科学瞎想系列之三十七 船舶动力系统（3）

上一篇说了船舶混合动力系统，这篇就说说船舶综合电力系统。所谓船舶综合电力系统就是指全船所有动力能源均采用电力，包括推进动力、辅机动力、军船上某些高能武器的动力以及日常生活能源等。船上的所有动力机械将燃料转换输出的机械能经发电机全部转换成电能，通过全船统一的能量管理和调度，为各种功能机械提供电力能源。这种船舶也叫全电力船舶。在前面介绍的传统推进和混合动力推进系统中，船舶推进动力（主动力）和辅机动力基本都是相对独立的系统，它们分别被称为动力系统和电力系统，而在全电力船舶中，二者就合二为一了。统称综合电力系统。 船舶综合电力系统包括: 发电模块、变电模块、配电模块、推进模块以及能量管理模块等五大部分组成。发电模块通常由多台柴油发电机组或汽轮发电机组并联组成船舶电网，为推进及船上各辅机设备提供电力。变电模块主要包括一些变压器和变频器，功能是把电网上的电能变换成用电设备所需要的电压、频率的电能。配电模块主要包括一些开关柜和继电保护设备。推进模块主要包括推进电机、变速箱、轴系联结件等。能量管理模块由一些计算机软硬件、与各设备的传感器接口、控制接口、在线监控等装置组成，承担全船的能量管理、通讯、调度、监控、人机交互等功能。关于配电模块和能量管理模块，没有太多好说的，我们就重点说说电源模块、变电模块和推进模块这三部分。 先说电源模块。电源模块是由多台发电机组并联运行组成船舶电网，由于全电力推进船舶的主动力和辅机动力均来自电网，因此这种船舶的电网总容量要比传统推进的船舶大得多，这就要求发电机组的总容量很大，相应地单机容量也会增大，电压等级也会向中高压方向发展。根据船舶电网制式的不同，可分为基于交流组网的综合电力系统和直流组网的综合电力系统，有关直流组网的综合电力系统老师会在下一期专门给宝宝们讲，这里先讲一下交流组网的综合电力系统。在交流组网的系统中，作为电源的发电机组通常都是工频交流发电机组，交流发电机组并联运行需要满足非常苛刻的条件，需要相序相同、频率相同、电压相同、相位相同方可并网，并网后各台发电机组对电网的有功贡献取决于其原动机的调速特性，无功贡献则取决于发电机的外特性，即励磁系统自动电压调节器（AVR）的调节特性。要想使每台发电机组在并网后能够按照各自的额定容量比例分担相应的有功负载和无功负载，必须使每台发电机组的调速特性和发电机外特性的下垂斜率调整一致，否则就会造成有的发电机负载过重，有的负载又过轻，"忙闲不均，忙的累死，闲的闲死"的情况。因此在电源模块中并联运行的发电机组负载分配的均衡度是电源模块的重要指标。除此之外，电源模块电压和频率随负载的变化而变化的斜率（稳态电压调整率和稳态调速率）、在突加负载和突减负载时电压和频率的瞬时突变（瞬态电压调整率和瞬态调速率）、电压的波形、电网的稳定性、电压和频率的波动、电网发生短路故障时发电机的强励及维持能力等都是电源模块的重要指标。由于电源模块采用多台发电机组并联，可以根据船舶的运行工况增减发电机组的投入台数，以实现最优能源配置，发电机组可互为备用。 再说变电模块。船上许多用电设备的电压、频率可能与电网电压、频率不一致，这就需要由变压器、变频器等设备组成的变电模块将电压和频率转换成负载所需要的电压和频率的电能。变压器大家都知道就不啰嗦了。变频器通常采用"交----直----交"变换方式，即先将从电网上取得的工频交流电整流成直流电，再逆变成所需要频率和电压的交流电。对交流组网的综合电力系统，变频器的整流单元通常采用不可控的整流二极管作为整流器件，成本较低，逆变单元采用全控电力电子器件构成逆变主回路，成本较高。这种变频器有功功率只能由电网单方向流向负载，无功功率由变频器中间的直流母线与负载之间进行交换，可为负载提供超前或滞后的无功，因此也称这种变频器为二象限变频器。变频器的核心技术包括硬件和软件两大部分。硬件包括主回路、控制及驱动电路、通讯线路等电路部分，还包括冷却、绝缘及机械结构等部分，一套设计完善、结构合理、制作精良的硬件系统无论在各项性能还是在运行保护、电磁兼容以及环境适应性等方面都是变频器良好可靠运行的基础。根据负载控制的需要，变频器必须按照一定的控制策略和控制算法对负载输出，这些控制策略和控制算法就是靠软件来实现的。常用的控制策略和算法有恒压频比控制、矢量控制、直接转矩控制、Id=0控制、单位功率因数控制、最大转矩电流比控制等。

推进模块主要包括推进电机、变速箱、螺旋桨及其配套装置。有些船舶采用低速大扭矩的推进电机，可直接与螺旋桨连接，省去变速箱。还有些推进器将推进电机与螺旋桨集成安装于水下船舱之外，称之为吊舱式推进器，这种推进器可360度回转，实现全方位推进，可省去舵。由于推进电机在船上通常没有备用，因此要求其可靠性极高。推进电机通常采用异步电机（亦称先进感应电机）或永磁电机，对推进电机的要求是功率大、转速低、转矩密度高、变频启动和调速，对于某些要求高的船舶，还对电机振动、噪声提出更加苛刻的要求，吊舱推进电机还需要严格的水密封。由于推进电机功率大、转速低，因此推进电机的体积和重量一般都很大，极数较多。永磁电机用于推进更加有优势，可以更容易做到转矩密度高、效率高、结构简单、便于冷却。比较而言大功率多极数的异步电机作为推进电机在设计制造方面存在很多难点，之所以把异步推进电机称为先进感应电机，就是这种电机与普通异步电机在设计上有许多特点和特色，技术含量高。能够设计制造先进感应电机的国家、公司和人，前面都可以加一个"牛"字！先进感应电机主要先进在: 一是设计计算更加精准、优化，基本做到了把每一种材料的性能及其配合发挥到极致，可谓多一点显多，少一点显欠; 二是冷却技术先进，这种电机的冷却系统通常都是采用各种先进独特的技术，包括蒸发冷却技术、各种独特的高效换热方式、换热结构、换热材料、换热元件等先进技术; 三是在振动噪声等方面性能更加先进。 好了，今天就先说这些，下期给宝宝们讲一下直流组网的综合电力系统。期待吧！