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现代综合能源电动船舶的电力推进技术

中国水利水电出版社
    【作 者】庞志森 庞 明 编著 【I S B N 】978-7-5170-1356-3 【责任编辑】陈 洁 【适用读者群】科技 【出版时间】2013-11-27 【开 本】16开 【装帧信息】平装(光膜) 【版 次】第1版第1次印刷 【页 数】268 【千字数】394 【印 张】16.75 【定 价】55 【丛 书】暂无分类 【备注信息】
图书详情

    本书探讨了一种综合能源全电动船舶的电力推进技术。立足于太阳能、风能和取用岸电的动力蓄电池与燃油发电机组相结合,构成不同组合模式的综合能源船舶电站,以风光能和岸电大幅度取代燃油,将船舶新能源与综合电力推进系统相结合,构成实用新型综合能源船舶。探讨了综合能源船舶电站的电制统一方式、运行机制和主流模式。立足于蓄电池统一电制为直流电,且作为主流模式,并利用蓄电池改造传统电站的刚性建立柔性船舶电站和微电网系统,储存风光能和岸电,增加能量供给。以间接型矩阵变换器的变频控制策略为主,介绍和探讨了推进电动机交流变频控制策略,并与多种电站模式相结合形成了实用综合能源船舶的综合电力推进系统的总体方案。

    本书可供船舶研究设计制造人员、交通水运和船厂管理人员阅读,也可作为大学船电、电气传动和应用电子技术专业师生的选修教材和创新科普读物。

    提出以动力蓄电池储存风光能岸电增加船舶能源,与燃油机组相结合构成综合能源船舶电站。

    提出立足于动力蓄电池统一多能源船舶电站的电制,形成直流电制主流模式。

    探讨了利用动力蓄电池均化风光能供应,改造传统电站的刚性,建立柔性船舶电站和综合电力推进系统的微电网的规律。

    探讨了利用IMC 间接型矩阵变换器作为综合能源的交直流电源直接并联运行的工作平台,并同时形成交直流电网,实现多用户逆变器输出,构成综合电力推进系统的可能性。

    提出以风能为主利用风光能和岸电的策略,立足于传统船舶形式,采用磁悬浮风力发电技术,实现以清洁绿色能源全面满足船舶能量需求,推出实用绿色环保电动船。

    前 言

    现代综合能源电动船舶是现代能源工程与船舶工程的结合。太阳能和风能是目前最安全最清洁的绿色能源,而且是储量最大的综合能源。当地球上的化石燃料即将枯竭的时候,将替代能源瞄准风光能显然是一种正确的选择。本书正是立足于这一思路,试图以太阳能和风能发电装置和取用岸电的蓄电池与燃油发电机组相结合构成综合能源船舶电站,并形成适应不同需求的能源组合模式和船舶模式,进而采用现代综合电力推进系统理念来探讨具有现代气息的综合能源电动船舶的电力推进技术。本书主要围绕以下的主线和问题展开。

    目前风、光能发电装置的能量密度较低,导致船舶能量供不应求。例如已经完成全球试航的德国制造世界首条全太阳能电力推进船舶“星球阳光”号,不得不采用新概念三体船形,以极大地增加船舶受光面积,其长宽分别为31米和15米,这种船形无法使用,而对于太阳能舍此别无办法。那么,立足于传统船舶形式又如何呢?本书的回答是肯定的,技术出路在于转而以风能为主来利用风光能,并以磁悬浮风力发电技术的突破来获得高能量密度,从而能够立足于传统船舶形式,全面满足船舶能源需求。这是因为磁悬浮风力机可利用微风而极大地增加利用风光能的效率时间和机会,这至少可适用于小型船舶。原因在于理论和实践都证明光伏电池只能利用照射面积上的太阳能,而风力机可利用整个环境中温度差形成的广义太阳能,只要有温度差,而不一定有太阳光,就有风能,显而易见的事实是在缺乏太阳光的冬天也不乏西北风。

    为了扩大风光能的利用,必须采用动力蓄电池储能,从而利用过去的风光能,以便于移峰填谷均化能量供应,并取用岸电防止阴雨天而保持工作连续性。岸电清洁廉价,能以岸电取代燃油是船舶的一种进步,因为岸电是综合能源大规模供电供热统一模式高能效的产物,而船电是小型燃油机组以油换电的低效污染的结果。动力蓄电池进入船舶电站将带来许多新功能,不仅可优化资源配置,而且对于建立微电网和改造传统电站刚性具有不可替代的作用。微电网是一种既能够并网运行,又能够独立运行的系统,以蓄电池建立微电网完全符合2011年IFAC国际自动控制联合会第18届世界大会的学者提出的建立储能充电放电状态的特殊模型来保障电力供应的思路。电站刚性表现在多方面:时刻全面满足需求、发电用电的同时性、PWM技术的谐波污染、电力电子元器件的快速性要求、电动机启动停止时都会引起电网波动等。蓄电池改善电站刚性的表现为:改变发电用电的同时性,以蓄电池作用协助电站供电提高运行速度,并能够在电机断电时吸收电网中瞬间冲击式能量,这缘于蓄电池兼有电源与用户的双重角色,且在以上四种电源中具有唯一性。为了改变刚性建立柔性船舶电站,需要立足于动力蓄电池并应用瞬时功率理论,本书对此进行了说明。

    综合能源可形成多种性质的电源,电站需要统一电制和电源,为此,需要比较各种电源特性、讨论电制统一方式和统一结果的等效电源性质。热力发电机组作为瞬时功率发生器,系统复杂惯性大,过渡过程反应慢动态性能差,而静态性能好;反之蓄电池作为储能器,可在瞬间将长时间储存的能量放出,其动态性能好反应快,而静态性能差。多种电源可以互补而强化电站功能。由此产生能量源、功率源、快速机动电源、静音电源、静态负荷、动态负荷等多种概念和作用,对此进行了讨论。由于直流电制和电源具有许多优势,例如可回避交流电频率相位差和并联运行的复杂控制内容,所以将其作为电制主流模式。这与当前电推技术的发展理念也是吻合的。除了采用整流统一电制以外,还可以采用间接型矩阵变换器方式。它将虚拟整流与虚拟逆变环节相结合,可轻易实现交直流电制统一或者将两者并联起来使用,且不需要整流方式的大型滤波装置而高度节能,同时可对输出线电压和输入相电流进行SVPWM 空间矢量的联合调制,具有多种用途和优势。例如可在直流电环节并联风光能发电装置和蓄电池直流电源,同时可进行多用户逆变器输出,形成类似于直流电网和母线的工作平台,极有利于综合能源的船舶电站以及综合电力推进系统的构成及运行,同时还可以利用蓄电池快速回收船舶所有动力用户的再生制动动能,以及构成组合式控制策略。

    本书主要包括电站与推进两部分内容。电站采用综合能源重在开源,而推进控制策略的优化则重在节流以及提高性能,开源与节流的结合就是综合能源船舶的总体原则与方案。节流包括推进控制策略与采用新型推进方式。讨论了多种控制策略,且重点探讨了间接型矩阵变换器及调制算法的变频控制策略,以及它与传统控制策略相结合而形成组合式控制策略,例如直接转矩控制矩阵式变换器-异步电动机组合式控制策略调速系统。提出了一种直线推进方式,即双轮带式桨叶推进器,与螺旋桨推进效率相比的理论计算几乎可提高一倍。在探讨直线推进的机械形式及电气控制方案的基础上,形成了直线推进系统方案。在重点分析控制策略和立足于电制统一的等效电源的基础上,将电站与电推方案两部分结合起来,形成了综合能源船舶实用的总体方案,并且结合笔者的实践进行了举例。

    本书特点是立足于普及推广电推技术,力求贴近实际应用,所以对于基本概念和原理进行了较为详细的说明。例如在前几章中,详细比较了传统船舶柴油机推进与电推的能量效率差异,希望迅速取代柴油机推进,详细讨论了船舶电站与推进工作原理,从动态与静态负荷、能量与功率供应角度提出满足用户需求的理论,由此再来分析多种电源的性能与作用,以便于综合能源电站的构成和发挥多种电源的特性。在分析中结合多年工作经验提出了独自的见解。

    本书的主要内容都是在近几年中获得的专利内容和研制国内第一条开放水域B级航区蓄电池电动旅游船舶的实践总结、以及理论探索,包括在制定电动船舶的企业标准中的体会。例如直线式推进船和风光电综合能源电动船、以及永磁同步电动机矢量控制无齿轮箱推进装置都是团队的专利,后两者是发明专利。

    由于水平有限,书中错误在所难免,衷心希望读者不吝赐教。在本书出版之际,我们要感谢团队的王文忠船体高级工程师,他为本书提供了船体方面的资料,同时要感谢为我们提供实践平台的宜昌发中船务公司的张大中总经理,在此谨致衷心的谢意!

    编著者

    2013年9月

    前言
    第1章 总论 1
    1.1 电力推进概述 1
    1.1.1 电力推进的概念 1
    1.1.2 电力推进与热力机直接推进的差异 2
    1.2 现代综合能源电动船舶概述 3
    1.2.1 综合能源电动船舶的概念 3
    1.2.2 综合能源的运行原理 5
    1.3 现代综合能源电动船舶的主要特征及其与传统船舶和汽车的差异 6
    1.4 现代综合能源电动船舶基本分类和主流模式 8
    1.4.1 分类原则概述 8
    1.4.2 主流模式 11
    1.5 主流模式的特点对比及用途概述 14
    1.5.1 主流模式的特点 14
    1.5.2 主流模式对比及其用途 16
    1.6 现代综合能源电动船舶的工程哲学 20
    1.6.1 树立正确的科技哲学理念 20
    1.6.2 未来船舶的能源出路和撑起水上的一片蓝天 21
    1.7 船舶电力推进的发展趋势 23
    第2章 综合能源船舶电站和电力推进的一般性问题 25
    2.1 船舶电站和电力推进的基本运行原理 25
    2.1.1 电力推进的动力学原理与电气传动原理 25
    2.1.2 船舶电站与推进电动机的工作特性 28
    2.1.3 电网互补原理 30
    2.2 电力推进的机械特性及其功率估算 31
    2.3 综合能源船舶电站的数学物理模型 33
    2.4 综合能源在电站中的相互关系和作用 35
    2.4.1 主能量源和辅能量源 35
    2.4.2 静态负荷和动态负荷 36
    2.4.3 能量源与功率源 39
    2.5 柔性船舶电站电网系统与瞬时功率理论 42
    2.5.1 柔性船舶电站电网系统的概念 42
    2.5.2 柔性船舶交流电站电网系统的技术基础——瞬时功率理论 44
    2.6 动力蓄电池对于柔性船舶电站和综合能源的作用 49
    2.6.1 动力蓄电池是扩大综合能源利用的关键 49
    2.6.2 蓄电池是改造刚性船舶电站的重要因素 51
    第3章 现代综合能源电动船舶及其带有动力蓄电池的船舶电站 53
    3.1 现代综合能源电动船舶的主要特点 53
    3.2 现代综合电力推进系统的船舶电站与传统船舶电站的差异 54
    3.3 传统船舶电站存在的问题和技术劣势 56
    3.4 能源及其发电装置自身的劣势 58
    3.5 蓄电池的电气特性、特殊功能和工作原理 59
    3.5.1 电气特性 59
    3.5.2 特殊功能和工作原理 60
    3.6 动力蓄电池在综合能源船舶电站中的地位和作用 61
    3.7 综合能源船舶电站的特点和优势 63
    3.7.1 带有动力蓄电池的船舶电站 63
    3.7.2 综合能源船舶及其综合电力推进系统技术的优势 67
    第4章 综合能源电动船舶的船体和轮机特殊性 69
    4.1 综合能源船舶的船体特殊性概述 69
    4.2 综合能源船舶的船舶形式 70
    4.3 综合能源船舶对传统船舶空间布局的改变 72
    4.4 综合能源船舶的轮机特殊性概述 73
    4.5 柴油机推进与电力推进的工作原理对比 75
    4.5.1 能量生产与推进原理的差异 75
    4.5.2 两种推进模式中的柴油机的工作原理及工作模式的差异 76
    4.5.3 转速转矩调节性能差异 78
    4.5.4 柴油机推进与电推系统的附属配备及运行性能差异 80
    4.6 电力推进与柴油机推进的能量效率比较 80
    4.6.1 能量传递环节比较 81
    4.6.2 控制程序和工作流程比较 81
    4.6.3 空载怠速损耗比较 82
    4.6.4 运动惯性动能损耗和制动损耗比较 84
    4.6.5 控制性能导致节能情况比较 84
    4.6.6 能源供应与传递模式耗能比较 85
    4.6.7 综合节能因素比较 86
    4.7 直线推进器及其船舶 87
    4.7.1 三种推进器的工作原理分析 88
    4.7.2 直线推进器的基本结构 89
    4.7.3 直线推进的优势 90
    4.7.4 直线推进的典型方案 92
    4.7.5 直线推进的电轴系统——同步旋转系统[10][11] 93
    第5章 综合能源电动船舶的光伏发电装置和风力发电装置 98
    5.1 船舶利用风光能发电技术概述 98
    5.2 太阳能发电系统 100
    5.2.1 光伏发电的原理——光伏效应 100
    5.2.2 光伏电池的特性 101
    5.2.3 光伏发电系统的结构及控制 103
    5.2.4 光伏发电系统的逆变技术 105
    5.3 风力发电系统 109
    5.3.1 风力发电原理及风力机的效率 109
    5.3.2 风力发电系统的功率和速度调节 113
    5.3.3 风力发电系统的频率调节 115
    5.3.4 风力发电装置分类 116
    5.3.5 速度调节型变速恒频技术的工作原理 117
    5.3.6 船舶利用风力发电的基本特点 119
    5.3.7 风力发电系统的结构和控制 122
    5.3.8 船舶利用风能发电装置的基本模式及实用形式 124
    5.4 船舶光伏发电装置的容量估算 128
    5.5 船舶风能发电装置的容量估算 130
    第6章 综合能源电动船舶的推进电动机 132
    6.1 综合能源电动船舶的推进电动机概述 132
    6.1.1 直流电动机 132
    6.1.2 交流电动机 133
    6.1.3 永磁电动机 134
    6.1.4 开关磁阻电机 140
    6.1.5 国内外新型推进电动机 142
    6.1.6 推进电动机及其驱动系统对比 143
    6.2 综合能源电动船舶对于推进电动机的要求 144
    6.2.1 船舶推进性能对于推进电动机的要求 145
    6.2.2 电源及控制策略与推进电动机配套性的要求 146
    6.2.3 推进方式对于电动机及其控制策略的要求 148
    第7章 综合能源电动船舶的动力蓄电池 150
    7.1 综合能源电动船舶的动力蓄电池概述 150
    7.1.1 动力蓄电池的概念及用途 150
    7.1.2 动力蓄电池的主要类型及性能比较 151
    7.2 磷酸铁锂离子电池简介[14] 152
    7.3 不同运行模式中的蓄电池的不同作用 154
    7.3.1 独立推进的能量源作用和储能器作用 154
    7.3.2 静音电源作用 155
    7.3.3 功率源作用 156
    7.3.4 蓄电池与发电机组及多种能源的互补作用 157
    7.3.5 机动快速电源作用 158
    7.3.6 应急电源作用 159
    7.3.7 蓄电池对于刚性船舶电站的改造作用 160
    7.4 综合能源船舶对动力蓄电池的要求 163
    7.4.1 一般性综合要求 163
    7.4.2 不同船舶模式对于动力蓄电池的要求 164
    第8章 综合能源电动船舶的推进控制策略及技术 169
    8.1 综合能源电动船舶的推进控制策略概述 169
    8.1.1 推进控制策略与电源变换 169
    8.1.2 控制策略的优劣综述 171
    8.2 基本控制要求和控制规律 172
    8.2.1 基本控制要求 172
    8.2.2 基本控制规律 173
    8.3 控制技术和控制元器件概述 174
    8.3.1 控制技术概述 174
    8.3.2 控制元器件——电力半导体开关元器件概述 177
    8.4 直-交变换变频控制策略和技术[8][9] 178
    8.4.1 V/F变压变频调速 179
    8.4.2 矢量控制 181
    8.4.3 直接转矩变频控制 186
    8.5 交-直-交变换变频控制策略和技术 189
    8.5.1 矩阵式变换器交-直-交变换变频控制策略和技术概述 189
    8.5.2 间接型矩阵式变换器 191
    8.6 组合式控制策略[16] 202
    第9章 综合能源电动船舶的能源组合及其电站构成 204
    9.1 综合能源的组合与电能供应 204
    9.2 综合能源的选择 207
    9.2.1 风力发电机组选择 207
    9.2.2 太阳能发电装置选择 210
    9.2.3 燃油发电机组选择 211
    9.2.4 动力蓄电池的选择 213
    9.3 综合能源电动船舶的电站构成方式 214
    9.3.1 电站构成方式概述 214
    9.3.2 风光电模式的交-直整流式独立运行电站 221
    9.3.3 电油混合能源船舶电站 222
    9.3.4 风光电油综合能源的船舶电站 224
    9.4 综合电力推进系统与柔性电站 226
    9.5 无波动电站与电网的运行原理及构成 228
    第10章 现代综合能源电动船舶的综合电力推进系统总体方案 232
    10.1 综合能源电动船舶的综合电力推进系统总体方案概述 232
    10.1.1 选择和确定总体方案的原则 232
    10.1.2 推进总体方案构成方式概述 233
    10.2 推进总体方案的类型 235
    10.2.1 直流电动机电力推进 235
    10.2.2 交流电动机电力推进 236
    10.2.3 永磁无刷电动机电力推进 236
    10.3 综合电力系统的相关问题 237
    10.3.1 综合用户的供电方案 237
    10.3.2 非推进动力用户的微电网供电及软启动与自动电压调整 239
    10.4 风光电模式船舶的综合电力推进系统总体方案 241
    10.4.1 风光电模式船舶的综合电力推进系统总体方案的构成 241
    10.4.2 风光电模式船舶总体方案举例 242
    10.5 电油混合能源船舶的综合电力推进系统总体方案 243
    10.5.1 电油混合能源船舶的综合电力推进系统总体方案的构成 243
    10.5.2 总体方案举例——间接型矩阵控制系统 246
    10.6 风光电油综合能源船舶的综合电力推进系统总体方案 249
    10.6.1 风光电油综合能源船舶的电力推进总体方案的构成 249
    10.6.2 总体方案举例——直接转矩控制矩阵变换器 252
    参考文献 255
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