【机工课堂】：海洋强国梦——船舶电力系统的发展任重而道远
船舶电力推进具有很长的发展历史，可以追溯到19世纪，1832年，由蓄电池提供电力，直流电动机驱动的电力推进船在俄国首次试验成功；1860年世界上第一艘以蓄电池为动力，电动机直接驱动的电力推进潜水艇投入使用；1886年，Volta号电力推进船横跨英吉利海峡。这类电力推进船采用蓄电池供电，直流电动机驱动螺旋桨旋转，通过直流调速控制船舶运动。进入20世纪，大部分潜水艇都采用电力推进方式。常规潜水艇在水面航行时由柴油机—发电机组给蓄电池充电，并向电动机供电驱动船舶；在水下航行时由蓄电池供电，电动机驱动船舶。核潜艇则采用原子能发电，电动机驱动的推进方式。
自20世纪20年代，船舶电力推进系统采用涡轮发电装置，由直流发电机和电动机组成的Ward-Leonard直流调速系统（G-M系统）；随后，推出了由交流同步发电机与同步电动机组成的调速系统（交流G-M）构成电力推进装置。G-M系统通过直流发电机的输出电压或改变同步发电机的频率实现转速调节，因而又称为旋转变流器。在20年代，美国建造的6艘4万马力的Mexico级战舰和2艘18万马力的航空母舰都采用了汽轮机—发电机—电动机驱动模式的电力推进系统。在第二次世界大战期间，仅美国就建造了300多艘采用柴油机—发电机—电动机驱动模式的战舰和运输舰。此后，在破冰船、科学考察船以及其他特殊用途船舶上也陆续装备了电力推进系统。例如： “S/S Normandie”号电力推进船由4台蒸汽透平发电机组分别向4台29MW同步电动机供电，通过调节同步发电机的输出频率来控制同步电动机的转速；也可以在低速航行时，由一台发电机同时向2台电动机供电。
到70年代，由晶闸管整流器调压调速系统取代了直流G-M调速系统，自80年代以来，随着电力电子器件的不断进步，采用可关断半导体开关的交流调速系统逐步取代晶闸管直流调速系统，成为目前船舶电力推进系统的主要调速方式。这一时期，船舶电力推进系统采用柴油机发电机组为主要发电装置，构成统一的船舶电网提供固定频率和稳定的输出电压，通过晶闸管AC/DC整流器或晶闸管AC/AC变换器驱动交流电动机，实现定距螺旋桨（FPP）的转速调节。这类电力推进方案先被用于特种工程船舶，比如：海洋测量船、破冰船等，后来又应用于游轮和渡轮。
90年代，吊舱式电力推进装置改变了传统的船舶推进方式，将交流异步电动机或同步电动机至于水下的吊舱中，进一步扩大了舱容；采用基于PWM调制的AC-DC-AC变换器以及高性能交流调速技术，提高了系统动态性能；并通过舵桨合一，使船舶控制更为简便和灵活，提高了船舶水动力特性和可操控性。吊舱式电力推进装置使船舶推进方式取得了突破性发展，电力推进在大型游轮、破冰船、海洋石油开发以及海军舰船应用方面占据主导地位。
船舶电力推进技术的发展分为三个阶段：
（1）第一阶段（20世纪20～70年代），采用旋转变流器组成G-M调速系统；
（2）第二阶段（20世纪70～80年代），采用电力电子静止变流器取代旋转变流器，组成直流或交流调速系统；
（3）第三阶段（自20世纪90年代），各种吊舱式电力推进器的出现。
从上述船舶电力推进系统发展的历史轨迹可以看出，其每一次进步和突破都与电力电子技术与传动控制系统的发展基本同步和密切相关。新一代的器件带出来新一代的变换器，又推动了新一代传动控制系统的发展；与此同时，电机及控制技术的发展也至关重要。由此可见，电力电子器件及其变流器、电力传动控制技术的进步是推动船舶电力推进系统不断创新的动力。
船舶工程的相关研究、设计和制造单位应重点研究和解决当前存在一些关键技术问题：
（1）研究高压系统基本理论，首先从理论上研究解决高压船舶电力系统与电力推进系统的特点与要求，研究系列国际标准，比如： IEC国际电工技术标准、中国国家标准、各国船级规范等，以适应船舶应用需求。
（2）研究分析当前被广泛使用并较为成熟的几家电力推进系统及设备。
（3）研究电力推进装置的单机容量和功率密度，这既需要在电机设计、制造及新材料应用方面有新的突破；也需要研发高压大容量的变频器，其涉及电力电子器件、新的电路拓扑及调制方法；同时还需减少谐波和EMI，提高电能质量。
（4）在应用方面，研究提高系统可靠性进一步降低造价，扩大市场应用。
另一方面，能源短缺和气候变化，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。随着全球石油资源的耗尽，内燃机将逐步退出历史舞台，这为船舶电力推进系统提供了前所未有的发展空间和广阔舞台，因此，船舶未来的发展趋势为：
（1）进一步发展电力推进船舶，从电力电子器件、变流器拓扑结构、推进电动机、控制方式等方面，引进新材料、新技术和新理念，不断提升电力推进系统的功率密度、效率和性能。比如：在电力电子器件方面采用碳化硅器件（SiC），来提高器件的耐压和开关频率；在变流器拓扑方面，采用可以灵活搭建的电力电子组件（PEBB-Power Electronics Building Blocks）来构造变频器，PEBB具有基本的主电路结构、驱动和保护电路、并集成了滤波器和控制器，可以通过可编程方式实现各种变流功能，例如：组成整流器、逆变器、有源滤波器、励磁电源、充电电源等功率单元，还可进一步组合成级联式多电平变频器；在电动机方面，超导电动机的应用，将极大地提高电动机的功率密度，降低损耗及减小体积和重量。
（2）在目前IPS的基础上，通过系统优化，进一步降低损耗和提高系统效率，实现节能减排。比如：采用直流电网和储能装置，既可以减少传输损耗，还能回收和存储制动电能；充分利用太阳能、风能、洋流能等自然资源，组成混合动力系统，以减少燃油消耗，以节能减排。
（3）开发新能源，人们必须在石油没有用完的时间内找到新的能源及其动力装置，为此提出了“全电船”（All electric ship）的概念，即在船上全部装备电气设备和系统。然而，目前要真正实现“全电船”，仍需要解决许多问题：首先是电源问题，即采用何种供电方式？就目前的电力推进船舶而言，仍然是采用柴油机或燃气轮机拖动发电机向全船供电。因此，开发可再生能源是当前研究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。
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