船舶电气化引领船用电机及其系统的新技术发展【电机&永磁峰会】

来源：SMM2022-11-24 16:42

SMM11月24日讯：在SMM举办的2022中国电机&永磁行业峰会上，中国船舶集团教授级高级工程师李保来简要介绍了船舶电力系统的发展和演变，结合实际应用场景分析各类动力系统的功能特点，重点讲解了船舶电气化引领船用电机及其系统的新技术发展，并对船舶电气化的未来做出展望。

船舶电力系统的发展和演变

由古至今，船舶的发展经历了舟筏时代、帆船时代、蒸汽机时代、柴油机时代，而如今或许可以称之为电力驱动时代。

上世纪八十年代之前，电力系统一般称为“辅助电站”，是船舶的重要辅助系统之一。当时应用的动力系统叫做常规推进系统，结构简单、功能单一，且传统一次能源低效使用使得环境污染严重。八十年代之后开始使用交流综合电力系统，该系统将船舶动力系统和电力系统实现有机结合，成为一体化设计的综合电力系统，拥有发电、配电、推进、控制等多个功能相对独立的子系统，整船能效水平显著提高。2010年之后，船舶动力和电力系统迎来了革新。现行的电力系统是适合多能源接入的综合电力系统，配电系统和驱动系统高度集成，实现能量管理、推进控制和监测报警一体化设计，能效水平与智能化水平大幅提升，具有典型新型电力系统特征。新型电力系统是指在船舶领域对标碳达峰碳中和目标，以最大化利用新能源为主要任务，以智能系统为纽带，以源网荷储互动与多能互补为支撑，以直流综合电力系统、混合动力系统等为主要载体，在船舶上实现多能源综合利用与智能管理的综合电力系统。

船舶电气化应用场景

并联式混合动力系统典型结构特点是主机与轴带电机可并联工作，轴带电机可双向运行。其能源形式来自于主机、辅助电站、储能系统与岸电系统。推进器的直接驱动力可来源于主机和电动机；储能系统可单独向电动机提供电能驱动船舶行驶，从而提高系统灵活性和可靠性；轴带电机可充分利用主机的富余功率，节能减排效果突出。

并联式混合动力系统适用于多种运行情况。在经济航行工况下，其工作模式为PTO模式，动力来源于主机，电力来自可逆轴带电机，因此这种模式的特点是船舶电源由轴带电机提供，节能减排；而轴带电机在向交流配电板供电的同时，可以向动力系统充电。在高速航行工况下，可以PTI模式（BOOST）工作，该模式动力由主机和可逆轴带电机共同提供，电力来源于柴油发电机组和动力电池，特点是电力系统对动力系统进行补充；柴油发电机组和动力电池根据负载需求投切。在低速航行或者主机故障的工况下，以PTI-PTH模式工作，此模式动力来自可逆轴带电机，电力由柴油发电机组与动力电池提供，因此特点是由轴带电机单独驱动螺旋桨，避免主机运行在低效区；柴油发电机组和动力电池根据负载需求投切。PTI-PTH模式也适用零排放或者静音航行的情况下，但此时只以动力电池作为电力来源，特点也随之改变即由动力电池向全船供电，无排放、无振动噪音。

串联式混合动力系统的典型结构特点是发动机带动发电机发电，电能通过变流器驱动电动机，因此推进器的直接驱动力只来源于发电机。这种系统的能源形式包括发电机组（多种形式内燃机）、储能系统、燃料电池、光伏、风机以及岸电系统。与并联式系统相同的是，其储能系统可单独向电动机提供电能驱动船舶行驶，从而提高系统灵活性和可靠性；且由于储能的削封填谷和发电机组的变转速运行，节能减排效果同样突出。

串联式混合动力系统可用于三种工作模式。在停泊工况时，直流岸电通过直流配电柜给动力电池充电，同时为日用负载供电。在航行时，进入纯电模式即动力电池放电提供能量来源，柴油发电机组停止供能，可做到零排放。在作业工况时，柴油发电机组根据负载情况变转速运行，能有效解决因负荷突变引起的冒黑烟问题，且系统效率提升，碳排放减少；同时根据实际需求投入电池系统，起到削封填谷、节能减排作用。

纯电池动力系统的典型结构特点是电池系统作为全船唯一的能量来源，也因此推进器的直接驱动力只来源于电动机。其能源形式来自储能系统、燃料电池、光伏、风机、岸电系统。衍生的储能系统可有多种形式，包括燃料电池、超级电容等；这种系统主要应用于小型船舶，是典型的直流微电网系统。纯电池动力系统在停泊工况和航行工况时的工作模式与串联式混合动力系统相似。

电力驱动主要应用船型包括科考船舶、极地破冰、豪华邮船、海洋平台、航空母舰、两栖攻击等等。其典型案例有沈括号科学调查作业船、长江三峡1号纯电动客船、中谷物流4600TEU集装箱船等。

船舶电气化引领船用电机及其系统的新技术

船舶电源

船舶电源的能源形式多种多样，包括柴油发电机组、LNG发电机组、光伏、动力电池、超级电容、风电等，由此引出的新技术包括各种能源发电设备的输出特性及接口技术、多能源电力的智能调度管理、多能源电力组网技术以及各种新的标准规范制定。

船舶电源在电制及船舶适配性方面，具有电压中高压化、电站容量大型化、电制直流趋势、高功率密度、安静型电源等特性，由此可引出新型船用中高压电源设备的设计及制造技术、大容量船用电源设备的设计及制造技术、新型船用直流电源设备的设计及制造技术、直流变压设备的设计及制造技术、高速发电机的设计及制造技术、电源设备的减振降噪技术等。

船舶电网

船舶电网的电源呈多样化趋势，比如各种新能源应用于船舶、不同输出特性的发电设备、各种新能源的不稳定性和不确定性、储能设备的接入等方面均有体现。由此可发展船舶电网的直流组网技术、各种电制的功率变换技术、电力电子配电技术、各种新型配电设备的设计和制造技术以及各种船舶电源组网后的智能管理技术。

船舶电气设备

船舶电气设备中船用发电机主要有三种类型：船用无刷电励磁同步发电机、船用异步发电机、以及多相整流直流发电机；推进电机有永磁推进电机、异步推进电机、集成式吊舱推进器和轮缘推进器、立式全回转主推和侧推电机（典型样机）四种；混合动力轴带电机分为穿轴（或抱轴）式轴带电机和安装于柴油机自由端的轴带电机两大类。

未来为满足船舶各设备组件一致协调，船舶电气设备在多项指标上应进行升级更新，要满足更大的单机功率，要求发电机最大单机功率达 20 MW、推进电机最大单机功率达 40 MW；要达到更高转速，最高转速达每分钟上万转；要具备更多电压等级，覆盖低、中、高压；要适合更多电制，如中压交流与中亚直流；要研发更多电机品种，包括高速电机、低速大扭矩永磁电机、异步发电机、多相整流发电机、大功率脉冲电机、惯性储能电机、特种直线电机等。