在过去的10-15年里，海洋工程市场对于各种船舶的新建船需求明显增加，其中有相当一部分船舶采用全电力方案。

起初，全电力船舶自给设计者和船舶建造者带来的直观好处是设备可以随意布置。推力器机械和螺旋桨设计变得更简单；不再需要齿轮箱、离合器系统和长的轴系；且全寿期维护费用也减少了。全电力船舶带来的进一步好处是效率提高、螺旋桨噪声降低、性能改善和可靠性提升，与此同时还标上了全世界各政府部门所需的绿色印记。

构成全电力方案的所有组件可被优化成如一个整体系统那样正确地工作。这种优化的关键是系统集成以及对客户的需求和需要掌控系统的哪些部分以满足这些需求有很好的理解。考虑到动力系统的局限性，在l艘船上集成多重变频系统有非常大的好处。这当然有可能通过优化控制系统以得到变频系统的最佳性能而无损于动力系统在所有运行工况下的性能。

诸如航行和动力定位操作这些不同的运行工况对变频、动力和控制系统的响应有非常不同的要求。只孤立地对这些系统中的一个系统进行最佳响应设置（安全使用）就意味着其它系统有可能不能完全发挥作用，船舶性能不能达到预期。所有系统（控制、动力和变频系统）需要一起协作才能获得性能最佳化和总体安全性能改善的最优方案。

系统集成需要船东、船舶建造者、设计者和制造商能意识到紧密的协作关系是最基本的。从设计阶段开始到海试项目完成的整个过程中都需要这种紧密的协作关系，各方都有正确的定位。

当需要达成成本目标和一定的性能优化水平时，船舶类型对价格是敏感的。大型船舶几乎都趋向于电力解决方案，而较小的供应船则努力论证其成本是否合适。世界正在缓慢地认识全电力系统且现在开始意识到它们的潜在益处。

不同的利益方有着不同的目标。船东需要一种高效费比和绿色的解决方案以低的运行和维护成本满足他们的基本需求，同时又要具有应对未来需求的灵活性。船舶设计者和建造者则希望使空间最大化以提升载货容量，使重量最小化以改善甲板负荷。

供应商想要以非常具有竞争力的价格提供能仅满足基本要求的系统或系统的零件。航运业者则要求系统能满足从航行到特殊运营的所有运营需求，而船级社则不断将规范应用于新建船并开发新规范以满足变化中的市场交易平台。

动力定位船舶经常采用各种各样的推力器．而且在以往的10多年里其设计改变极少。下述是一些可用的型式：

＊侧向推力器装置或隧道推力器一一大部分隧道推力器采用可调螺距，但即使是这些装置也慢慢地趋向于电力解决方案；

＊带有推力幅度和方向控制的方位（可旋转）推力装置——大部分方位推力器装置在推力和方向控制上主要是由电力变频方案提供动力；

＊喷水推进器（例如鳃形喷水装置）——使用电力变频技术（鳃形喷水推进器安装在船体内且有一个进水开口和一个通过导向叶轮的喷流口。水流由变速变频系统控制）；

＊平旋螺旋桨——使用电力变频技术。

大部分市场参与者已成功安装了符合客户期望的创新方案，且随着每天有新的解决方案进入市场，技术在持续演进。在过去的10多年里，变频器设计已经历了若干个版本。

有相当长的一段时间，一种带有变频变压器的二极管前端装置曾作为工业标准且仍在中压和高压解决方案中应用。据船舶设计者和船东的观点，其主要缺点是变频变压器需要额外的空间并会产生高电平的谐波干扰，所以在小型平台供应船、近海供应船和三用工作船上的适用性有限。对于较大的船舶，中压和高压的二极管前端装置仍是优先选择方案。从电压范围来说，高压一般为6.6-11kV，主要用于大型钻井／生产型船舶；中压为3.3kV，主要用于大中型船舶上；而低压一般为690V，用于近海供应船。在小型船舶上，电力变频系统很难比得过常用的可调螺距螺旋桨方案，也难满足船级社的谐波畸变规范。这些系统的成本、尺寸和重量在小型船舶上不适用。

不需要变频变压器的有源前端方案是一种用于风力发电领域的成熟技术，在该领域需要装置有能力再生能源反馈回电网。该方案用全可控变频桥替代二极管整流桥，类似于逆变整流桥。该方案现在可以用于低压电源生成装置，更适用于平台供应船、近海供应船、三用工作船和其它小型船舶。

该方案的优点是没有变频变压器，可用于低压电气装置，且只有极小的谐波干扰，有较强的故障识别和隔离能力，以及较小的尺寸和较轻的重量。缺点包括高故障电流以及对并联发电机的数量有运行限制，以减少最大故障电流。

带有双有源前端装置的解决方案是每台推力器由一台带有2个（或更多）电源模块的有源前端装置变频器提供动力。这些电源模块由不同汇流排供电。该方案的优点是在汇流排故障时推力器仍可运行，而且热力谐波畸变保持极小。在正常情况和故障情况下，具有可减少推力和电源生成且不会损失船舶的能力的优势，而且可选择进一步优化配置以减少成本、尺寸和重量。

电源系统包含下列主要部件：柴油发动机、发电机、主配电屏和辅助配电屏。此外：

＊     柴油发动机要在优化负荷水平下运行以减少维护的需要；

＊     调速器是发动机的基本部件——通过调节进入发动机的燃油量，并联发动机之间的kw级负荷分配得以实现，且电网的频率得以维持；

＊     自动调压器调节发电机绕组磁场的磁极电流，分配无功功率（kvar）并维持电网电压；

＊     主配电屏与发电机相连并经过主回路断路开关向电站配电。

设计者需要理解这些系统部件及其局限性应该如何整合，从而使每个部件都能发挥作用而又不导致整体系统过负荷。电源系统的每个部件都经过制造、检查和测试，然后才送到船厂。电源系统要到最终被安装到船上之后，才会形成真正的系统集成。

船级社在船上系统结构上扮演重要的角色，因为他们提供了船厂和供应商在系统设计期间必须满足的基本规范。系统结构包含下列主要部件：电源管理系统、船舶控制系统、手动推力器控制系统、单手柄操纵杆控制系统和动力定位控制系统。

系统的复杂性（有关冗余度和安全性）随着入级的每一步而不断增加。进一步的附加船舶标志是为了满足环境和安全要求，又增加了系统的复杂性。每种系统的遥控能力如下：

＊电源管理系统提供一个从远程操作台手动或自动管理电站的遥控系统；

＊船舶控制系统提供一个从远程操作台手动或自动管理船舶辅助系统的遥控系统；

＊手动推力器控制系统提供一个从远程操作台手动管理推力器和推进系统的遥控系统；

＊独立单手柄操纵杆控制系统提供一个遥控系统通过一只公用的单手柄操纵杆手动控制船舶的航向和位置，或使用所选推力器的组合自动控制船舶航向；

＊动力定位控制系统提供一个手动或自动控制船舶航向和位置的遥控系统。系统设计提供操纵台、主控制器、传感器和船位参考系统的冗余度，这些是船舶入级必须满足的冗余度。

上述系统可被拆分为这些核心系统，所有这些系统可由不同的供应商提供，每个系统可以单独设计和测试。这意味着供应商之间必须有良好的关系和对彼此产品的较深的了解度。

由单一供应商提供的核心系统应有助于核心部件的集成，有助于共同的理解和共同的设计目标。设计和测试应减少在调试、海试和运行期间的集成问题。供应商负责多个系统的协调以满足共同的目标。

什么是船上的主要集成问题？变频系统和变频斜率一般是依据船舶航行工况下采用最少数量的发电机来设置的。一些变频系统可与电源系统有交互界面且给变频器可提供的电源功率设定上限。海试前，变频斜率一般不会被最终确定。它们有助于船舶航行时采用最少数量发电机，但是却不利于优化船舶的航向和定位性能。它们会导致不稳定问题和并使动力系统及推力器系统过负荷。独立于其他系统工作的变频系统，将导致航向和定位问题。

变频系统有若干的应急的选项，会限制系统的额定功率输出，如冷却系统失效、绕组温度和频率相位逆转现象。这些选项对保护变频系统和相关设备是有好处的，但却不利于船舶航行及航向和定位操作。

由手动控制杆对变频系统提出需求的速率是没有限制且是直接的，因而变频系统一般将被强制产生斜率速率。在紧急情况下，操纵杆将有变化较大的需求，该需求的使用毫不考虑动力系统的配置。这些操纵杆的优点是它们提供了一种简单的速度界面，而这意味着变频系统必须有应对快速相位逆转的频率保护。

然而，由于使用了快速操纵杆需求，也可能导致跳电或全面断电状况。手动操纵杆没有提供全面断电保护，因为它们仅靠变频系统的超频保护来以防万一。

柴油发动机、发电机和主配电屏的初始设置只在现场通过使用负荷库产生的负荷进行测试。测试期间，发动机和调速器系统仅设置来应对瞬变、加载和卸载情况。正确的设置将给出恰当的响应，不正确的设置则将导致整个系统的性能变差。典型情况是不正确设置一开始就会因需求的快速变化而被发现，变频系统工程师可改变功率输出斜率来解决问题。

就单手柄操纵杆和动力定位系统而言，在正常运行时只需使用很少的推力就能保持航向和船位。然而，它们也能通过组合单手柄操纵杆或自动控制来实现推力的快速变化并在极短的时间内造成多重汇流排巨大的动力波动。这相应地也能使推力器和动力系统过负荷。提供了全面断电保护且系统的正确设置意味着系统将按照设计运行，但不正确的设置将导致系统性能变糟，可能出现全面断电状况。

组合推力控制对动力系统并没有非常大的出错容许度，因为它将依照设计工作许多年。动力系统可能在定期维护后出现性能下降情况，而性能下降可从手动操纵杆和自动控制系统的表现不佳上看出来。

我们怎么才能以较好的方式把这些核心系统整合在一起以改善船舶的总体性能和安全性？变频系统、航行操作和特殊操作都需要有所改进。

变频系统在机械方面受到相连推力器的限制，而在电气方面受到动力系统配置的限制。变频系统应该允许用户实现最大功率输出变化斜率的能力，应该能设置最大变化斜率且不应该受相连电气系统的限制。它应该有针对频率相位逆转的应急选项以保护和防止超频引起的全面断电，而且也应该随时告知相连系统能影响性能的局限性。

就手动操纵杆控制而言，操纵杆的动态变化率应该根据动力系统设置的不同用来产生最佳响应，而不是由操作员根据可用的发电量的多少对操纵杆操作的快或慢来决定。当变频系统传送和接收功率信息时，就会提供全面断电保护，而当变频系统不能接受到全面功率信息时，则回复到下降斜率以确保在最坏状况下返回原状。

过去，当系统要求高推力时，单手柄操纵杆和动力定位系统并不能很好地与动力系统配合。系统确切知道哪台发电机与哪套汇流排系统相连，所以知道你所使用的柴油发动机负荷的变化率，能使系统在不加重柴油发动机负荷的情况下改变推力的变化率。

在推力要求低情况下，所需推力能在发电装置限制允许范围内非常快速实现。而在推力处于正常水平的情况时，这将改善推力器的响应速度。在推力要求高的情况下，所需推力能在发电装置限制允许范围内以相对缓慢速度实现。而在推力处于正常／中等水平的况下，这将改善推力器的响应速度并在动力系统边界范围内实现较平滑的功率变化。

在功率消耗较大的情况下，推力能在发电装置限制允许范围内以某个速度用。这将允许控制手段能被更好地掌控。

在单个供应商供应产品的情况下，要使所有供应商步调一致很困难。想要达最有效的设备整合，就应该以在某些方面达到最高的整合水平作为最小要求。

手动控制、单手柄操纵杆控制、动力定位和变频系统需要一个明确的承诺，就是在动力使用、航向和定位控制改进方面给出优化方案发挥最佳性能。这将极大改善船舶的安全性并减少发动机的负担和全面断电情况的发生。

这种功能性和集成化的使用非常适于变频系统，而基于发电能力的推力变化率掌控理念也可应用于螺距控制系统。推力器制造商将需要考虑功率输出变化率在手动操纵杆、单手柄操纵杆控制和动力定位系统中的应用效果。有了上述的系统集成，未来对政府环境目标的承诺将进一步导致系统的优化和整合。