現(xiàn)代綜合能源電動船舶的電力推進技術(shù)

提出以動力蓄電池儲存風光能岸電增加船舶能源，與燃油機組相結(jié)合構(gòu)成綜合能源船舶電站。

提出立足于動力蓄電池統(tǒng)一多能源船舶電站的電制，形成直流電制主流模式。

探討了利用動力蓄電池均化風光能供應，改造傳統(tǒng)電站的剛性，建立柔性船舶電站和綜合電力推進系統(tǒng)的微電網(wǎng)的規(guī)律。

探討了利用IMC 間接型矩陣變換器作為綜合能源的交直流電源直接并聯(lián)運行的工作平臺，并同時形成交直流電網(wǎng)，實現(xiàn)多用戶逆變器輸出，構(gòu)成綜合電力推進系統(tǒng)的可能性。

提出以風能為主利用風光能和岸電的策略，立足于傳統(tǒng)船舶形式，采用磁懸浮風力發(fā)電技術(shù)，實現(xiàn)以清潔綠色能源全面滿足船舶能量需求，推出實用綠色環(huán)保電動船。

前 言

現(xiàn)代綜合能源電動船舶是現(xiàn)代能源工程與船舶工程的結(jié)合。太陽能和風能是目前最安全最清潔的綠色能源，而且是儲量最大的綜合能源。當?shù)厍蛏系幕�石燃料即將枯竭的時候，將替代能源瞄準風光能顯然是一種正確的選擇。本書正是立足于這一思路，試圖以太陽能和風能發(fā)電裝置和取用岸電的蓄電池與燃油發(fā)電機組相結(jié)合構(gòu)成綜合能源船舶電站，并形成適應不同需求的能源組合模式和船舶模式，進而采用現(xiàn)代綜合電力推進系統(tǒng)理念來探討具有現(xiàn)代氣息的綜合能源電動船舶的電力推進技術(shù)。本書主要圍繞以下的主線和問題展開。

目前風、光能發(fā)電裝置的能量密度較低，導致船舶能量供不應求。例如已經(jīng)完成全球試航的德國制造世界首條全太陽能電力推進船舶“星球陽光”號，不得不采用新概念三體船形，以極大地增加船舶受光面積，其長寬分別為31米和15米，這種船形無法使用，而對于太陽能舍此別無辦法。那么，立足于傳統(tǒng)船舶形式又如何呢？本書的回答是肯定的，技術(shù)出路在于轉(zhuǎn)而以風能為主來利用風光能，并以磁懸浮風力發(fā)電技術(shù)的突破來獲得高能量密度，從而能夠立足于傳統(tǒng)船舶形式，全面滿足船舶能源需求。這是因為磁懸浮風力機可利用微風而極大地增加利用風光能的效率時間和機會，這至少可適用于小型船舶。原因在于理論和實踐都證明光伏電池只能利用照射面積上的太陽能，而風力機可利用整個環(huán)境中溫度差形成的廣義太陽能，只要有溫度差，而不一定有太陽光，就有風能，顯而易見的事實是在缺乏太陽光的冬天也不乏西北風。

為了擴大風光能的利用，必須采用動力蓄電池儲能，從而利用過去的風光能，以便于移峰填谷均化能量供應，并取用岸電防止陰雨天而保持工作連續(xù)性。岸電清潔廉價，能以岸電取代燃油是船舶的一種進步，因為岸電是綜合能源大規(guī)模供電供熱統(tǒng)一模式高能效的產(chǎn)物，而船電是小型燃油機組以油換電的低效污染的結(jié)果。動力蓄電池進入船舶電站將帶來許多新功能，不僅可優(yōu)化資源配置，而且對于建立微電網(wǎng)和改造傳統(tǒng)電站剛性具有不可替代的作用。微電網(wǎng)是一種既能夠并網(wǎng)運行，又能夠獨立運行的系統(tǒng)，以蓄電池建立微電網(wǎng)完全符合2011年IFAC國際自動控制聯(lián)合會第18屆世界大會的學者提出的建立儲能充電放電狀態(tài)的特殊模型來保障電力供應的思路。電站剛性表現(xiàn)在多方面：時刻全面滿足需求、發(fā)電用電的同時性、PWM技術(shù)的諧波污染、電力電子元器件的快速性要求、電動機啟動停止時都會引起電網(wǎng)波動等。蓄電池改善電站剛性的表現(xiàn)為：改變發(fā)電用電的同時性，以蓄電池作用協(xié)助電站供電提高運行速度，并能夠在電機斷電時吸收電網(wǎng)中瞬間沖擊式能量，這緣于蓄電池兼有電源與用戶的雙重角色，且在以上四種電源中具有唯一性。為了改變剛性建立柔性船舶電站，需要立足于動力蓄電池并應用瞬時功率理論，本書對此進行了說明。

綜合能源可形成多種性質(zhì)的電源，電站需要統(tǒng)一電制和電源，為此，需要比較各種電源特性、討論電制統(tǒng)一方式和統(tǒng)一結(jié)果的等效電源性質(zhì)。熱力發(fā)電機組作為瞬時功率發(fā)生器，系統(tǒng)復雜慣性大，過渡過程反應慢動態(tài)性能差，而靜態(tài)性能好；反之蓄電池作為儲能器，可在瞬間將長時間儲存的能量放出，其動態(tài)性能好反應快，而靜態(tài)性能差。多種電源可以互補而強化電站功能。由此產(chǎn)生能量源、功率源、快速機動電源、靜音電源、靜態(tài)負荷、動態(tài)負荷等多種概念和作用，對此進行了討論。由于直流電制和電源具有許多優(yōu)勢，例如可回避交流電頻率相位差和并聯(lián)運行的復雜控制內(nèi)容，所以將其作為電制主流模式。這與當前電推技術(shù)的發(fā)展理念也是吻合的。除了采用整流統(tǒng)一電制以外，還可以采用間接型矩陣變換器方式。它將虛擬整流與虛擬逆變環(huán)節(jié)相結(jié)合，可輕易實現(xiàn)交直流電制統(tǒng)一或者將兩者并聯(lián)起來使用，且不需要整流方式的大型濾波裝置而高度節(jié)能，同時可對輸出線電壓和輸入相電流進行SVPWM 空間矢量的聯(lián)合調(diào)制，具有多種用途和優(yōu)勢。例如可在直流電環(huán)節(jié)并聯(lián)風光能發(fā)電裝置和蓄電池直流電源，同時可進行多用戶逆變器輸出，形成類似于直流電網(wǎng)和母線的工作平臺，極有利于綜合能源的船舶電站以及綜合電力推進系統(tǒng)的構(gòu)成及運行，同時還可以利用蓄電池快速回收船舶所有動力用戶的再生制動動能，以及構(gòu)成組合式控制策略。

本書主要包括電站與推進兩部分內(nèi)容。電站采用綜合能源重在開源，而推進控制策略的優(yōu)化則重在節(jié)流以及提高性能，開源與節(jié)流的結(jié)合就是綜合能源船舶的總體原則與方案。節(jié)流包括推進控制策略與采用新型推進方式。討論了多種控制策略，且重點探討了間接型矩陣變換器及調(diào)制算法的變頻控制策略，以及它與傳統(tǒng)控制策略相結(jié)合而形成組合式控制策略，例如直接轉(zhuǎn)矩控制矩陣式變換器－異步電動機組合式控制策略調(diào)速系統(tǒng)。提出了一種直線推進方式，即雙輪帶式槳葉推進器，與螺旋槳推進效率相比的理論計算幾乎可提高一倍。在探討直線推進的機械形式及電氣控制方案的基礎上，形成了直線推進系統(tǒng)方案。在重點分析控制策略和立足于電制統(tǒng)一的等效電源的基礎上，將電站與電推方案兩部分結(jié)合起來，形成了綜合能源船舶實用的總體方案，并且結(jié)合筆者的實踐進行了舉例。

本書特點是立足于普及推廣電推技術(shù)，力求貼近實際應用，所以對于基本概念和原理進行了較為詳細的說明。例如在前幾章中，詳細比較了傳統(tǒng)船舶柴油機推進與電推的能量效率差異，希望迅速取代柴油機推進，詳細討論了船舶電站與推進工作原理，從動態(tài)與靜態(tài)負荷、能量與功率供應角度提出滿足用戶需求的理論，由此再來分析多種電源的性能與作用，以便于綜合能源電站的構(gòu)成和發(fā)揮多種電源的特性。在分析中結(jié)合多年工作經(jīng)驗提出了獨自的見解。

本書的主要內(nèi)容都是在近幾年中獲得的專利內(nèi)容和研制國內(nèi)第一條開放水域B級航區(qū)蓄電池電動旅游船舶的實踐總結(jié)、以及理論探索，包括在制定電動船舶的企業(yè)標準中的體會。例如直線式推進船和風光電綜合能源電動船、以及永磁同步電動機矢量控制無齒輪箱推進裝置都是團隊的專利，后兩者是發(fā)明專利。

由于水平有限，書中錯誤在所難免，衷心希望讀者不吝賜教。在本書出版之際，我們要感謝團隊的王文忠船體高級工程師，他為本書提供了船體方面的資料，同時要感謝為我們提供實踐平臺的宜昌發(fā)中船務公司的張大中總經(jīng)理，在此謹致衷心的謝意！

編著者

2013年9月

前言
第1章 總論 1
1.1 電力推進概述 1
1.1.1 電力推進的概念 1
1.1.2 電力推進與熱力機直接推進的差異 2
1.2 現(xiàn)代綜合能源電動船舶概述 3
1.2.1 綜合能源電動船舶的概念 3
1.2.2 綜合能源的運行原理 5
1.3 現(xiàn)代綜合能源電動船舶的主要特征及其與傳統(tǒng)船舶和汽車的差異 6
1.4 現(xiàn)代綜合能源電動船舶基本分類和主流模式 8
1.4.1 分類原則概述 8
1.4.2 主流模式 11
1.5 主流模式的特點對比及用途概述 14
1.5.1 主流模式的特點 14
1.5.2 主流模式對比及其用途 16
1.6 現(xiàn)代綜合能源電動船舶的工程哲學 20
1.6.1 樹立正確的科技哲學理念 20
1.6.2 未來船舶的能源出路和撐起水上的一片藍天 21
1.7 船舶電力推進的發(fā)展趨勢 23
第2章 綜合能源船舶電站和電力推進的一般性問題 25
2.1 船舶電站和電力推進的基本運行原理 25
2.1.1 電力推進的動力學原理與電氣傳動原理 25
2.1.2 船舶電站與推進電動機的工作特性 28
2.1.3 電網(wǎng)互補原理 30
2.2 電力推進的機械特性及其功率估算 31
2.3 綜合能源船舶電站的數(shù)學物理模型 33
2.4 綜合能源在電站中的相互關系和作用 35
2.4.1 主能量源和輔能量源 35
2.4.2 靜態(tài)負荷和動態(tài)負荷 36
2.4.3 能量源與功率源 39
2.5 柔性船舶電站電網(wǎng)系統(tǒng)與瞬時功率理論 42
2.5.1 柔性船舶電站電網(wǎng)系統(tǒng)的概念 42
2.5.2 柔性船舶交流電站電網(wǎng)系統(tǒng)的技術(shù)基礎——瞬時功率理論 44
2.6 動力蓄電池對于柔性船舶電站和綜合能源的作用 49
2.6.1 動力蓄電池是擴大綜合能源利用的關鍵 49
2.6.2 蓄電池是改造剛性船舶電站的重要因素 51
第3章 現(xiàn)代綜合能源電動船舶及其帶有動力蓄電池的船舶電站 53
3.1 現(xiàn)代綜合能源電動船舶的主要特點 53
3.2 現(xiàn)代綜合電力推進系統(tǒng)的船舶電站與傳統(tǒng)船舶電站的差異 54
3.3 傳統(tǒng)船舶電站存在的問題和技術(shù)劣勢 56
3.4 能源及其發(fā)電裝置自身的劣勢 58
3.5 蓄電池的電氣特性、特殊功能和工作原理 59
3.5.1 電氣特性 59
3.5.2 特殊功能和工作原理 60
3.6 動力蓄電池在綜合能源船舶電站中的地位和作用 61
3.7 綜合能源船舶電站的特點和優(yōu)勢 63
3.7.1 帶有動力蓄電池的船舶電站 63
3.7.2 綜合能源船舶及其綜合電力推進系統(tǒng)技術(shù)的優(yōu)勢 67
第4章 綜合能源電動船舶的船體和輪機特殊性 69
4.1 綜合能源船舶的船體特殊性概述 69
4.2 綜合能源船舶的船舶形式 70
4.3 綜合能源船舶對傳統(tǒng)船舶空間布局的改變 72
4.4 綜合能源船舶的輪機特殊性概述 73
4.5 柴油機推進與電力推進的工作原理對比 75
4.5.1 能量生產(chǎn)與推進原理的差異 75
4.5.2 兩種推進模式中的柴油機的工作原理及工作模式的差異 76
4.5.3 轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)性能差異 78
4.5.4 柴油機推進與電推系統(tǒng)的附屬配備及運行性能差異 80
4.6 電力推進與柴油機推進的能量效率比較 80
4.6.1 能量傳遞環(huán)節(jié)比較 81
4.6.2 控制程序和工作流程比較 81
4.6.3 空載怠速損耗比較 82
4.6.4 運動慣性動能損耗和制動損耗比較 84
4.6.5 控制性能導致節(jié)能情況比較 84
4.6.6 能源供應與傳遞模式耗能比較 85
4.6.7 綜合節(jié)能因素比較 86
4.7 直線推進器及其船舶 87
4.7.1 三種推進器的工作原理分析 88
4.7.2 直線推進器的基本結(jié)構(gòu) 89
4.7.3 直線推進的優(yōu)勢 90
4.7.4 直線推進的典型方案 92
4.7.5 直線推進的電軸系統(tǒng)——同步旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)[10][11] 93
第5章 綜合能源電動船舶的光伏發(fā)電裝置和風力發(fā)電裝置 98
5.1 船舶利用風光能發(fā)電技術(shù)概述 98
5.2 太陽能發(fā)電系統(tǒng) 100
5.2.1 光伏發(fā)電的原理——光伏效應 100
5.2.2 光伏電池的特性 101
5.2.3 光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及控制 103
5.2.4 光伏發(fā)電系統(tǒng)的逆變技術(shù) 105
5.3 風力發(fā)電系統(tǒng) 109
5.3.1 風力發(fā)電原理及風力機的效率 109
5.3.2 風力發(fā)電系統(tǒng)的功率和速度調(diào)節(jié) 113
5.3.3 風力發(fā)電系統(tǒng)的頻率調(diào)節(jié) 115
5.3.4 風力發(fā)電裝置分類 116
5.3.5 速度調(diào)節(jié)型變速恒頻技術(shù)的工作原理 117
5.3.6 船舶利用風力發(fā)電的基本特點 119
5.3.7 風力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和控制 122
5.3.8 船舶利用風能發(fā)電裝置的基本模式及實用形式 124
5.4 船舶光伏發(fā)電裝置的容量估算 128
5.5 船舶風能發(fā)電裝置的容量估算 130
第6章 綜合能源電動船舶的推進電動機 132
6.1 綜合能源電動船舶的推進電動機概述 132
6.1.1 直流電動機 132
6.1.2 交流電動機 133
6.1.3 永磁電動機 134
6.1.4 開關磁阻電機 140
6.1.5 國內(nèi)外新型推進電動機 142
6.1.6 推進電動機及其驅(qū)動系統(tǒng)對比 143
6.2 綜合能源電動船舶對于推進電動機的要求 144
6.2.1 船舶推進性能對于推進電動機的要求 145
6.2.2 電源及控制策略與推進電動機配套性的要求 146
6.2.3 推進方式對于電動機及其控制策略的要求 148
第7章 綜合能源電動船舶的動力蓄電池 150
7.1 綜合能源電動船舶的動力蓄電池概述 150
7.1.1 動力蓄電池的概念及用途 150
7.1.2 動力蓄電池的主要類型及性能比較 151
7.2 磷酸鐵鋰離子電池簡介[14] 152
7.3 不同運行模式中的蓄電池的不同作用 154
7.3.1 獨立推進的能量源作用和儲能器作用 154
7.3.2 靜音電源作用 155
7.3.3 功率源作用 156
7.3.4 蓄電池與發(fā)電機組及多種能源的互補作用 157
7.3.5 機動快速電源作用 158
7.3.6 應急電源作用 159
7.3.7 蓄電池對于剛性船舶電站的改造作用 160
7.4 綜合能源船舶對動力蓄電池的要求 163
7.4.1 一般性綜合要求 163
7.4.2 不同船舶模式對于動力蓄電池的要求 164
第8章 綜合能源電動船舶的推進控制策略及技術(shù) 169
8.1 綜合能源電動船舶的推進控制策略概述 169
8.1.1 推進控制策略與電源變換 169
8.1.2 控制策略的優(yōu)劣綜述 171
8.2 基本控制要求和控制規(guī)律 172
8.2.1 基本控制要求 172
8.2.2 基本控制規(guī)律 173
8.3 控制技術(shù)和控制元器件概述 174
8.3.1 控制技術(shù)概述 174
8.3.2 控制元器件——電力半導體開關元器件概述 177
8.4 直－交變換變頻控制策略和技術(shù)[8][9] 178
8.4.1 V/F變壓變頻調(diào)速 179
8.4.2 矢量控制 181
8.4.3 直接轉(zhuǎn)矩變頻控制 186
8.5 交－直－交變換變頻控制策略和技術(shù) 189
8.5.1 矩陣式變換器交－直－交變換變頻控制策略和技術(shù)概述 189
8.5.2 間接型矩陣式變換器 191
8.6 組合式控制策略[16] 202
第9章 綜合能源電動船舶的能源組合及其電站構(gòu)成 204
9.1 綜合能源的組合與電能供應 204
9.2 綜合能源的選擇 207
9.2.1 風力發(fā)電機組選擇 207
9.2.2 太陽能發(fā)電裝置選擇 210
9.2.3 燃油發(fā)電機組選擇 211
9.2.4 動力蓄電池的選擇 213
9.3 綜合能源電動船舶的電站構(gòu)成方式 214
9.3.1 電站構(gòu)成方式概述 214
9.3.2 風光電模式的交－直整流式獨立運行電站 221
9.3.3 電油混合能源船舶電站 222
9.3.4 風光電油綜合能源的船舶電站 224
9.4 綜合電力推進系統(tǒng)與柔性電站 226
9.5 無波動電站與電網(wǎng)的運行原理及構(gòu)成 228
第10章 現(xiàn)代綜合能源電動船舶的綜合電力推進系統(tǒng)總體方案 232
10.1 綜合能源電動船舶的綜合電力推進系統(tǒng)總體方案概述 232
10.1.1 選擇和確定總體方案的原則 232
10.1.2 推進總體方案構(gòu)成方式概述 233
10.2 推進總體方案的類型 235
10.2.1 直流電動機電力推進 235
10.2.2 交流電動機電力推進 236
10.2.3 永磁無刷電動機電力推進 236
10.3 綜合電力系統(tǒng)的相關問題 237
10.3.1 綜合用戶的供電方案 237
10.3.2 非推進動力用戶的微電網(wǎng)供電及軟啟動與自動電壓調(diào)整 239
10.4 風光電模式船舶的綜合電力推進系統(tǒng)總體方案 241
10.4.1 風光電模式船舶的綜合電力推進系統(tǒng)總體方案的構(gòu)成 241
10.4.2 風光電模式船舶總體方案舉例 242
10.5 電油混合能源船舶的綜合電力推進系統(tǒng)總體方案 243
10.5.1 電油混合能源船舶的綜合電力推進系統(tǒng)總體方案的構(gòu)成 243
10.5.2 總體方案舉例——間接型矩陣控制系統(tǒng) 246
10.6 風光電油綜合能源船舶的綜合電力推進系統(tǒng)總體方案 249
10.6.1 風光電油綜合能源船舶的電力推進總體方案的構(gòu)成 249
10.6.2 總體方案舉例——直接轉(zhuǎn)矩控制矩陣變換器 252
參考文獻 255