现代船舶电力系统——结构、控制与应用汤天浩施伟锋韩朝珍等_汤天浩施伟锋韩朝珍等_9787111773276

本书分为三大板块，共12章。第一板块为第1～3章，主要论述了船舶电力系统的结构、主要设备和控制原理，作为全书的技术基础。第二板块为第4～7章，详细分析了船舶电力系统的设计和典型应用，特别是结合了实际船舶的工程案例，使理论与实际紧密联系。第三板块为第8～12章，包括船舶电力系统的储能技术、能量管理与优化，船舶直流电力系统，船舶新能源发电技术，船舶微电网，船舶电力系统的未来发展，重点探讨了船舶电力系统的新技术和新发展，融入了作者的研究与思考。

船舶是一种水上交通工具，古代人们就发明了舟船用于捕鱼和运输。第一次工业革命采用蒸汽机作为船舶的主要动力装置。第二次工业革命，电的发明应用到船舶照明及辅助设备驱动电源等，并采用柴油机和燃气轮机取代蒸汽机成为船舶的主要动力装置。第三次工业革命开创了电子时代，功率半导体的诞生及计算机技术的发展，给船舶及海洋开发带来极大的变化，现代变流技术应用于船舶的电力推进及海洋工程定位作业，船舶电力系统容量也随之增大，成为船舶的核心装备。并且随着国际远洋运输与海洋工程的需求，船舶与海洋平台越建越大，用电量也随之大增，船舶电力系统也日益庞大和复杂。船舶的设计者、建造者和使用者都需要了解船舶电力系统的结构、设计与控制的基本理论和方法，而国内少见满足广大读者需求的技术专著。为此，前几年我们翻译了美国商船学院教授Mukund R. Patel博士撰写的《船舶电力系统》一书，由机械工业出版社出版。该书的内容全面涵盖了船舶电力系统的各个方面，包括发电、配电和用电的各个环节，而且选材新颖，不仅有传统的船舶电力系统，还包括了电力推进船舶的电力系统，不仅有民用船舶，也涉及海洋工程船舶和军用舰船，特别是在提倡节能减排的今天，书中许多观点和论述，如功率因数改善、电能质量控制、能效优化与能量管理、储能技术和经济性分析等，对于当今船舶电力系统的设计都具有很好的学习和借鉴价值。但是，由于购买版权的年限已到，该书已不再印刷和销售。当前，随着第四次工业革命的到来，人类进入了一个以绿色低碳和人工智能为标志的新时代，指明了船舶的未来发展将沿着电气化、信息化和智能化道路前进。为了实现碳达峰和碳中和的战略目标，船舶将经历一个新的变革，全电船、新能源和无人船将是新的发展方向。在这历史的转折关口，本书的创作团队将秉承承前启后，开创未来的精神和使命，撰写《现代船舶电力系统结构、控制与应用》，以求全面系统地论述船舶电力系统的组成结构和理论方法，详细分析系统设计选型与运行管理，深入探讨新技术的应用与发展。本书分为三大板块，共12章。第一板块为第1～3章，主要论述了船舶电力系统的结构、主要设备和控制原理，作为全书的技术基础。第二板块为第4～7章，详细分析了船舶电力系统的设计和典型应用，特别是结合了实际船舶的工程案例，使理论与实际紧密联系。第三板块为第8～12章，重点探讨了船舶电力系统的新技术和新发展，融入了我们的研究与思考。本书的内容丰富、内涵深入，全面涵盖船舶电力系统的各个方面；注重理论联系实际，深入浅出、循序渐进。上海海事大学谢卫教授长期从事电机与电器的教学和研究工作，撰写了第2章；施伟锋教授长期研究船舶电力系统，具有深厚的理论与研究成果，撰写了第3章；许晓彦教授曾在波兰格丁尼亚海事大学攻读博士学位，从事电能质量研究，撰写了第6章；高迪驹高级工程师长期从事船舶混合动力研究，以他本人博士学位论文的精华为基础撰写了第8章；姚刚老师在法国南特中央理工大学做博士后期间，设计和完成了船舶电力系统的数字仿真，此次负责电力系统性能计算分析仿真，并撰写了第11章等章节。本书邀请了上海佳豪船海工程研究设计有限公司的韩朝珍研究员、刘伟平和贾颖晖高级工程设计师参与，他们长期从事海洋工程项目的研究设计工作，具有丰富的工程设计经验，参与多艘海工项目设计建造工作，交付船舶使用运行效果良好，得到了船东们的认可。他们承担了第4、5章的撰写，为本书提供了专业设计经验及实际应用指导。同时要感谢上海佳豪船海工程研究设计有限公司领导陈雪峰对本书的指导和一如既往的支持。本书的贡献者还有陈雯洁博士和黄易梁高工，他们就职于ABB公司船舶部，带来了国际先进的技术和理念。两人都是上海海事大学的优秀毕业生，陈雯洁在就读硕士期间还曾留学法国，有关超级电容的研究成果被引用于第8章，其在新加坡南洋理工大学攻读博士学位的研究课题涉及新能源发电与燃料电池，这为第9、11和12章增添了新的创意。黄易梁高工指导我校研究生闫秀松在混合动力船舶直流短路保护方面的工作引用于第8章，他本人还为全书提供了ABB公司的先进技术资料和应用案例，并提出了宝贵的修改意见和建议。本人负责其余章节的撰写及全书的统稿。我们的研究生协助了部分章节的工作，他们多年来在船舶电力系统、电力电子变换、新能源发电、动力电池与储能系统、燃料电池船舶等方面的研究工作，以及李又一博士在船舶低温发电系统的研究成果体现在第12章中，都为本书增光添彩。此外，本书也引用了王天真、黄洪琼等教授在船舶信息和智能技术方面的研究，韩金刚副教授在燃料电池仿真与船舶应用方面的研究等。因此，本书汇集了各位作者及研究团队十几篇博士论文的研究成果，是集体智慧的结晶，各位同事及学生们付出了辛勤的劳动和专业贡献。对此，向他们表示由衷的感谢。本人自2005年赴法国中央理工大学做合作研究，每年受邀到法国做访问教授，建立了联合培养双学位研究生项目，本书吸纳了近20年的中法合作成果，特别要感谢法国的合作教授们和中法研究生们的研究贡献。另外，感谢机械工业出版社，特别是策划编辑罗莉女士，她慧眼识珠发现了国内的专业需求，早在我主编出版《船舶电力推进系统》之时，就提议编写出版本书，并申请到出版社高水平学术著作出版基金项目的资助。更十分感谢出版社的信任和宽容，给予了充分的时间，使我们在充分自由的学术氛围内完成写作。本书获得上海市科技计划项目的资助（项目编号：20040501200），在此表示感谢！希望本书的出版将为国内的相关领域从业人员提供学术参考和技术借鉴，促进我国造船和海洋工程的技术进步和发展。汤天浩2024年10月于上海

汤天浩，1955年生。分别于1982年和1987年在上海工业大学工业自动化专业和电力传动及其自动化专业获学士学位和硕士学位，1995年在上海大学师从陈伯时教授攻读博士学位，于1998年获得电力电子与电力传动专业博士学位。2005年受国家委派到法国中央理工大学进行高级研究。1987-2020年在上海海事大学任教，二级教授、博士生导师。2001-2015年连续担任三期上海市重点学科带头人，先后担任电气工程博士后流动站站长、中荷知识与创新中心主任、中法联合伽利略系统与海上安全智能交通研究所副所长。2000年成为IEEE Senior Member, 现担任IEEE电力电子学会（PELS）中国区会员委员会副主席、会员发展工作委员会主席和IEEE PELS上海分部主席；2001-2005年担任国际自动控制联合会（IFAC）航运系统技术委员会委员（Member of the Technical Committee of Marine Systems of IFAC）；2017-2021年担任中国电源学会副理事长，现为中国电源学会副监事长，2024年当选为中国电源学会会士；2010-2018年担任上海电源学会理事长；中国电工技术学会电力电子专业委员会常务理事、船舶电工专业委员会委员；中国自动化学会技术过程故障诊断与安全性专业委员会委员；中国造船学会信息技术委员会委员。主要研究方向：新能源电源变换技术，电力传动控制系统，智能信息处理与智能控制，船舶与航运自动化。已主持完成国家级和省部级科研项目10余项；已在国内外公开发表学术论文200多篇，其中有100余篇是在国际学术会议或刊物上发表，已有50多篇论文被SCI或EI收录。主编出版十二五国家重点图书出版规划的学术专著《船舶电力推进系统》，还有译著《船舶电力系统》。主编和出版了国家十一五规划教材《电机原理及拖动基础》，2011年获得上海市优秀教材二等奖；主编出版了高等学校自动化专业本科系列教材《电机与拖动基础》、普通高等教育电气工程与自动化类十一五规划教材：《电力传动控制系统》。分别与1999年和2014年两次获得上海市育才奖。自2011年，与中国电源学会主办了中国科学技术协会继续教育引导工程项目的重点项目：高端前沿继续教育活动，开展新能源电源变换、功率半导体器件等技术培训。自2006起担任法国南特大学综合理工学院特邀教授，建立了联合培养研究生合作项目，已有150多名研究生获得硕士学位，其中10多人获得博士学位。2015年荣获法国政府颁发的法国国家棕榈教育骑士勋章。

前言专业术语与变量表第1章船舶电力系统结构与基本要求11.1船舶电力系统的基本结构与组成11.2船舶电力系统的电压等级与分类21.2.1船舶电力系统的电压等级21.2.2船舶电力系统的主要分类31.3船舶电网的主要形式与架构41.3.1树形架构41.3.2双母线架构51.3.3环形架构51.4船舶电力系统故障冗余要求61.4.1船舶推进系统冗余度定义61.4.2船舶电力推进系统的故障冗余71.4.3船舶动力定位系统的故障冗余91.4.4具有冗余度的船舶电力系统结构91.5船舶综合电力系统111.5.1船舶IPS结构与组成111.5.2船舶IPS的冗余结构12参考文献13第2章船舶发电机与主要电气设备152.1船舶同步发电机组的结构与工作原理152.1.1船舶发电原动机152.1.2同步发电机的组成与基本结构172.1.3同步发电机的工作原理与输出电压182.1.4同步发电机的运行特性与主要参数192.2船舶同步发电机的励磁系统与并联运行212.2.1同步发电机的励磁系统212.2.2同步发电机的并联运行222.3船舶输电设备262.3.1电力变压器262.3.2船舶电缆302.4船舶配电设备342.4.1配电盘352.4.2断路器402.4.3继电器422.5船舶主要用电设备442.5.1船舶电力负荷的分类442.5.2船舶电力负荷的特点452.5.3船用电动机462.5.4电动机驱动设备的配电与控制49参考文献53第3章船舶电力系统自动控制543.1船舶电力系统建模与混沌分析543.1.1船舶电力系统数学模型543.1.2船舶电力系统非线性模型与混沌分析663.2船舶电力系统发电机组控制基本原理773.3船舶电力系统电压与无功功率控制783.3.1船舶发电机励磁系统结构与分类793.3.2船舶发电机励磁控制基本原理813.4船舶电力系统频率与有功功率控制843.4.1船舶发电机组转速控制系统的结构与分类843.4.2船舶发电机特性及其自动调频调载控制863.5船舶发电机组神经网络控制893.5.1CMAC神经网络控制方法893.5.2船舶柴油发电机组转速神经网络控制943.5.3船舶发电机励磁神经网络控制983.5.4船舶柴油发电机组双回路神经网络并行控制104参考文献107第4章船舶电力系统的保护1094.1船舶电力系统保护基本原理1094.1.1概述1094.1.2船舶电力系统保护的构成1104.1.3电力系统保护装置基本要求1144.1.4船舶电力系统保护装置安全运行特殊要求1164.1.5电力系统保护装置发展概况1164.2船舶电力系统的主要故障与检测1164.2.1船舶电力系统的故障类型1164.2.2船舶电力系统的故障分析1174.2.3船舶电力系统设备故障特性1214.3船舶电力系统的保护1264.3.1概述1264.3.2保护装置及器件1274.3.3船舶发电机的保护1364.3.4船舶电力变压器保护1394.3.5电动机馈电分路保护1404.3.6电力系统保护协调性1424.4交流三相不平衡系统分析1484.4.1交流三相不平衡电流分析1484.4.2发电机不对称分量及序电抗关系1504.4.3三相系统不对称故障分析154参考文献158第5章现代船舶电力系统设计1595.1船舶电力系统设计1595.1.1船舶电力系统设计的基本依据1595.1.2 船舶电力系统的工程设计1605.2背景工程技术要求综合分析认证1645.2.1船舶电力系统可靠性分析1645.2.2海洋工程项目特殊要求1655.3环形电网开环运行模式设计1665.3.1开环运行模式特点1675.3.2背景工程简介1685.3.3设计依据及设计方法1685.3.4高压配电系统设计1695.3.5电力负荷计算1715.3.6短路电流计算1745.3.7保护电器设定1755.3.8发电机保护系统1785.3.9开环保护分析1815.3.10开环系统仿真及实效试验1915.4环形电网闭环运行模式设计1925.4.1闭环运行模式特点1925.4.2背景工程简介1935.4.3设计依据及设计方法1935.4.4高压配电系统设计1945.4.5电力负荷计算2035.4.6短路电流计算2075.4.7保护电器协调动作分析2095.4.8暂态压降计算2135.4.9增强型发电机保护系统2145.4.10闭环保护分析2195.4.11闭环系统短路试验228参考文献230第6章船舶电力系统的电能质量分析与控制2316.1船舶电力系统电能质量问题2316.1.1船舶电能质量概念、要求与特性2316.1.2船舶电力系统的谐波分析2406.1.3船舶电能质量其他类型问题2436.1.4船舶电能质量问题影响2476.2船舶电力系统谐波检测与分析2486.2.1船舶电力系统的谐波检测标准2486.2.2不同类型船舶电力系统谐波分析2496.2.3船舶电力系统谐波测量方法2506.2.4船舶电力系统谐波测量系统2526.2.5船舶电力系统谐波检测分析方法2556.3船舶电力系统谐波抑制方法2696.3.1谐波主动式抑制方法2696.3.2谐波被动式治理方法2716.3.3船舶电网谐波抑制应用举例2766.4船舶电网的电压暂降分析2796.4.1电压暂降及其特征参数2796.4.2船舶电网电压暂降故障仿真分析2816.4.3电网电压暂降检测方法与算例分析2856.4.4电压暂降的抑制措施296参考文献297第7章船舶电力系统的应用举例3007.1船舶电力系统典型案例3007.1.1船舶低压电力系统3007.1.2船舶中高压电力系统3027.2船舶IPS的应用举例3087.3海洋平台的电力系统3097.4船舶电力系统的其他形式3107.4.1专供谐波敏感负荷的清洁电力母线3107.4.2应急柴油机-发电机组起动系统3117.4.3岸电电源311参考文献313第8章船舶电力系统的储能技术、能量管理与优化3148.1船舶电力系统的储能技术3148.1.1船舶电力系统的储能技术概述3148.1.2船舶储能系统结构3208.1.3船舶储能系统的变流技术3218.1.4船舶储能系统的控制技术3268.1.5储能系统的能量管理3308.1.6船舶电力系统的储能技术应用3368.2船舶混合动力技术3378.2.1船舶混合动力系统分类3378.2.2船舶主轴发电混合动力系统3408.2.3船舶机械与电力推进混合动力系统3418.2.4船舶混合动力系统应用3478.3船舶电能管理系统3508.3.1船舶PMS的结构与功能3508.3.2船舶电能管理系统的组成3578.3.3船舶PMS的应用与发展3598.4混合动力船舶能量智能管理与优化3618.4.1混合动力船舶的PMS控制策略3618.4.2混合动力船舶全局优化能量管理策略3638.4.3混合动力船舶瞬时优化能量管理策略3688.4.4船舶电力推进负荷预测378参考文献380第9章船舶直流电力系统3839.1高压直流输电技术概要3839.1.1HVDC变流技术3849.1.2HVDC的直流变压技术3859.2船舶直流电力系统的组成结构和特点3879.2.1交直流混合电力系统3879.2.2纯直流电力系统3899.3船舶直流电力系统的技术要求与关键技术3909.3.1船舶直流电力系统的技术标准与要求3909.3.2船舶直流电力系统的整流技术3919.3.3船舶直流电力系统的逆变技术3949.4船舶直流电力系统的短路计算与保护3959.4.1船舶直流电力系统短路计算3959.4.2船舶直流电力保护及隔离装置选型依据4029.4.3船舶直流电力系统短路与保护仿真试验4039.5船舶直流电力系统应用案例412参考文献415第10章船舶新能源发电技术41710.1船舶光伏发电41710.1.1光伏电池41810.1.2光伏变流器41910.1.3光伏发电系统控制42510.1.4船舶光伏发电应用42910.2风力驱动船舶43510.2.1风力与电力混合推进船舶43610.2.2海上风力发电技术44010.2.3船舶风力发电系统及应用45310.3船舶燃料电池发电系统45510.3.1氢燃料电池工作原理45510.3.2燃料电池电能变换46010.3.3燃料电池发电系统46610.3.4燃料电池的船舶应用46810.3.5燃料电池实验船的研制472参考文献478第11章船舶微电网的结构、建模与分析48011.1微电网的概念与关键技术48011.1.1微电网的基本概念与结构48011.1.2微电网的关键技术48111.2船舶微电网的结构与类型48111.2.1船舶微电网的基本结构48211.2.2船舶交流微电网48211.2.3船舶直流微电网48311.2.4交直流混合微电网48411.3船舶微电网的建模48411.3.1船舶微电网的机理模型48411.3.2船舶微电网仿真48911.4船舶微电网的稳定性分析49311.4.1微电网稳定性的概念和分类49411.4.2船舶微电网的小信号分析方法49611.4.3船舶微电网的暂态稳定性分析方法50011.5船舶微电网的能量管理和控制50711.5.1微电网能量管理系统结构50711.5.2微电网的潮流计算与能量管理决策的求解方法50811.5.3基于多代理的船舶微电网能量管理策略51211.5.4船舶微电网EMS的控制52911.6船舶微电网应用举例536参考文献540第12章船舶电力系统的未来发展54312.1绿色低碳船舶发展路线图54312.2船舶的节能减排54612.2.1可替代燃料与双燃料发动机54612.2.2船舶余热回收利用55012.3全电气化船的发展55212.3.1交通电气化发展进程55312.3.2全电船的概念和结构55312.3.3我国船舶电气化发展路线55512.4船舶绿色电力系统55612.4.1氢能的获取与利用55612.4.2其他能量的开发利用55812.4.3新能源的综合利用57612.5未来船舶展望58112.5.1船舶电气化58112.5.2船舶信息化58212.5.3船舶智能化58612.5.4船舶网联化58812.5.5船舶智能电网发展58812.5.6航运智能交通系统的架构593参考文献594

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