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隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展，各種能源消耗都十分嚴(yán)重，并對環(huán)境產(chǎn)生了嚴(yán)重的污染。石油、煤炭、天然氣等不可再生能源日益枯竭，這些燃料的大量應(yīng)用不僅帶來了嚴(yán)重的環(huán)境問題，同時也帶來了日益緊張的政治問題，各國對石油等能源的爭奪也在悄無聲息地進行。因此，尋找清潔可持續(xù)利用的能源已成為發(fā)展的必經(jīng)之路，針對航運這一關(guān)乎經(jīng)濟發(fā)展的重要行業(yè)，以消耗清潔能源來代替不可再生能源可以產(chǎn)生重大的經(jīng)濟效益和社會效益。在眾多的清潔能源中，隨著太陽能光伏發(fā)電技術(shù)和風(fēng)能利用技術(shù)的不斷發(fā)展和日益完善，將會越來越多地應(yīng)用于船舶。中電華星作為國內(nèi)大的電源模塊供應(yīng)商，應(yīng)用案例相當(dāng)豐富。

在應(yīng)用到具體的直流負(fù)載系統(tǒng)的過程中，由于負(fù)載種類多，功率級別和電壓級別都有所不同，不可避免地遇到了直流變壓問題?，F(xiàn)在電力電子技術(shù)普遍使用開關(guān)電源進行電源變換和功率變換，為后級的應(yīng)用提供了可能。

據(jù)國內(nèi)電源供應(yīng)商中電華星介紹，開關(guān)電源將一個固定的直流電壓變換為固定或可變的直流電壓，這種技術(shù)被廣泛應(yīng)用于無軌電車、地鐵、電力推進船舶等，可使上述控制具有加速平穩(wěn)、快速響應(yīng)的性能，并同時收到節(jié)約電能的效果。用直流斬波器代替變阻器可節(jié)約20%～30%的電能，直流斬波器不僅能起到調(diào)壓的作用(開關(guān)電源)，還能起到有效抑制電網(wǎng)側(cè)諧波電流噪聲的作用。

電力電子技術(shù)以利用半導(dǎo)體開關(guān)的開閉來控制能量流動為基礎(chǔ)，并在原理上把無損失地進行電力控制作為理想狀況。在這個意義上，電力電子技術(shù)可以認(rèn)為是解決直流電應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。中電華星的電源工程師就以電力電子技術(shù)領(lǐng)域的開關(guān)電源變換技術(shù)為中心，介紹其應(yīng)用情況和發(fā)展方向。

3 新能源在船舶上的應(yīng)用形式

作為一個全球性的研究課題，航運業(yè)的節(jié)能減排技術(shù)已經(jīng)引起了國際社會的高度重視。針對節(jié)能減排技術(shù)領(lǐng)域的研究、開發(fā)和利用，各國在給予政策扶持的同時，更投入了大量的人力、物力和財力以期能著實有效地實現(xiàn)節(jié)能減排這一根本性的目標(biāo)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步，以風(fēng)能、太陽能、潮汐能等為典型代表的新能源在節(jié)能減排方面所具有的優(yōu)勢和所能產(chǎn)生的效益已經(jīng)越來越顯著，其在船舶交通運輸行業(yè)的應(yīng)用和推廣已呈潮涌之勢。

3．1 風(fēng)能的應(yīng)用

源于地球表面大量空氣流動所產(chǎn)生的動能——風(fēng)能，是一種無污染且無限可再生資源。人類對風(fēng)能的利用歷史可以追述到公元前，隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷進步，工業(yè)社會對于風(fēng)能的利用有著豐富的經(jīng)驗，配套產(chǎn)業(yè)和基礎(chǔ)設(shè)施也較為成熟。但是，風(fēng)能利用存在著間歇性、噪音大、受地形影響和干擾雷達信號等難以消除的缺點。當(dāng)前，風(fēng)能在船舶上的應(yīng)用形式偏重于作為航行的主動力或輔助動力，而且只在少數(shù)船舶上應(yīng)用風(fēng)力發(fā)電技術(shù)。

3．2 太陽能的應(yīng)用

太陽能的利用主要有兩個方面的技術(shù)，即光熱技術(shù)和光伏技術(shù)。光熱技術(shù)是利用太陽光的熱輻射，其應(yīng)用為的領(lǐng)域是太陽能熱水器。該項技術(shù)的進一步延伸是太陽能熱發(fā)電，即利用集熱器把太陽輻射熱能集中起來給水加熱產(chǎn)生蒸汽，再通過汽輪機、發(fā)電機來發(fā)電?？紤]到船舶運行過程中對于熱水的需求量不大，進行熱電轉(zhuǎn)換在有限的船舶空間內(nèi)難以實施，故而光熱利用的可行性不是很高。但是，應(yīng)用光熱技術(shù)代替常用的蒸汽盤管和電加熱盤管對船舶所使用的重油進行預(yù)加熱，是一個值得關(guān)注的方向。光伏技術(shù)是對太陽光中的短波輻射能照射于硅質(zhì)半導(dǎo)體上所產(chǎn)生的電能進行調(diào)制后加以利用，亦稱為光生伏打效應(yīng)。隨著太陽能光伏技術(shù)的不斷深入發(fā)展，其效率、可靠性和穩(wěn)定性均有了很大的提升，因而從初的單純技術(shù)研究逐漸轉(zhuǎn)向?qū)嶋H應(yīng)用領(lǐng)域。太陽能光伏發(fā)電應(yīng)用于船舶是目前綠色船舶發(fā)展的一個重要方向。

太陽能在船舶上的應(yīng)用主要借助于太陽能光伏發(fā)電技術(shù)把不可用的太陽能轉(zhuǎn)換為電能供船舶應(yīng)用。光伏發(fā)電的技術(shù)核心是通過蓄電池充放電控制、大功率點跟蹤控制和逆變器控制來提高發(fā)電的效率和品質(zhì)。光伏發(fā)電系統(tǒng)分為獨立系統(tǒng)和并網(wǎng)系統(tǒng)，在獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)中必須配置蓄電池儲存電能，加入蓄電池后就必須加入充放電控制，以提高蓄電池壽命和光伏發(fā)電系統(tǒng)的效率；并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)是將光伏陣列輸出的直流電轉(zhuǎn)化成交流電并入電網(wǎng)，對其而言，控制的關(guān)鍵是實現(xiàn)光伏陣列的大功率點跟蹤的同時，還要控制并網(wǎng)逆變器向電網(wǎng)輸出與電網(wǎng)電壓同頻、同相的正弦交流電。在并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)中，由于電網(wǎng)接納了光伏陣列發(fā)出的全部電能，從而省略了蓄電池，這樣既降低了成本又增加了系統(tǒng)的可靠性，所以并網(wǎng)光伏發(fā)電是以后的發(fā)展趨勢。并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)一般用兩級式變換結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點在于前級DC／DC和后級DC／AC兩個環(huán)節(jié)可以分開單獨設(shè)計，控制電路易于實現(xiàn)。前級DC／DC環(huán)節(jié)用于實現(xiàn)光伏陣列的大功率點跟蹤，后級DC／AC環(huán)節(jié)用于實現(xiàn)逆變并網(wǎng)。

4 開關(guān)電源變換技術(shù)在船舶上的應(yīng)用類型

太陽能電池是利用半導(dǎo)體效應(yīng)制成的，可將太陽輻射能轉(zhuǎn)換成電能。將若干個這種電池器件封裝成光伏太陽能電池組件，再根據(jù)實際需要將若干個組件組合成光伏陣列，并與儲能、控制等裝置進行配套，組成光伏發(fā)電系統(tǒng)。一套基本的船用太陽能光伏系統(tǒng)由太陽能電池板、控制器、開關(guān)電源變換裝置和蓄電池等構(gòu)成。

根據(jù)不同場合電氣設(shè)備負(fù)荷需求和成本控制的實際情況，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)一般分為獨立供電的光伏發(fā)電系統(tǒng)、并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)、混合型光伏發(fā)電系統(tǒng)三種。

4．1 獨立供電系統(tǒng)

太陽能電池板是獨立供電系統(tǒng)的核心部分，而開關(guān)電源變換技術(shù)則起到了橋梁作用，將太陽能電池板所發(fā)出的零星直流電能直接轉(zhuǎn)換為滯留形式的電能，儲存在電池當(dāng)中。根據(jù)負(fù)載的需要，系統(tǒng)一般選用鉛酸蓄電池作為儲能環(huán)節(jié)，當(dāng)發(fā)電量大于負(fù)載時，太陽能電池通過充電器對蓄電池充電；當(dāng)發(fā)電量不足時，太陽能電池和蓄電池同時對負(fù)載供電。獨立供電系統(tǒng)框圖，如圖l所示。

4．2 并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)

目前常用的并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)具有兩種結(jié)構(gòu)形式。帶有蓄電池儲能環(huán)節(jié)的成為可發(fā)電系統(tǒng)；不帶有蓄電池環(huán)節(jié)的成為不可調(diào)度式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)框圖，如圖2所示。

4．3 混合型發(fā)電系統(tǒng)

混合型發(fā)電系統(tǒng)是指光伏電能與其他形式來源的電能進行混合調(diào)度使用，不存在并網(wǎng)關(guān)系。其區(qū)別于以上兩個系統(tǒng)之處是該系統(tǒng)增加了一臺備用發(fā)電機組，當(dāng)光伏陣列發(fā)電不足或蓄電池儲備量不足時，可以啟動備用發(fā)電機組，既可以直接給交流負(fù)載供電，又可以經(jīng)整流器后給蓄電池充電?；旌闲桶l(fā)電系統(tǒng)框圖，如圖3所示。

5 開關(guān)電源的應(yīng)用優(yōu)勢

電子產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展極大地推動了開關(guān)電源的發(fā)展。高頻小型化的開關(guān)電源及其技術(shù)已成為現(xiàn)代電子設(shè)備供電系統(tǒng)的主流。在電子設(shè)備領(lǐng)域中，通常將整流器稱為一次電源，而將DC／DC變換器稱為二次電源。目前，在電子設(shè)備中用的一次電源，傳統(tǒng)的相控式穩(wěn)壓電源己被高頻開關(guān)電源取代，高頻開關(guān)電源(也稱為開關(guān)型整流器SMR)通過MOSFET或IGBT 實現(xiàn)高頻工作，開關(guān)頻率一般控制在20kHz~100kHz范圍內(nèi)，實現(xiàn)高效率和小型化。近幾年，開關(guān)整流器的功率容量不斷擴大，單機容量己從48V／12．5A、48V／20A 擴大到48V／200A、48v／400A，甚至是更高的電壓功率范圍。

由于電子設(shè)備中所用的集成電路的種類繁多，其電源電壓也各不相同，在電子供電系統(tǒng)中，采用高功率密度的高頻DC／DC隔離電源模塊，從中間母線電壓(一般為48V直流)變換成所需的各種直流電壓，可以大大減小損耗、方便維護，且安裝和增容非常方便。一般都可直接裝在標(biāo)準(zhǔn)控制板上，對二次電源的要求是高功率密度。因為電子設(shè)備容量的不斷增加，其電源容量也將不斷增加。

6 船用開關(guān)電源的發(fā)展趨勢

開關(guān)電源技術(shù)在21世紀(jì)發(fā)展受兩大趨勢支配，一是環(huán)境問題，另一個是信息和通信技術(shù)的發(fā)展。不僅要推進計算機、電視機等電子儀器以及空調(diào)、汽車等所有設(shè)備的節(jié)能化，而且還應(yīng)對環(huán)境問題直接產(chǎn)生影響的太陽能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、燃料電池等新能源的利用進行研究。在21世紀(jì)，太陽能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、燃料電池等新能源已進入第4代即智能化時代，這些變化都將驅(qū)使開關(guān)電源變換技術(shù)進行新的理論創(chuàng)新和發(fā)展變化，開關(guān)電源將向高性能化、智能化、模塊化、高頻化等方向發(fā)展。

6．1 高性能化

高性能化主要包括低損耗、高速度和高可靠性這三個方面。預(yù)計在21世紀(jì)IGBT、智能化功率模塊(IPM)等器件的導(dǎo)通電壓可降到1V 以下，而MOSFET、IBGT、MCT等器件的應(yīng)用頻率將達到兆赫數(shù)量級。

6．2 智能化

智能化的發(fā)展是系統(tǒng)智能集成(ASIPM)，即將電源電路、各種保護以及PWM 控制電路等都集成在一個芯片上，制成一個完整的功率變換器IC。集成電力電子模塊(IPEM)是將控制、驅(qū)動、自動保護、自診斷功能的IC與電力電子器件集成在一個模塊中。由于不同的元器件、電路、集成電路的封裝或相互連接產(chǎn)生的寄生參數(shù)已成為決定電力電子系統(tǒng)性能的關(guān)鍵，所以采用IPEM 方法可減少設(shè)計工作量，便于生產(chǎn)自動化，提高系統(tǒng)質(zhì)量、可靠性和可維護性，縮短設(shè)計周期，降低產(chǎn)品成本。

6．3 模塊化

模塊化有兩方面的含義，其一是指功率器件的模塊化，其二是指單元的模塊化。常見的功率器件模塊包括開關(guān)器件和與之串并聯(lián)的續(xù)流二極管，實質(zhì)上都屬于“標(biāo)準(zhǔn)”功率模塊(SPM)。近年來，有些公司如深圳中電華星把開關(guān)器件的驅(qū)動保護電路也裝到功率模塊中構(gòu)成IPM，不但縮小了整機的體積，而且更加方便了整機的設(shè)計與制造。實際上，由于頻率不斷提高，致使引線寄生電感、寄生電容的影響愈加嚴(yán)重，對器件造成更大的電應(yīng)力，具體表現(xiàn)為過電壓、過電流毛刺。為了提高系統(tǒng)的可靠性，有些制造商開發(fā)了“用戶”功率模塊(ASPM)，它把一臺整機的幾乎所有硬件都以芯片的形式安裝到一個模塊中，使元器件之間不再有傳統(tǒng)的引線連接，這樣的模塊經(jīng)過嚴(yán)格、合理的熱、電、機械等方面的設(shè)計，產(chǎn)品性能優(yōu)良。這種模塊類似于微電子電路中的用戶集成電路(ASIC)，即只要把控制軟件寫入該模塊中的微處理器芯片，再把整個模塊固定在相應(yīng)的散熱器上，就構(gòu)成一臺新型的開關(guān)電源裝置。由此可見，模塊化的目的不僅在于使用方便，而是縮小整機體積，更重要的是取消了傳統(tǒng)連線，把寄生參數(shù)值降到小，從而把器件承受的電應(yīng)力降至低，提高了系統(tǒng)的可靠性。另外，大功率的開關(guān)電源，由于器件容量的限制和冗余度的增加，從提高可靠性方面考慮，一般采用多個獨立的模塊單元并聯(lián)工作，采用適當(dāng)?shù)木骷夹g(shù)，所有模塊共同分擔(dān)負(fù)載電流，一旦其中某個模塊失效，其他模塊再平均分擔(dān)負(fù)載電流。這樣，不但提高了功率容量，在有限的器件容量情況下可滿足大電流輸出的要求，而且通過增加相對于整個系統(tǒng)來說功率很小的冗余電源模塊，極大地提高了系統(tǒng)的可靠性，即使萬一出現(xiàn)單個模塊故障，也不會影響系統(tǒng)的正常工作，而且可提供充分的時間進行修復(fù)。

6．4 高頻化

理論分析和實踐經(jīng)驗表明，電氣產(chǎn)品的變壓器、電感器、電容器的體積和重量與供電頻率的平方根成反比。所以，當(dāng)我們把頻率從工頻50Hz提高400倍至20kHz時，則電氣設(shè)備的體積和重量大體下降至工頻設(shè)計的5%～10%。無論是逆變式整流焊機，還是通信電源用的開關(guān)式整流器，都是基于這一原理。同樣，傳統(tǒng)“整流行業(yè)”的電鍍、電解、電加工、充電、浮充電、電力合閘用等各種直流電源也可以根據(jù)這一原理進行改造，成為“開關(guān)變換類電源”，可節(jié)約主要材料90%以上，還可節(jié)電30%以上。由于功率器件工作頻率上限的逐步提高，促使許多原來采用電子管的傳統(tǒng)高頻設(shè)備固態(tài)化，而因其可節(jié)能、節(jié)水、節(jié)約材料能夠帶來相當(dāng)可觀的經(jīng)濟效益，更可體現(xiàn)技術(shù)含量的價值。

7 潛在的應(yīng)用前景

在電力電子技術(shù)及各種電源系統(tǒng)中，開關(guān)電源技術(shù)處于核心地位。對于大型直流船用設(shè)備，傳統(tǒng)的電路非常龐大而笨重，如果采用高頻開關(guān)電源技術(shù)，其體積和重量都會大幅度下降，并可極大地提高電源的利用效率、節(jié)省材料、降低成本。另一方面，面對石化能源日趨枯竭、排放污染日益加劇的形勢，世界各國加強了環(huán)保措施，并配套政策促進太陽能新材料、新技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用?？梢灶A(yù)見，DC／DC電壓變換器在船舶動力裝置中的應(yīng)用會越來越多，并朝著優(yōu)化船舶電站配置和分配用電，利用太陽能驅(qū)動主機、輔助機械及其他設(shè)備，將高效率、低電壓、大功率、直流無刷永磁電機與船槳佳配合等方向發(fā)展。