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1、上海交通大学工程硕士生学位论文 第一章 绪论 第 1 页 第一章 绪论 1.1 船舶电力推进技术概述船舶电力推进技术概述 船舶电力推进应用至今已经有近百年的历史。 早在 1912 年和 1918 年美国就先后 建成了一艘往复式蒸汽机交流电力推进航空母舰和一艘汽轮机交流电力推进战列舰 “新墨西哥”号，总轴功率分别达到 4000kW 和 22000kW1。这一时期虽然大功率蒸汽 轮机作为船舶原动机的技术已经成熟，但由于机械加工水平和能力的不足，大功率机 械减速装置在制造工艺上还有一定的困难， 所以许多船舶都采用了汽轮发电机组匹配 同步推进电机的电力推进方式。二十世纪四十年代后，随着科学技术的进步，
2、特别是 齿轮传动装置加工能力的提高，满足船舶动力要求的齿轮减速装置已能够批量生产， 而当时技术条件下的电力推进装置由于其能量一次变换具有设备昂贵、传动效率低、 维护保养工作量大等缺点，因此船舶开始大量采用柴油机、汽轮机或燃气轮机的直接 传动推进。尽管如此，由于电力推进的某些特殊优点以及优越的灵活性，在一些要求 良好操纵性、转矩特性和响应特性的特殊用途船舶仍然广泛采用电力推进2。 美国海军于 1986 年针对当时水面战舰的低能表现提出“海上革命”计划，率先 提出了综合全电力系统（Integrated Power System，IPS）的概念，它指的是动力推进 和日常用电共同用一个电力系统，从而构
3、成一个综合的/整合的电力系统，这一概念 有力地促进了电力推进技术的发展3。随着现代电力电子技术的迅速发展以及交流电 机变频调速技术的日渐成熟， 电力推进型式从传统的直流电力推进发展到了采用脉宽 调制(Pulse Width Modulation，PWM)技术、矢量控制(Vector Control)或直接转矩控制 (Direct Torque Control，DTC)的柴-电交流电力推进。系统中使用的电力半导体器件也 从半控型器件如可控硅整流器(Silicon-Controlled Rectifier ，SCR)发展到全控型器件 如门极关断晶闸管 （Gate Turn-Off Thyristo
4、r， GTO） 、 绝缘栅双极晶体管 （Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）和集成门极换向晶闸管（Integrated Gate-Commutated Thyristor，IGCT)4。基于大功率开关元件整流逆变原理的船舶电力推进改变了船舶 能量变换的面貌，使得原先船舶电力推进存在的一些缺点发生根本性的转化。在系统 结构方面，由于交流电力推进用交流电动机取代柴油主机带动螺旋桨，这使得推进电 上海交通大学工程硕士生学位论文 第一章 绪论 第 2 页 机紧靠螺旋桨；由于取消了中间轴部分，因此可以在一定程度上优化机舱配置5。 在二十世纪九十年代， 电力推进技
5、术首先在工程船和破冰船等类型船舶上取得了 突破。船舶电力推进开始采用吊舱式的结构形式。所谓吊舱式结构，就是推进用电机 直接和螺旋桨相连，构成独立的推进模块，并吊挂于船体尾部。推进模块由电动液压 机构驱动，可以作 180 度或 360 度水平旋转，推进方位角可以人为进行控制和调节， 省去了舵机系统。这样的设计使得电力推进船的机动性、可靠性和运行效率等方面都 有了突破性的发展，船舶电力推进技术的应用领域不断扩大，从工程船、破冰船到目 前的豪华邮轮、LPG 船、油轮、化学品船等6。 进入 21 世纪以来吊舱式船舶电力推进技术又有了新的发展，例如 ABB 公司的 Compact Azipod 系统和
6、CRP Azipod 系统等。Azipod 系统的成功以及市场的潜力引 来其它电力推进器设计商们的竞争，他们采纳了 Azipod 的基本观念，在设计具体细 节上进行了开发和扩展，不同点主要在于吊舱的水动力设计、推进器的构造、电动机 型号选择以及变频系统的选择等方面。设计者们可以选用同步电机或者异步电机；选 择无刷电机或者永磁电机；选择交-交变频器、交-直-交变频器或者 PWM 变频器；选 择空冷、水冷或者混合方式冷却等不同的技术和方法7。 1.2 船舶电力系统数字仿真技术的发展现状船舶电力系统数字仿真技术的发展现状 船舶电力系统仿真早先起步于欧美等国家。起初，船舶电力系统仿真只是相似模 拟，五
7、十年代出现模拟计算机以后，船舶电力系统仿真便转到模拟机上，六十年代数 字计算机的普及使得船舶电力系统的一些静态问题开始用数字计算机仿真。自此，船 舶电力系统仿真就分为两个分支发展。一方面在寻求实时、在线分析工具；另一方面 在不断改进离线分析程序， 来提高计算机能力。 两方面各有其局限性， 不能相互取代， 因此同时受到人们重视8。 离线仿真程序在六十年代，主要是用来仿真船舶电力系统的一些静态问题。在七 十年代，船舶电力系统的动态特性在开始用数字机仿真之初，只考虑暂态稳定。八十 年代，船舶电力系统数字仿真主要是完善仿真工具，更详尽地表示船舶电力系统的动 态元件，推出包括电磁与机电暂态过程的仿真交互
8、式软件包。 实时仿真主要分为纯数字在线实时仿真和混合实时模拟。混合实时模拟系统早期 见于报道的有英国帝国理工学院的实时混合模拟器；The University of Missovri -Columbia 研制的混合模拟系统是专门研究长期动态过程的，发电机模型是用派克方 程描述的。 上海交通大学工程硕士生学位论文 第一章 绪论 第 3 页 国外还有一些混合仿真系统，由于并用了专用混合计算系统和通用混合计算机， 降低了成本， 增强了灵活性， 美中不足的是这样的一些系统的模拟几乎都是非实时的， 而且组建这样一套系统投资不菲。 国内，采用系统数字仿真的方法来研究和分析船舶电力系统正常运行状态和受干 扰
9、后的动态过程起步较晚。目前，我国从事船舶电力系统计算机仿真的单位和专业人 员较少，主要是采用传统的等效法进行船舶电力系统计算机仿真建模，适用于中、小 型船舶电力系统。 船舶电力系统仿真的发展可以从以下几个方面来分析：模型的精细程度、数字仿 真数值方法的多样性、船舶电力系统仿真软件设计方法的改进。 未来船舶电力系统仿真将会以较快速度发展，因为目前存在快速发展的必要性和 可能性。作为船舶电力系统科研、规划、设计和培训运行人员不可缺少的工具，船舶 电力系统数字仿真必定会有新的发展和突破。其次，从船舶电力系统数字仿真发展的 技术准备来看，近几年来与系统仿真有密切关系的新技术发展很快，为船舶电力系统 数
10、字仿真发展提供了有利条件。 这些新技术包括： 数模混合实时仿真、 面向对象技术、 现代数字仿真技术、高性能的可视化数值计算工具软件9。 1.3 船舶电力推进变频调速仿真模块的目的与意义船舶电力推进变频调速仿真模块的目的与意义 采用全电推进的船舶电力系统作为一个独立的综合供电网络， 与陆上的大型供电 网络有本质上的区别，也与由独立推进电站向推进电动机供电的情况不同。首先，船 舶电力系统的电源和负载具有可比性。一般来说，船舶推进功率通常占供电网络总功 率的60%70%甚至更大，这对负载和电源的管理，系统组成、配置以及运行控制和 调度提出了更高的要求；其次，在船舶电力系统中，以电力变换器与交流推进电
11、动机 的技术组合为核心的交流化技术得到了广泛的应用10。而由此带来的电力谐波污染 问题、变换器与电源以及传动系统之间的相互作用等问题，目前还缺乏有效的评估手 段；另外，海洋环境的复杂多变决定了船舶电力系统运行工况的复杂性，这使得船舶 中心电站所面临的稳定性问题变得更加严峻。面对这些新问题和新现象，需要对船舶 电力系统进行大量的试验和研究。 由于种种原因大多数情况下不具备在原型上做试验 的条件，这时具有良好经济性和实用性的数字仿真就显得尤为重要了。 船舶采用电力推进后，其推进的动力设备由传统的汽轮机和柴油机变成了电动 机。由于船舶电力推进系统的这个特点，船舶的推进系统占用了整个船舶电力系统的 大
12、部分。如果电动机直接起动或调速，则会对整个船舶的电力系统造成较大的波动， 上海交通大学工程硕士生学位论文 第一章 绪论 第 4 页 而影响其它设备的正常运行。而通过船用变频器进行变频调速，则可实现电动机的软 起动，而且其调速效果好；另一方面其也有节能的效果。因此，作为连接电机和电网 的枢纽，船用变频器是整个变频调速系统的核心。通过对变频调速的仿真研究有助于 电力推进技术在船舶领域的进一步推广与应用，具有十分重大的意义11。 1.4 课题主要内容和设计思路课题主要内容和设计思路 目前， 世界上各个国家采用电力推进的大型船舶中， 其变频调速系统主要有两类： 一类是交-交变频调速系统；另一类是交-直
13、-交变频调速系统12。针对这两种变频调 速控制方案，我们分别进行了对比，并剖析了其控制算法的异同。 在本文中，我们采取的是：先单相，后三相；先开环，后闭环的思路。本文研究 的主要内容如下： 1） 对常见的几种电力推进系统调速技术与调速器控制方式做了比较详细的介绍， 比较了各种调速方式和控制方式的优缺点。 通过借鉴当前国际上比较盛行的船舶电力 驱动方式，确立了基于余弦交点法控制的交-交变频驱动和基于正弦脉宽调制SPWM 的交-直-交变频驱动两套方案。 2）研究分析了交-交变频器和交-直-交变频器的基本原理和拓扑结构。 3）在某船舶电力系统数字仿真平台上搭建交-交变频器和交-直-交变频器的主电 路
14、和触发模块。由于涉及保密内容，本文不对该数字仿真平台进行详述。 4）在仿真平台搭建的模型基础上，通过带上各种不同性质的负载，得到了在不 同负载情况下的仿真结果。仿真结果与预期的效果基本一致，完成了交交变频模块和 交直交变频模块的仿真设计。 5) 最后，对船舶电力推进变频调速模块的进一步仿真开发进行了展望。 1.5 本章小结本章小结 本章先介绍了电力推进技术近百年来的发展历史沿革，接着介绍了本文研究目标 所属的船舶电力系统数字仿真技术的发展概况， 然后阐述了船舶电力推进变频调速仿 真模块开发的目的与意义。最后简述了研究开发的主要内容和设计思路。 上海交通大学工程硕士生学位论文 第二章 船舶电力推
15、进系统调速技术介绍 第 5 页 第二章第二章 船舶电力推进系统调速技术介绍船舶电力推进系统调速技术介绍 2.1 船舶电力推进系统典型调速方式船舶电力推进系统典型调速方式 船舶电力推进系统的核心是主推进电动机的调速控制系统。 直流电动机的转速容 易控制和调节，可进行连续控制和微速调节，能迅速进行正倒车操纵，并能连续得到 适应于推进器负载特性的转矩特性，但是直流电机有功率限制，当负载较大时电机的 体积很庞大并且电刷容易出故障，因此只能局限在较小的舰船。随着电力电子技术的 发展和交流传动技术引入船舶电力推进领域， 现在新的船舶电力推进普遍采用交流变 频调速技术。交流调速系统由交流电动机、电力电子功率
16、变换器、控制器和检测器等 部分组成，电力电子功率变换器与控制器及电量检测器集中于一体，称为变频器。根 据被控对象和交流电动机类型的不同， 现代交流调速系统可分为异步电动机调速系统 和同步电动机调速系统13。由同步电动机转速公式 n= 60f/p 可知，改变同步电动机 转速的一个主要方法是改变供电侧电源频率，即变频调速。纵观船舶电机驱动方式的 发展过程，下述变频/变换器都得到了不同程度的应用14： 直流变换器或可控硅整流器(Silicon Controlled Rectifier，SCR)，它一般适用于直 流电动机； 周波变换器或交-交变换器或循环变换器(Cycloconverter)，它一般适用于交流电 动机，主要是同步电动机； 电流源型逆变器/变换器(Current Source Inverter， C
