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船舶电力推进系统的现状与未来
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
• 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——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—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，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
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广大从事电力电子与传动控制研究的学者所熟悉。
3. 现状——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
3.1 系统结构
船舶电力推进的基本结构：
电动机拖动螺旋桨
• 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；
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动和冲击。
3.2 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
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）。
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