船舶电力系统的分析与应用

2018-03-07

武汉船舶职业技术学院学报 2018年3期

(武汉船舶职业技术学院，湖北武汉 430050)

船舶研发与制造技术在一定程度上可以反映出一个国家的综合国力，随着经济的不断发展，世界各国之间的经济贸易也日趋频繁，船舶制造业随之蓬勃发展，全球航运与贸易公司对超大型集装箱船和超大型油轮的需求不断增加，向超大规模方向发展海运已成为一大趋势。船舶电力侧推器系统在超大型集装箱船舶和超大型油轮上已开始广泛投入使用，船舶辅助电力推进系统在部分船舶上也开始应用，除此之外，在一些船舶中，其主推进器也采用了电力推进的方式，从而导致了船舶电站的容量增加[1]。随着科学技术的不断发展与进步，船舶制造与研发逐渐朝着多功能化、节能化的方向发展，许多相关的船舶企业与研究单位已经开始将研究重点逐步转移到面向船用控制等相关设备方面。作为船舶的重要组成部分和船舶先进技术的标志性指标，船舶电力系统的研究一直占据着船舶重点领域的地位，它为整个船舶的所有电气设备提供电能，是保障船舶安全稳定运行的重要因素。随着船舶制造业相关技术的进步，船舶动力系统也逐渐快速发展起来，逐渐变得越来越复杂，自动化程度越来越高。因此，对船舶系统控制的稳定性和可靠性提出了更的要求。

1 船舶电力系统简述

船舶电力系统是一个高集成化的有机整体，它主要由一个或多个处于相同监控下运行的船舶电源和与船舶电源连接的船舶电网所构成，负责船舶所有电能的产生、传输、分配和消耗[2]。从上述概念来看，无论容量大小，整个船舶电力系统主要由四部分组成：电源、配电装置、电网和电力负荷。这四个组成部分的组件通过电气连接在一起，从而形成一个统一的整体系统，该整体系统中任何一个组成部分或者某一电气元件出现故障都将对整个电网造成影响，导致整个电力系统的运行出现安全风险，当情况特别严重时会造成重大的损失。因此，研究船舶电力系统具有重要的意义。

2 船舶电力系统的组成

2.1 电源

船舶上的电源通常是由蓄电池与柴油发电机组组成，其主要用途是为整个船舶提供所需电能，它主要有两种组成方式，一种是由直流发电机组和主配电板组成，另一种是由交流发电机组和主配电板组成[3]。另外，根据发电机组的工作模式，船舶电力系统又可以分为以下两类：(1)直流船舶电力系统；(2)交流船舶电力系统。电源的另一组成部件主配电板的作用是控制和监测发电机。

2.2 配电装置

配电装置是一种保护、分配、转换、控制和监视电力网、用电负荷、电能的装置；其主要任务是根据每个电气设备的性质和容量选择合理的供电模式和与之合适的配电开关。根据供电的有效范围和目的，可把配电装置分为主配电板、应急配电板、充放电板等。

2.3 电力网

船舶电网是电力传输部分，为整艘船舶的电缆和电线的总称，它是发电机、主配电板、应急配电板、分配电板、区域配电板和电力负载的连接介质，是将电源的电能输送到负载的媒介。根据船舶电力网所连接的电力负载具有的不同性质，可把它分为如下主要五种类型：(1)动力用电网；(2)照明用电网；(3)应急用电网；(4)低压电网；(5)弱电电网。

2.4 电力负载

一般将船舶上的用电设备称作电力负载，也可以称作电力负荷。按照用途大体可分为：(1)船舶各种电力拖动机械设备；(2)船舶照明设备；(3)通导设备；(4)生活及其他用电设施。

3 船舶电力系统分类

根据船舶的不同吨位与不同用途，船舶电力系统之间有着较大的差异。根据电站与船舶能源系统之间的关系以及其数量的多少，船舶电力系统一般可以分为多主电站电力系统和单主电站电力系统[4]。

3.1 单主电站船舶电力系统

除了配备一个主电站外，单主电站电力系统还配备有应急电站或停泊电站。其中，主电站用于正常情况下为各种电气设备供电；应急电站或停泊电站用于在用电载荷较低、应急或其他特殊情况下，为重要电气设备提供电能，确保它们正常工作。

3.2 多主电站电力系统

一般而言，通常将配备有至少两个主电站的船舶电力系统称之为多主电站电力系统，这种多主电站电力系统往往大多用于供电可靠性要求比较高的船舶上，如战斗舰艇、核动力船舶、航母等。为了确保供电系统的稳定性与可靠性，设计人员通常将这些电站安装在船舶上相对安全的地方。

4 船舶电力系统设计

随着船舶的节能化、自动化和大型化的程度越来越高，电气设备系统的设计任务正面临着巨大的挑战，其在船舶设计中逐渐占据着举足轻重的地位。为了建造出安全可靠性高、功能达标、经济性好、建造工艺合理的船舶电力系统，应严格遵循电力系统设计的相关规则和规范的要求。船舶电力系统的设计通常可以分为以下四个阶段：方案设计、初步设计、详细设计和施工设计[5]。

4.1 方案设计

该阶段主要是进行论证工作以及多方案的技术设计工作，并设计和确定船舶电力系统的整体概况，对关键技术进行重点分析且提出相应的解决方案。此外，方案设计还包括如下四个部分：(1)分析船舶的电力负载并确认其设计参数与组件；(2)对电压等级、电流种类和频率等主要的电气参数加以确认；(3)确定主电源装置和配电系统类型等；(4)选择主要通信导航设备的类型并对型号进行确认，基于此制定主要电气设备厂商表。

4.2 初步设计

初步设计所涉及的内容主要包括如下五个部分：1)绘制船舶电力系统整体单线图，并对自动化水平进行确认；2)估算船舶的电力负荷，以此为基础初步确定发电机组的容量和总体数量；3)基于所有的船用电气设备，确定基于电力、拖动、通信导航和照明系统等整体船舶配电系统；4)以船舶电力系统单线图为依据，通过计算得到短路电流阈值，并以此为基础选择主要配电设备的型号；5)初步确定船舶主要电气设备订货详情，包括供电设备、控制装置、配电装置、通信设备、电缆型号、无线电设备和导航设备等。

4.3 详细设计

进一步考虑船舶的总体功率负荷；为船舶上的每个子系统绘制控制图、系统图以及对应的电气设备的分布图；计算短路电流，以此为依据来设计系统保护功能和选择相关设备类型与具体型号；制定船舶整体电气设备订货明细表；制定船舶电气设备备件清单；编制航海试验大纲及有关文件；计算必要的电压降计算和照度计算等，为相关电力负载型号的选择提供依据。

4.4 施工设计

以方案设计和详细设计为依据，并充分结合造船厂的施工工艺水平与要求，严格按照技术规格书来进行施工设计，编制船舶制造、安装、调试以及验收的全套专用图样并撰写所有相关的技术文档。

5 船舶电力系统未来的发展方向

随着电气设备朝着通用化、综合系统化、配置灵活性的方向不断发展，以及计算机技术的飞速进步为船舶电力系统的综合化、集成化、智能化发展提供了强大的技术保障。另外，由于信息技术和总线技术的快速发展，船舶电力系统的网络化和自动化程度也随之水涨船高。随着自动控制理论以及计算机技术的迅速发展，船舶电力控制系统可以引入和吸收越来越多的新的控制方法与技术，可以充分利用计算机的建模优势来进行船舶电力系统的模拟试验，来验证新的控制策略的可行性。通过这种方式，不仅可以节省成本，还可以在特殊条件下利用计算机上模拟各种测试，这有利于船舶电力系统的稳定性的提高，并提升船舶供电质量。