当时主要的关注点是变速发电机、节省空间和动态性能。从那时起发生了很多事情，直流电在船舶业中的应用变得成熟，而且很清晰的是，船舶4.0——电气化、数字化和互连——为基于直流电的电力推进带来了光明的未来。
世界在改变，船舶业也在改变。其中一些已经成为现实并广为人知，而另一些则隐约即将来临。无论如何，未来都包括了低到零碳排放能源的新混合和新数字化水平。
直流电有什么特别之处
基于直流的动力系统做到简单、灵活和实现各种能源的整合，例如变速发电机组、轴发电机、蓄电池和燃料电池。
同时，基于直流和电力电子的动力系统能够为船舶数字化提供独一无二的平台。例如，配备各种传感器和通信基础设施，数据在各系统间传输。这使得舰桥可以访问各种信息，监控和优化它们的性能。此外，更好的船岸连接意味着性能管理将走向一个新水平。
船载直流电网对各种类型的船舶都很有吸引力，而原因则各异。渡轮选择它是因为它是性价比最高的一体化能源存储功能平台，能够实现混合动力和全电操作。Aurora 和Tycho Brahe 号渡轮选择将它们的交流发电设备升级为直流发电设备以最大化的利用其新的发电设备，也是出于这一原因。
近海支援船选择它是因为高容错性、变速发电机并可轻松集成储能系统，而破冰船是因为不能在船体内装入太大的发电设备。
穿梭油轮选择它是因为其可轻松集成变速轴发电机，而探险游轮是因为其适合集成蓄电池和燃料电池，能够在敏感区域实现零排放运行。大型船舶选择它是因为可以采用1000Vdc 代替690 或660Vac 进行配电，从而在布线上节省高达40% 甚至更多的成本。
船载直流电网 – 系统平台
船载直流电网是针对下一代船舶量身定制的系统平台。它能够为低到中等功率应用提供有竞争力、灵活和先进的系统平台，并且能够以安全、容错的方式集成变速发电机、能源存储和燃料电池等新能源。它高度可配置，能够以最简单的方式满足最严苛应用的要求。
它是模块化电力系统，包含了由业内一流的电力和自动化产品构成的电源和负载模块。该结构能够实现高质量和高效率的工程过程和售后服务，同时又具备定制应用所需要的必要灵活性。
主要优点包括：
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占地空间减少多达30%
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变速发电机可以改善SFOC 发动机性能，减少排放和维护工作量，提高SCR 性能
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从成本、功能、重量和占地空间上看，是最高效的能源存储、燃料电池和轴发电机集成方案
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设计固有的一流容错能力
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发电设备高度可控，适合通过超越控制进行高级操作和优化（咨询）
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独特的直流配电能力
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独特的远程诊断和检修功能
保护理念
船载直流电网采用了具有专利的保护方案，使用了保险丝、隔离器、断路器和转换控制的组合方案以有效保护系统。
保护系统确保了船舶的安全和可靠运行以及人员和设备的高度安全。该方案根据输入回路将系统分为两种保护区：
- 电网（蓝色）：配电区。
- 直流母线（红色）：相当于传统多驱动直流母线。
输入回路为母线和电网区的边界，在正常情况下允许电流双向流动。当输入回路电网侧发生故障时，输入回路将立刻阻断故障电流在该方向的流动。反方向的故障电流则不会被阻断。
直流母线区的特点是大多数连接到母线的转换器都内置了支持母线电压的电容器组。这种母线的容性意味着该区的故障电流具有非常小的时间常数，在发生故障后很快就能达到高电流。因此，发生在该区的任何故障都必须得到极其快速的处理，防止对连接的转换器产生负面影响。固态断路器和快熔保险丝特别适合处理这种情况，它们可以在几微秒到几毫秒之间断开故障电路。输入回路将确保母线区外发生的故障不会导致转换器立刻因欠压而脱扣。
电网区的特点是故障电流具有大的时间常数。这意味着在该区可以使用慢动作保护方案，例如折叠方案或空气断路器。电网的所有接入点都由可控制故障电流的设备（例如输入回路）保护。
根据其低故障电流水平和折叠或空气断路器保护方案，电网区非常适合用于在船舶内输送电力。该系统可以替代690 或660Vac 配电系统，使导线截面减少40% 以上，并可以使用更便宜的单芯导线替代昂贵的多芯双屏蔽导线。
船舶控制系统
船载直流电网采用ABB 800xA 自动化平台实现系统控制功能，包括PEM S 和VMS。系统集成和控制能充分发挥系统内各种能源的优势，并严格控制消耗。
ABB 的电力和能源管理系统（Power and Energy Management System – PEM S）采用了新的电力和能源管理方法。PEM S 管理电力系统中电力（传统PMS 的功能）和能源的平衡。当在系统中加入蓄电池或超级电容等储能量非常有效地能源时，能源的平衡管理就变得很重要了。当直流电网中变速发电机、轴发电机和蓄电池等并联运行时，系统的电力平衡管理也将采用新思路。
“充分发挥系统中各种能源的优势”意味着什么呢？对于一个简单混合系统来所，这意味着能源储存（Energy Storage，ES）将主要履行能量缓冲的功能而引擎则提供稳定的电力。
达到这一结果的某些功能是在底层实现的，接近转换器和ES，通常是需要快速响应的功能，例如标准负载平衡和过载保护。这由各种不同的能源自主完成。其它一些功能则在更高的层面实现，例如传统的PMS区域，通常是需要在不同能源间进行协调的功能。最佳的功能和性能是通过能源和负载间的紧密水平整合以及转换器和发电机嵌入控制和系统级应用间的紧密垂直整合而实现的。
船载直流电网拥有的协调控制和通信设施可以实现系统组件间透明快速的信息交换。这是一种安全和高效实现电力系统最佳性能的整体性方法。
高水平的集成度也意味着有需要的操作人员或远程支持服务工程师可以获得高质量的信息。
对于可自动从岸上充电的船舶，PEMS 将协调和充电站的连接、充电和分离过程。
在PEMS 的结构中每个能源都是一个自主子系统。这将减少能源间的相互依赖，提高系统的容错能力。子系统功能尽可能的在子系统层面实现，只有在必要时才会涉及更广的系统。由于子系统的大多数功能都将保持不变，因此即使是从本地控制操作船舶业依然很直观。
系统优点 – 选择船载直流电网的原因
采用直流电网从交流转移直流主要是因为3 个因素：
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变速引擎
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能源储存集成
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可轻松集成其它类型的能源，例如轴发电机和燃料电池
但直流电网的优点不仅仅是这些。下文将更详细的描述一些主要优点。
变速引擎
在交流配电系统中，连接的发电机需要和系统电压及频率相匹配，而在直流电网系统中发电机只需要和系统电压匹配。这意味着发电机和引擎速度可以根据系统负载情况动态优化。当引擎负载下降时，引擎速度也下降。
这一变化的最直接优点是燃料消耗的下降，可以从上图中看到。变速运行也有其它的优点，如下：
- 在轻负载情况下可以减少高达20% 的燃油消耗率，对于中高速引擎则高达40%
- 在轻负载情况下，燃烧过程更清洁，烟灰更少
- 燃烧过程更清洁，减少燃油消耗、颗粒物排放和GHG排放
- 低负载下排气温度升高意味着SCR 可以在所有负载情况下完全运行，减少氮氧化物排放和尿素消耗。
- 噪音减少超过5dB
- 引擎磨损减少高达30%，减少维护成本
能源存储
近些年来，人们对储能（ES）和相关技术的关注继续上升，尤其是在海运业。这可能和多种不同因素有关，但可以肯定的是储能可以提高安全性、效率和未来船舶的性能。
在电力系统中集成能源存储
储能可用性仅仅是提高安全性、效率和性能的一部分。首先，必须有能源可以向消费者提供。
由于大多数能源存储介质都是基于直流电的，因此将其集成进直流配电系统要更容易，并且成本比同样集成进交流配电系统要少。
通常直流方案需要的设备更少，转换器（如果使用）也比用于交流系统的要更紧凑。在不考虑选装件或启动情景的情况下，交流转换器几乎是直流转换器的两倍长。如果考虑选装件和启动情景，则比率接近4。
相对于通过转换器连接到直流母线，将ES 直接连接到DC 母线可以轻微减少长度和提高效率。但是其代价是失去对进去储能系统的电流和系统电压的控制。
从控制角度来看，这意味着ES 功率流由系统内所有能源和负载的总和确定。这意味着该连接方法仅适用于有限数量的应用，通常是蓄电池为主要供电源的低复杂度系统。
从系统电压的角度看，该方法意味着系统电压由储能及其充电状态确定。因此系统电压变化幅度会很大，要求系统的其余部分的选型裕度放大。
综合上述原因，直连方案只有在效率比可控性更重要的情况下才会被使用。一个例子是零排放模式运行的渡轮，其中推进器消耗的大部分电力由蓄电池提供。转换器方案主要应用于可控性和容错性比储能系统效率更重要的应用。一个例子是DP 船舶，其中蓄电池通过类似削峰填谷、增强动态支持和热备用的功能为电力系统提供支持。在这些例子中，蓄电池主要作为能源缓冲，在正常情况下通过蓄电池的功率相对较小，储能效率对电力系统的总体效率没有明显影响。
能源存储& 变速引擎
储能和变速引擎的组合将带来额外的协同效应。在只有变速引擎而没有能源存储的系统中，引擎随时都需要具备足够的储能量，以便能够吸收负载阶跃。随时需要具备功率储备意味着不能实现最优运行。
当系统配备了ES 并且激活增强动态支持时，ES 可以吸收负载的快速变化，引擎优化则少了一个约束条件，从而可以进一步优化其运行。
从定速变为变速运行后， 速度负载曲线从垂直的1800rpm（红线）变为推进器曲线（蓝线）。当加入能源存储后，曲线进一步左移，有时一直可以移到MCR 曲线（绿线）。其对燃油消耗率（SFOC）的影响如上图所示。图中显示了传统交流系统（蓝色）、变速直流电网（绿色）和变速及能源存储直流电网（橙色）的SFOC。
安全性
直流本质上比交流要简单。在构建系统平台时，这意味着其更容易预测故障情景，并设计出有效地保护方案。对于船载直流电网，这将导致：
• 无需额外设备的DP2 封闭总线操作，调节器和AVR故障灯共模故障得到了更有效地处理。
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• 发电机无需等待同步，可以在10 秒内进入系统（高速引擎）
• 即使是在低速下引擎也几乎不会过载。这是因为每台发电机都内置了可限制输出功率的过载保护设备。最终结果是引擎不会停转而是维持在线。
• 通过“软”方式清除大短路电流，系统可以快速恢复并且可预测。这是系统容性和转换器控制的共同结果。因此系统不会受瞬变影响，而在保护设备切断大故障电流时这种影响经常在交流系统中出现。
安全和容错系统有其自身优点，但是有一个优点通常会被忘记。操作人员能够快速理解当稀有的故障事件发生时系统将快速和可靠恢复。在对系统具有如此信心的情况下，系统不会被断开，并且只有在必要时才会启动额外的发电机，从而实现更加经济的运行。
其它优点
除了上面的优点外，直流配电还有其它许多优点。其中一些总结如下：
• 输电：采用1000Vdc 代替690Vac 输电，减少电缆用量达40%，并且可以使用更廉价的电缆。
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• 电压畸变：变频交流系统中常见的谐波失真不再是个问题。
• 岸电连接：如果使用直流进行岸电连接，则网络频率将不再是问题，船舶可以更容易在不同的港口使用岸电连接。此外，电机和变压器启动电流不再通过岸电连接获取，可以在低功率馈电的港口实现更高的操作灵活性。如果船上具备储能系统，则其可以并联运行以抑制峰值负载，进一步提高港口的操作灵活性。
• 轴发电机：变速轴发电机可以通过和变速发电机一样的简单方式集成。类似地，PTI/PTO 方案可以通过类似储能系统的简洁方式解决。
• 燃料电池：燃料电池已经进入海运业，在几年内就可能会成为可行的电源。将燃料电池集成进船载直流电网系统可以通过和储能系统及轴发电机类似的非常简洁的方式解决。
• 集中驱动器阵列：将所有的驱动器集中到中央阵列中意味着环境条件（温度和湿度）和清洁度要求的下降，例如在推进器舱。这在建造和调试期间尤其有用。
• 集中vs 分布：在大多数系统都高度集中的同时，直流电网平台也可以通过电缆或母线槽支持全分布式系统。
• 减少空间和重量：系统组件数量减少，和交流系统相比占地空间减少高达30%。
• 电气效率：在从交流配电转换为直流配电的过程中，电气系统效率提高了0.5 到1 个百分点。
• 变速电机：在现代船舶上，风扇和泵占辅助负载的很大一部分。其中大部分都可以通过安装变速驱动器显著提高运行效率，并可以通过调节风扇或泵的速度而不是通过节流阀来调节气流。直流电网平台特别适合以高性价比的方式实现这一功能。
我们该怎么办？
船舶4.0 带来了电推进的光明未来，而船载直流系统平台是这一转变的核心。它特别适合优化现有能源、集成新能源和挖掘数字化带来的重大潜能。全电化将使船舶的未来更美好！