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船海探索 船舶的“混合动力”系统是如何工作的?
时间:2022-07-05 02:57:04|来源:火狐iOS下载 作者:火狐体育苹果版 字号[大][中][小]

  船舶“混合动力”系统是指配备两种或两种以上动力源作为推进动力的系统。目前,船舶混合动力系统主要是指通过主柴油机和电动机来驱动螺旋桨的动力系统,且电动机一般由发电机组、燃料电池或储能装置等驱动,而储能装置由蓄电池或超级电容器等组成。

  船舶“混合动力”系统一般包括主柴油机、轴带发电机、齿轮箱、发电机组、配电板、变频器及其控制系统等,其具体构架和工作模式视实船具体情况而定,有的混合动力船舶还在上述基础上加入储能系统。

  (1)动力输出(Power Take-off,PTO)是指通过轴带发电机获取动力向船舶电网供电的模式,即发电模式。这是轴发的基本工作模式,PTO 模式的系统结构图如下(属于上述典型的船舶“混合动力”系统结构图的一部分):

  主机通过一体化齿轮箱驱动集成的永磁电机,电机工作于发电模式,利用永磁电机驱动器 INV11 和 INV21 分别控制 SG1 和 SG2 的发电转矩,控制母线电压,再通过逆变变流器INV12 和 INV22 把直流母线电压逆变成供全船可使用的三相交流电,逆变电源的输出频率恒定、电压恒定、谐波小于 5%,完全满足船级社“规范”对于船舶电源的要求。当船舶“下水航行”时,主机的剩余功率大,因此使用这种转矩控制型轴发可以使主机从怠速至额定转速范围内都能实现发电供电。此时,也可通过轴发向蓄电池组充电,待系统工作在 PTI 模式下,蓄电池可放电提供能量,实现节能的目的。

  (2)动力输入(Power Take-in,PTI)是指轴发由船舶电网获取动力向螺旋桨轴输出动力的模式,即电动机模式。该模式下自船舶电网获取的动力用于船舶推进,也就是“混合动力”模式,PTI 模式的系统结构图如下(属于上述典型的船舶“混合动力”系统结构图的一部分):

  一体化齿轮箱所带的永磁电机工作于电动模式,由主发电机和蓄电池供电,转换轴发变流器为电动推进模式,通过独立的遥控手柄控制输出转矩的大小,实现“加力”模式。这种模式可以根据船舶对于航速的需求,通过合理选择主发与轴发的功率分配,有效提高船舶的机动性能。例如内河船的主机选择不用预留比较大的“上水航行”应急功率,可以有效提升主机的负荷率值,这样既节约了造船成本,又使主机长期工作于高效模式,降低油耗,节能减排,延长主机寿命。

  (3)动力返回(Power Take home,PTH)是 PTI 的一种特殊形式。该模式下主机处于故障状态,轴发代替主机推进,由于轴发功率较小,因此该模式下推进动力不足以保证船舶按正常速度航行,为保证船舶“舵效”,一般要求航速能够达到 7kn,只能维持船舶缓慢回港,也叫“带你回家”模式,PTH 模式的系统结构图如下(属于上述典型的船舶“混合动力”系统结构图的一部分):

  该模式下由推进电机单独驱动螺旋桨,类似于电力推进系统。PTH 模式除在上述主机故障情况下“带你回家”,也可在主机正常而为达到节能目的时使用该模式,例如内河船舶处于“下水航行”航段时水流较大,船舶仅需很小的推力即可正常航行,该模式可以避免主机运行在低效区间,提升船舶经济性。

  在船舶的实际运行中,可以根据船舶工况适时调整运行模式,实现船舶多工况优化匹配,提升动力系统综合能效。

  根据船舶航速需求,柴油机可单独推进,也可并入电机实现并车推进,有效提升船舶动力系统的机动性能。

  柴油推进和电力推进可独立运行,在主机故障时可采用 PTH 模式,有效提高动力系统的冗余性和安全性。

  在低速状态下电机推进,可减少主机在低效率工作区间的工作时间,有效减少排放。

  电力电子技术及新能源技术的发展,船舶推进系统正由单一的柴油机推进系统逐渐向混合动力推进系统方向发展。较以往船舶推进系统选型设计时只考虑最大功率匹配而不考虑环保性要求,混合动力推进系统既能满足船舶动力性需求,又能满足船舶环保性需求,更有利于船舶智能化发展的需要。

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