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高效电力能源发电机组的发展带来了新的挑战
- M. Prousalidis，G.J. Tsekouras ，F. Kanellos
摘要：目前船舶技术的发展趋势正在使船舶向更节能的方向发展。因此，包括推进系统在内的船舶系统的广泛电气化是最具吸引力的选择，因为船舶用电越多，越环保，效率越高。本文简要概述了电力能源发电方案的新趋势，并指出这些新挑战导致了传统观念对设计和操作标准的修正。该讨论由一个模型的结果支持，该模型包括一个具有多类型供电单元的船舶通用电网。
- 介绍
船舶造成的环境污染、全球对空气质量、温室气体排放和石油供应的担忧导致了更严格的排放法规和燃油经济性标准。国际海事组织(IMO)于1997年通过的《国际海事组织公约》附件六规定了船舶防止空气污染条例[1]。特别是《防污公约》附件六规定了对硫氧化物(SOx)和氮氧化物(NOx)排放的限制。
上述条件需要：
bull;造船业继续优化传统船型，以提高安全性和环境保护能力。
bull;现有船舶变得更加节能，以便在剩余的生命周期中具有竞争力。
因此，根据国际海事组织IMO的政策，船舶效率应通过以下指标进行定量评估[2-4]：
- 能效设计指数（EEDI）
- 能效营运指数（EEOI）
它们都表示每艘船舶容量和/或运输工作产生的二氧化碳，以EEDI指数处理新建筑物，而EEOI指数则已经存在。二氧化碳的产生主要是由于主推进发动机和用作发电机原动机的辅助发动机的运行。
这些更高效船舶的发展趋势，是将所有能源子系统（包括发电机组）变为更有效率的系统的研究动力[2]。这项涉及绿色电力技术的政策在许多情况下总结为“充分利用了每个单元，但解决了任何技术问题”。从某种角度来看，陆地电网中“智能电网”[5-7]的演变有几个共同点，因此相关的经验也可以在船舶上得到利用。因此，船舶电网可能会遇到一些技术问题和不利现象，其中一些必须通过不同的方式来应对。此外，包括推进装置在内的船舶系统的广泛电气化已成为最具吸引力的选择，因为船越是电气化，其转向越环保，效率越高。
本文概述了发电机发展的新趋势，如岸电电源发电和先进的轴带发电机。结果表明，这些新挑战导致传统设计和运营理念的修正。此外，与陆地电网中开发的“智能电网”概念的某些共同点，也可以提取出用于船舶的经验。讨论由MATLAB环境中开发的一种工具所提供的结果支持，该工具包括一个具有多类型供电单元的船舶电网的通用方案。
II.提高船舶效率的手段。
正在研究几项措施，以提高效率指数EEDI和EEOI。它们之中有一些是：
bull;能源管理和船舶性能：
（监测主发动机和辅助发动机的油耗，并对收集的数据和决策支持系统进行分析。）。
bull;航线优化和航行效率
bull;慢速航行(降低船舶巡航速度)
bull;智能发电和管理的手段，进一步细分为:
O岸电发电
O高级轴带发电机系统
o电力节能装置（EESD）
o高级电源管理系统
接下来，简要讨论与电能直接相关的措施，关注的重点是发电机组。
- 岸电电源供应
岸电电源供应是指假设港口有基础设施和绿色能源（例如可再生能源）来支持这项工作的前提下，将船舶连接到港口内的岸边电力供应，并关闭船舶机械。目前，它通常用于描述具有快速插头和无缝负载传输的新一代高压岸电连接，而不停电，这使所有的港口活动能够正常进行[8-11]。
应用于频繁呼叫同一港口的船舶（如滚装船）时，岸电连接最为有效。一些研究表明，不管使用何种电力生产方式，在使用岸电时总体上都有好处[11]。 在强制性岸电连接应用的先驱港口是美国的加利福尼亚和阿拉斯加港口，欧洲的哥德堡和奥斯陆。
目前港口和现有船舶的基础设施不足，包括电压和频率水平不兼容[2,11]。 特别是在大多数船舶中，由于以下原因，很少使用岸上连接：
- 安装在岸上的连接设施（包括电缆，开关装置和堵塞部件）的能力有限，特别是在货物装卸期间，泊位上的电能需要覆盖一定范围。文中指出，在某些情况下，通过变压器与相关的分接头切换装置，可以将岸上电网和船舶电网之间的电压进行匹配。这种变压器组件具有相当大的体积和重量，并且不能完成任何频率匹配。
- 连接没有得到很好的监测，也没有通过船舶管理系统进行控制，而是根据人员的经验（船上和岸上）手动完成。而且，在大多数船舶中没有同步设施。因此，来自岸电的专用电源需要暂时的“黑船状态”，即关闭船舶发电机，并随后启动岸电。然而，在大多数货船中，停电并不重要，但在游轮和客船上是非常不愉快的。尽管如此，这类船舶经证明会增加港口的污染率，主要是因为它们的酒店豪华电力负载。值得注意的是，同步设施可以通过船舶PMS进行集成，监控和控制。
- 轴带发电机系统
轴带发电机（SG）系统由于具有吸引力的优点而被开发了很长时间，因为它电力生产成本低，维护成本低，噪音水平低。它们的一些主要优点是[12-13]：
（a）由于轴带发电机系统可以连接到主发动机，所以使用比柴油燃料便宜的燃料即重燃料油或天然气来生产电力。
（b）轴带发电机的噪音水平证明比传统发电机组的噪音水平低得多。
（c）在长途和重要货物的航行中，对应于轴带发电机运行的EEOI值可能比对应于辅助发电机的EEOI值更具吸引力。
目前使用的轴带发电机组有一定的缺点，因为它们包括复杂的配置以实现与辅助发电机相同的性能。因此，在大多数情况下，电力电子转换器连接在发电机的下游，以便将发电机的输出频率与电网的其余部分的输出频率相匹配。而且，目前还连接有同步电机，以便提供轴带发电机系统的无功功率（目前应用的功率电子转换器的技术不允许无功功率的循环）。 这种同步电动机起到（旋转）电容器的作用，因为它不会驱动负载，但它仍会增加总损耗。
C.电力节能装置
电力节能装置（EESD）指的是电能存储单元（ESU）或电能质量缓解（PQM）装置。它们的区别在于它们可以提供的能量（即它们在功率和时间间隔上的支持能力）。它们可以用来缓解引起电压和频率波动的峰值能量需求[14-17]。然而，除了作为应急供电单元的备用电池之外，它们还没有被广泛应用于船上。
D.电源管理系统
电力管理系统（PMS）已经在船上安装了很长时间，为船舶操作人员提供了许多便利，可以在整个船舶能源系统的“在线监测和控制”中总结。现有的船舶，尤其是那些在过去十年建造的船舶，具有足够好的PMS。但是，有关节能的某些方面需要进一步研究，以便可能纳入IMO提出的船舶能效管理计划（SEEMP）[17]。尤其是：
bull;没有对安装的电源（例如轴带发电机和辅助发电机）进行最佳利用，因为总负荷仅根据其额定容量进行共享。这一原则没有考虑到燃料，运行成本或者它们引起的污染。
bull;大多数现有船舶的运行功率冗余是根据操作人员的经验粗略估算的。因此，当电动机启动时，PMS检查可用的发电机容量是否能够覆盖其额定功率，而不是高的瞬时功率需求。这就是为什么在某些情况下会出现严重的电能质量问题，甚至导致发电机由于过载而跳闸。此外，根据一种常见的不适当的做法，不是使用一种能减少能源损耗的电能质量缓解措施，而是一种额外的发电机被打开，导致过度和不合理的燃料消耗，从而导致额外的污染[16]。
bull;多冗余设备的操作仅基于纯可靠性标准。但是，可靠性和节能政策的结合是可以研究的。 例如，两件相同的产品的额定容量为40%，但只有一件可以用在其额定容量的80%，而且效率更高。
III. 所有电动船（AES）
AES概念在前10年的发展中，提供了一系列的优势，如安全性提高、生存能力、可操作性、精确和平稳的速度控制、机械空间减少、操作和维护成本低、噪音低、以及目前最重要的是低污染物排放水平[18]。
值得注意的是，在主推进发动机为电动机的AES设计框架中，只有作为发电机组原动机的辅助发动机才会造成污染。此外，考虑到整个能源仅由一个中央电力管理系统（通常称为电力管理和控制系统（EPMACS））进行管理和可行控制，AES可以证明该船最终具有高效率。更具体地说，由于EPMACS是唯一一个对整个船舶进行全面控制的系统，因此它可以通过比其他船舶更容易的方式并入任何优化的性能算法，如上述的SEEMP。例如，控制推进系统和其他子系统之间的能量交易比较容易，因此发电机组的整体运行点保持不变，这意味着燃油经济性和低污染率。不过，值得注意的是，在[3]中指出在有电力推进的船舶上应用EEDI是值得商讨的。
IV。 智能电网
“智能电网”的概念使能源生产者和消费者之间进行更高效的能源交易。在过去的十年里，它一直在发展，与内陆电网放松管制和主要基于可再生能源的小型或大规模发电厂的部署并行。特别的，智能电网的概念包括以下领域的研究和发展:
bull;低碳发电（主要包括由太阳能电池板，风力发电场，燃料电池，液压泵装置和/或天然气热力装置组成的可再生能源）。 它们的主要技术缺点有以下两点：产生的能量不是恒定的，也不是关键的电网量，即电压和频率。开发电力电子接口的技术能力，安装能量存储单元，每种可再生能源的特定固有可控特征，都可以缓解这两种情况。
bull;快速/高效/智能电源管理：任何生产商都可通过智能接口直接连接主电网，实现电能的智能交易，智能接口由测量双向电力流量的功率计和由中央分布式电源管理系统监控和控制的控制器。电器不再仅仅是被动的驱动排放的设备，而是电力基础设施的积极参与者，可用于减少能源，储能和优化电网，以更好地与其“绿色”能源生产源相兼容。这是通过提供由智能设备组成的智能可变负载来实现的，这些智能设备对可再生能源来说是理想的补充，这些可再生能源在供应方面本质上是可变的。
bull;自我修复和防止冲击：一个电网，能够快速检测，分析，响应和恢复扰动。 此外，电网缓解并应对物理和网络安全冲击。
bull;电能储存单元：电力供应或储存随时可用。 这种存储器不仅包括高效电池（低成本，小重量，小体积，高容量的Ah）及其充电器（具有快速和增强的能力），而且还包括任何能够容易地转换成电的能量存储装置，反之亦然 （如液压泵单元）。
bull;电力转换器：用作低碳发电设备（包括任何存储设备）与恒定频率和电压的主电网之间的接口连接。通常它们是DC / AC或AC / DC / AC或AC / AC类型。
bull;峰值功率发电：平滑功率需求曲线对时间非常重要，因为这反映了发电机性能的起伏，从而导致其运行期间效率低，污染严重，同时又便于加载。智能设备在负载曲线平滑中起着关键作用，因为“智能负载”与电网相互作用，不断适应系统需求并同时优化其运行。预计在不久的将来，实现必要平滑的主要手段之一是开发电动汽车，必要的电池将在电力需求最小时（例如夜间）充电，并可能在负载峰值期间以再生模式运行。通过这种方式，减少污染的两个主要目标是在一次行程中实现的(这两个目标是发电厂和汽车的最低污染)。
V.智能电网与高效船舶系统的共同研发
在上述讨论中，有一些研究和发展的领域是平行的，如果不常见的话，可以追溯到:
bull;低碳发电和可再生能源，“提高效率，降低污染”，“充分利用每一个组成部分”
bull;储能要求
bull;电源转换器作为耦合和/或最大化性能接口
bull;电源管理系统(监控、双向电源控制、历史趋势分析、决策)
因此，作者的建议是相应的研究团队可以不断更新，以便他们的发展可以是商业现货（COTS）技术。 为此，下面将讨论这个概念的一些代表性例子。
A.岸电和智能电网
只要船上和岸上基础设施的不足问题得到解决，就可以建立一个吸引人的岸电电网和智能电网组合。特别是，不是直接将船舶连接到电网干线，而是涉及高效的能量存储单元。 这些接口将为船舶提供他们所需的能源。此外，存储接口在低能量需求（例如在夜间）的时间间隔内充电，因此，具有岸电连接船舶的端口变为“智能负载”。 这样就达到了双重目标：
bull;船舶在港口环境中所引发的环境污染几乎完全消除
bull;内陆电网的电力需求平稳; 值得注意的是，覆盖船舶的功率需求大约为几兆瓦。
大功率容量的必要能量存储单元可以基于最近开发的新型电池技术[19]，它结合了比以往更小的重量和体积的高存储容量。此外，任何电压和/或频率匹配都可以通过现代无变压器电力电子转换器实现，这些转换器已经在内陆电网应用于“智能电网”应用。
B.轴带发电机系统和智能电网
改进后的轴代结构可用于提高船舶运行效率。特别是在轴发电机中安装一个复杂的静态四象限电源转换器（实际上是电力节能装置）可以消除旋转同步电容器及其所有操作和维护费用。此外，这样的四象限功率转换器将有助于轴带发电机作为轴马达的反向操作，该轴马达或者辅助推进发动机作为增压装置或者用作紧急推进发动机。当主发动机严重损坏时，“安全航行”的概念最终成为所有船舶的先决条件时，后一种方案可能是一种现成的解决方案。
C. EESD和智能电网
前面部分讨论的行动过程包括EESD的开发。接下来分析一些提高船舶效率的附加措施：
bull;一个电容器组和一个用于大型电机启动（例如驱动推进器单元）的
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