多关键技术掌握在国外企业（如动力定位）。未来的发展趋势是应努力开发应用于电力推进船舶的国产化设备，提升造船质量，向着造船强国的道路迈进。
参 考 文 献
[1] 边信黔,付明玉,王元慧.船舶动力定位.[M].北京:科学出版社,2011:1.
[2] 徐筱欣.船舶动力系统.[M].上海:上海交通大学出版社,2007:79.
