1、新能源与电力电子在船舶电力推进中的发展和应用汤天浩(上海海运学院物流工程学院,上海200135)摘 要:在新能源与电力电子技术飞速发展的今天,绿色交通工具已成国内外研究的热点,船舶电力推进系统将是其中重要的应用领域之一。本文主要 论述功率变换装置在新能源供 电系统中的核心作用、 电力电子变换技术与现代电源技术的融合,探讨集成供电系统的电源变换、智能管理及安全控制等问题,并试图从系统结构、 变流模式、控制方法和电力电子器件的应用等方面讨论船舶电力推进系统的应用。关键词:新能源;电力电子;电力传动控制;船舶;推进系统中图分类号:U66513 文献标识码:ANew Energy and Power
2、Electronics and Their Applicationin Marine Electric Propulsion SystemsTANG Tian2hao(Logistics Engineering College , Shanghai Maritime University , Shanghai 200135 , China )Abstract :With the fast development of new energy and power electronics , the“green vehicles”have been paid more attention by do
3、mestic and international researchers , in which marine electric propulsion systems will be one of the most important applied areas. This paper discusses some problems on the core roles of power converters in electrical source systems with new energies , the technique fusion of power electronics with
4、 modern power supply , and the hybrid power supply methods by different energies. The main topics will be focused on the power conversion , intelligent management , security control and application prospects.Key words : new energy ; power elect ronics ; elect ric drive cont rol ; ships ; propulsion
5、systems0 引 言自世界上第一艘以蒸汽机为动力的船舶问世以来,以热机(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船舶推进的主要方式,在船舶动力装置中占据了主导地位。然而,一方面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难以解决的问题;另一方面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。近年来,国内外在新能源开发和利用方面,将风力发电、
6、太阳能电池和燃料电池等作为当前电气工程重要的研究领域和发展方向,并取得了重要的成果。例如:美国和加拿大等国家在燃料电池的化学反应机理、合成材料和反应堆研制等方面取得了突破; 法国、日本等国家正在开展燃料电池、太阳能应用于船舶的研究。国内在这方面相对比较落后,特别是在以燃料电池为动力装置的电力推进船舶研制方面几乎是空白。目前,利用新能源作为动力系统需要解决的关键问题是电能的转换,即通过电力变换装置使发电设备输出的电能在形式上与现有的用电设备的要求相匹配,在品质上满足用户的需求。如何采用电力电子开关器件构造合适的电力变换装置是能否解决上述问题的关键。随着电力电子器件、变流技术、 传动控制系统以及新
7、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1 。但是,长期形成的学科体系和行业的条块分割,成为制约新能源与电力推进系统广泛应用和发展的主要瓶颈之一。因此,特别需要通过学科交叉研究和开发与新能源发电设备配套的电力电子功率变换器,通过系统集成形成产品,以方便用户。而且,由于船舶系统的专业性和特殊性,这一大功率电力传动控制系统的重要应用领域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。这也同时给电力电子与传动控制领域带来一个巨大的发展机遇和空间。1.新能源发电方式能源都来自于自然界,基本上可以分为可再生能源和不可再生能源两大类2 ,可再生能源的
8、利用是当前研究和开发新能源供电方式的重要课题。其研究热点主要集中在风力发电、太阳能电池和燃料电池方面。1.1风力发电人类利用风能的历史可以追溯到公元前,我国是风能开发和利用较早的国家之一,早在3000 多年前就开始以风能作为动力进行磨面、提水和航海。但数千年来,风能技术发展缓慢,没有引起人们足够的重视。自1973 年世界石油危机以来,风能作为新能源的一部分才重新有了长足的发展。目前,风力发电已成为风能利用的主要形式,受到世界各国的高度重视,而且发展速度最快。风力发电通常有3种运行方式:一是独立运行方式,通常是一台小型风力发电机向一 户或几户提供电力,它用蓄电池蓄能,以保证无风时的用电;二是风力
9、发电与其他发电方式(如柴油机 发电) 相结合的联合供电方式,向交通不便的边远山村、沿海岛屿或地广人稀的草原牧场提供电力;三是并网型风力发电运行方式,安装在有电网且风力资源丰富的地区,常常是一处风场安装几十台甚至几百台风力发电机,这是风力发电的主要发展方向。1.2太阳能电池自上世纪50 年代第一块实用的硅太阳电池研制成功,太阳能光电技术已历经了半个世纪的发展。目前占主流的太阳电池是硅太阳电池,它又分单晶硅太阳电池、多晶硅太阳电池(总称晶体硅太阳电池 ) 和非晶硅太阳电池。目前, 单晶硅太阳电池组件的平均效率已达到3 %15 % ,多晶硅太阳电池组件的平均效率已有12 %14 %。未来的研究趋势表
10、现为两方面:一方面,研究新的光电技术,比如有机纳米晶太阳电池;另一方面研究晶体硅薄膜太阳电池,开发 大功率太阳能模块,这些模块由单晶硅制成,再罐装到经过特别处理的双层玻璃之间。这些大功率太阳能模块产生的能量比其他太阳能电池要大10 %左右。与此同时,太阳能光电技术应用系统方面,在历经了交通信号、通信、管网保护和边远无电、缺 电地区的居民家庭供电等方面的特殊场合应用以后,现在正在迈向较大规模的商业应用。一方面,兆瓦级阳光电站不断出现,在已建成的兆瓦级电站中,最大的已达到6. 5 MW;另一方面,近年来许多国家的政府都非常重视屋顶阳光发电系统的发展。这些系统以家庭为单位进行安装供电,同时为了降低造
11、价省去储能部件(蓄 电池) ,与大电网相联,互相补充电能。1.3燃料电池早在1839 年,英国人W. Grove 就提出了氢和氧反应可以发电的原理,这就是最早的氢2氧燃料电池(FC) 。近年来,由于一次性能源的匮乏和环境保护的需要,要求开发利用新的清洁可再生能源。由于燃料电池具有能量转换效率高、对环境污染小等优点而受到世界各国的普遍重视。燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能,直接转化为电能的装置。当源源不断地从外部向燃料电池供给燃料和氧化剂时,它可以连续发电。依据电解质的不同,燃料电池分为碱性燃料电池(AFC) 、磷酸型燃料电池(PAFC) 、熔融碳酸 盐燃料 电池(MCFC) 、固体
12、 氧化物燃料电池( SOFC) 及质子交换膜燃料电池(PEMFC) 等3 。燃料电 池不受卡诺循环限制,能量转换效率高,且具有洁净、无污染、低噪声、模 块结构、高功率比、可积木化及连续工作等特性。由于燃料电池是目前惟一同时兼备上述优良性能的能量转换装置,因此,被称为是继水力、火力、核能之后第四代发电装置和替代内燃机的动力装置,将在国防和民用的电力、汽车、通信等领域发挥重要作用。2.新能源与电力变换装置的系统集成2.1风力发电系统集成方案风力发电机组在不同风速条件下工作时,其发电机输出的电压幅值和频率是变化的,因此需要配置电力电子功率变换器,通过功率变换器的换流控制,使输出电压达到恒压恒频的要求
13、。功率变换器与风力发电机的系统集成有两种方案:直接输出型风力 发电系统和双馈型风力发电机系统。图1 给出了风力发电系统的结构。通常,用于调速风力机的功率变换器要求能够四象限运行,因此可以选择交直交间接变频或交交直接变频两种变流方式。在交直交变频方式中,可采用晶闸管整流与晶闸管逆变的交直交六拍变频器,或采用PWM 整流与PWM 逆变的双PWM 变频器。在交交变频方式中,可采用循环变频器,或采用矩阵式变频器(MC) 。由于晶 闸管六拍 变频器和循环变频器都属于相控变流控制方式,存在网侧功率因素低和输出谐波高的问题,对电网和发电机均会造成电力污染和不良影响。MC由于换流复杂等因素,目前正处于研究发展
14、之中。PWM 变频器技术比较成熟,并作为变频电源大量应用于交流调速系统。但对于大容量的风力发电机,则不能直接采用IGBT 等开关器件的PWM 变频器作为电力输出的变流装置。此 时,可以采用绕线转子异步发电机,通过转子馈电方式调节发电机的定子输出电压4 ,其控制思想与文献 5 相似。2.2太阳能供电系统集成方案典型的太阳能供电系统是通过太阳电池阵列的光电转换,将太阳能转变成电能,再由功率变换器将太阳电池输出的直流电转换成用户所需的电源形式。根据用户要求,功率变换器可以选择直流斩波器进行DC/ DC 变换,或采用逆 变器进行DC/ AC 变换 。此外,功率变换装置还应包括蓄电池系统,以平衡用电需求
15、。当阳光充足时, 由太阳电池供电,同时向蓄电池充电;当夜晚或阳光稀少时,由蓄电池供电。变流器的电路结构如图2 所示。2.3燃料电池供电系统集成方案燃料电池发电系统的结构如图3 所示,系统通过由直流斩波器与逆变器组成的功率变换装置,使燃料电池的输出电压与用户需求相匹配。必须指出,由于燃料电池的输出特性较软,即使是向直流负载供电,也需要设置DC/ DC 变换环节 ,由直流斩波器或开关 电源输出直流电,而不能由燃料电池直接供电。这样,在电能变换方面,燃料电池发电系统与太阳能供电系统具有相似的变流电路结构,即对于直流负载,可采用DC/ DC 变换器 ,对于交流负载,可采用DC/ AC 变换器。2.4电
16、力电子变流技术的关键如上所述,新能源电力系统的共同特征是需要进行电源变换,其基本电路结构都可分为以下4 个部分。(1) 电源部分。它的作用是为控制器提供电源。控制器往往需要5 V 或+ 12 V 控制电源,因此需要通过DC/ DC 或AC/ DC 变换装置,得到所需的直流 电压。(2) 主电路及其 驱动电路。作为主电路的开关元件为功率电子器件,它们构成了DC/ DC 或DC/AC 变换电路,驱动电路的设计与制作应与功率电子开关器件的门极驱动电路相适应。(3) 控制电路。控制电路已经历了从模拟电路、集成电路到专用集成模块的发展,计算机技术也从微处理机、 单片微机发展到 DSP 技术。(4) 保护
17、电路。出于对系统安全运行的考虑,需要设置诸如过电流、过电压、过负荷、 过低负荷、欠电压、停机后在各种条件下的自启动等许多保护环节,要根据所选用的控制器件、控制电路因地制宜地把它们设置到电路中去。仅电能变换电路的设计和研制而言,就涉及到电子技术、电力电子技术、自动控制技术和计算机技术等诸多领域的学科交叉和技术融合。当前,电源技术的发展方向是高电流密度、高转换效率、高功率因数、高可靠性、低噪声和低谐波干扰6 。为此,一些新技术不断发展和融合,以进一步完善电源技术和推进新能源的应用。对新能源电力系统有重要作用的技术有:软开关技术 :是解决高频开关损耗、提高电流密度和转换效率的有效手段。目前,软开关技
18、术已经在DC/ DC 变换 和AC/ DC 变换中得到应用,比如:谐振变换器(Resonant converters) 、准 谐振变换器(Quasi-resonant converters)、多谐振变换器(Multi-resonant converters) 、零开关PWM 变换器( Zero switching PWM converters) 和零转换PWM 变换器(Zero transition PWM converters) 等7 ,由于新能源电力系统中电能变换主要是DC/ DC 变换和AC/ DC变换两种方式,因此,软开关技术的应用显得尤为重要。功率因数校正( PFC) 技术:是提高功
19、率因数和降低谐波污染的重要途径。近年来, PFC 技术已成为电力电子领域的研究热点,首先在单相PFC 电 路方面取得成果,现已从电路拓扑、控制策略 发展到集成模块, 比如: 可用于Buck 、Boost 、Buck2boost 、Cuk 等DC/ DC 基本变换电路的专用或通用的PFC控制器 8 。目前的研究重点在三相PFC 控制技 术上,比如: 单开关、多开关以及软开关三相PFC 电路的研制。而软开关技术 与PFC 技术的融合是发 展的新趋势。电源管理系 统(PMS) 技术:是提高电源效率和系统可靠性的新方法。PMS 将智能控制和管理的思想引入电力系统,从发电、配电及用电等各个层次,对电能进
20、行分配、监测、控制、管理和安全保 护等。其主要功能包括:电能分配;优化控制;状态监测;故障诊断;容错控制。实现上述功能的核心技术如下: 计算机技术,如数据库、网络 通信、 现场总线等;自动控制技术,如过程监控、最优化算法、容错控制等;人工智能,如模式识别、专家系 统、模糊 逻辑、神经网络、遗传算法等。特别重要的是这些技术的融合,包括各种技术自身内部的融合,以及各种技术之间的融合。总之,技术融合是新能源电力系统未来发展的关键和必然趋势。3.船舶电力推进系统应用3.1系统结构船舶电力推进系统可采用变速电动机拖动定距螺旋桨(FPP) 驱动模式,或采用定速电动机拖动变距螺旋桨(CPP) 驱动模式 ,并
21、根据船舶驱动所需的功率可选择1 台电动机单独拖动或多台电动机联合拖动的方案。对于采用多台 电动机联合拖动情况,又可分为串联驱动模式或并联驱动模式。如图4 所示, (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。3.2调速方法目前,由于电力电子变流器的广泛应用,船舶电力推进系统一般采用可变速电动机拖动FPP 的驱动模式。如图5 所示,常用的船舶电力推进系统的调速方法有4 种9 :(1) 图中(a) 为采用晶闸管整流器供电的直流调速系统。这种电力推进方式由于受到直流电机换向器的限制,其功率不能超过5 MW。而
22、且,由于直流电机的电刷和换向器经常需要维修保养,并容易出故障。因此,目前已不再选择这种调速方法。 为解决上述问题,近年来永磁电机得到发展,但因其功率更小,只能用在小功率的船上。(2) 图中(b) 为采用晶闸管整流 桥反并联方式的循环变流器(交交变频器) 供电的交流调速系统。在常规的循环变流器交流调速系统应用中,可以选择异步电动机或同步电动机作为驱动电机。然而,在船舶电力推进系统的应用中,一般主要选择同步电动机作为驱动电机。这是因为同步电动机的气隙较大且具有较高的鲁棒性,加上发电的同步发电机与拖动的同步电动机的结构相同,在大功率的应用场合更易匹配。此外,循环变流器的低频大功率特性,使采用循环变流
23、器供电的同步电动机调速系统更适合于需要低速大转矩的船舶电力推进应用场合,比如需要零速大力矩的破冰船。(3) 图中(c) 为采用同步变流器(交直交电流源逆变器) 供电的交流调速系统。由于系统在网侧和负载侧都采用晶闸管自然换向的变流方式,因此只能选择同步电动机作为拖动电机。这种同步变流器与同步电动机组合的电力推进方式,由于其简单可靠,成为除破冰船之外,所有船舶都适用的选择方案。(4) 图中(d) 为采用二极管整流 , PWM 逆变的交直交变频器供电,异步感应电动机拖动的交流调速系统。虽然,该方案被公认为无论是系统性能还是经济指标都很好的电力传动控制方式,但却很少在船舶电力推进系统中应用。其主要原因
24、是因为PWM 变频器需要可关断器件(比如:BJ T、GTO、IGBT 或MCT) 作为功率开关,但目前这些器件与晶闸管相比,电流容量和电压等级较低,如果用于船舶电力推进系统,需要将许多开关器件串联或并联起来10 ,不但增加了电路的复杂性,并且使系统的可靠性降低。3.3供电方式目前,船舶电力推进的电源仍以柴油发电机组为主,但由于全球石油资源的不断枯竭,因此可以预计未来的50年 将是电力推进船舶不断发展并逐步占据主导地位的重要时期,而且必须采用新能源发电系统来取代现有的电源装置。新能源开发利用需要变流技术的革新与突破。在这方面,燃料电池的研究和开发是当前的研究热点。燃料电池是利用氢和氧 发生化学反
25、应产生电的一种新的发电装置。由于在燃料电池中,氢和氧发生化学反应后仅有水被排出,因此,作为一种“清洁能源 ”被普遍认为很有发展前途。日本已研制和开发了磷酸型(PAFC) 和碳酸型 (MCFC) 燃料电池,其中MCFC 的效率已达到53. 8 %。国外认为,燃料电池最有可能率先在液化天然气运输(LNG) 船上得到应用。 这是因为在LNG 船上,可以通过气化天然气直接产生氢气,并由燃料电池发电。由于燃料电池发出的是直流电,必须通过变流器进行变换后才能得到使用,因此,采用电力电子技术研究和开发新型DC DC 变流器和DC AC 变流器,将是重要的研究课题。在未来的发展中,电力电子、变流技术和传动控制
26、系统的进步无疑将在推动船舶电力推进系统的发展中起关键作用。在这方面 ,主要研究内容及关键技术与陆上其他应用领域电力电子和传动控制需解决的问题相类似1113 。除此之外,还应解决船舶应用领域中特殊的问题。4.新型能源船舶集成动力系统在上海市教委“ 电力电子与 电力传动” 重点学科第4 期建设项目的资助下,我们开展了“新型能源船舶集成动力系统” 的研究工作。该项目主要研究几种 电能混合供电方式,着重解决集成供电系统的电源变换、智能管理及安全控制等 问题,并应用于船舶动力系统,建立基于新能源的船舶混合供电系统和电力推进系统。研究内容包括 :(1) 在混合供 电系统的研究中,主要研究燃料电池、太阳能利
27、用的实现、控制和管理等技术;电源变换技术的研究主要集中在各种电力电子变流技术、软开关技术以及功率因素校正( PFC) 技术等方面;在功率管理系统( PMS) 方面 ,将在智能优化及安全控制上有所突破。(2) 在船舶电 力推进系统的研究中,将研制基于DSP 控制的永磁直流无刷电机调速系统,或交流同步电机调速系统,并应用于船舶电力推进。(3) 研制在船舶条件下使用的新能源集成动力系统和控制系统。目前,需要解决的关键问题是:(1)DC/ DC 变换技术(包括软开关技术、PFC 技术等) ;(2)DC/ AC 变换技术(包括SPWM 技术、 DSP控制等) ;(3) PMS 技术 (包括电能分配、优化
28、和安全控制等) ;(4) 系统集成技 术(包括系统构成、状态监测和控制) ;(5) 能源系统 (包括燃料电池系统和太阳能电池系统的安装调试等) ;(6) 船舶电力推 进系统及其控制;(7) 试验船舶的建造、安装和试验等。5.结论与展望基于新能源的船舶电力推进系统作为电力电子与传动控制的重要研究领域,一方面正期待着电力电子与传动控制技术的新突破和新进展;一方面也为 本学科的发展提供了一片可以施展才华的广阔天地。新型能源船舶集成动力系统的研究成功,将有助于建立一个先进的新能源供电和电力变换技术的研究平台,为研发新能源供电装置和电力电子变流装置奠定基础;如果建造一艘装备新能源的船舶集成动力系统的试验
29、船,可以填补我国在新能源船舶研究方面的空白。参考文献:1 Li Jieren ,Tang Tianhao. Progress in the technology of modern marine electrical engineering and automationJ . Zeszyty Naukowe2Ship Electrical Powers Systems , Katedra Elektroenergetyki Okretowej , Poland ,1997 ,31 :148 - 163.2 Rechten H. 可再生能源技术A . 见:中美清洁能源技术论坛论文集C ,2001
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