美國綜合電力推進技術發展綜述

張狄林

（海軍駐湖南地區代表室, 湖南 411101）

1 引言

綜合電力系統對于艦船改善操縱性能、降低噪聲、增加有效艙容、提高戰斗力、增強生命和經濟性等方面都具有明顯優勢。從20世紀八十年代開始，世界上各主要大國都在大力開發以綜合電力推進系統為基礎的船舶，進入20世紀九十年代，美國提出并開始了新型艦船綜合電力系統（IPS）的研究與開發，英法兩國提出并開始了綜合全電力推進（IFEP）的計劃，同期荷蘭也提出了全電力船（AES）的概念。綜合電力系統采用集成化的方式實現供電、輸電、配電及能量的轉換，并由于其固有的優勢已成為艦船動力系統發展的趨勢，是未來大型艦船使用高能武器系統（如電磁彈射、電磁軌道炮、高功率雷達及激光武器）的新型動力技術。綜合電力系統技術的發展一直將艦船環境下的高功率密度、高可靠性、能購性、能達性及高效率等作為重點考核指標，并由此也從最初的綜合電力技術衍生出美國所謂下一代綜合電力技術（NGIPS）[1]，并最終體現在綜合電力系統中發電、推進、儲能、電能控制、平臺負載、配電及能量轉換各模塊單元設備的關鍵技術當中。

2 美國下一代綜合電力系統（NGIPS）的發展規劃[1]

2.1 美國下一代綜合電力系統發展藍圖

上個世紀九十年代，美國提出并開始了綜合電力系統的研究，目前美國綜合電力系統技術的研究發展成果集中體現在以DDG-1000型驅逐艦為代表的艦船上。根據未來艦船對大容量、功率密度、效率、可靠性等指標更高的要求，美國制定了NGIPS的發展藍圖，見圖1。按照時間階段劃分，NGIPS可分為兩個階段，分別為近期發展規劃及遠期發展規劃；按照發電模式劃分，可分為中壓交流及中壓直流，其中交流部分又可以分為60 Hz交流及200～400 Hz高頻交流兩個階段。基于美國綜合電力技術發展及設備采購開放式結構體系，中壓交流60 Hz綜合電力系統與DDG-1000型所采用的技術在本質上區別不大，在基本滿足艦船綜合電力系統需求的前提下，該階段主要是考慮目前工業基礎情況下整個綜合電力系統的技術可達性及設備采購的能購性問題。為了進一步提高整個綜合電力系統的功率密度并且在考慮傳統系統保護策略的有效性的前提下，在中壓交流60 Hz的基礎上進一步開展200～400 Hz高頻綜合電力系統的研究，盡可能地提高綜合電力系統中的相關大型設備（包括發電模塊、變壓器等）的功率密度，擴展艦船的有效艙容。中壓交流綜合電力系統的典型特征是高速發電模塊（包括同步發電技術、永磁發電技術及超導發電技術）、大量的通用化電能變換模塊（包括AC/DC、DC/AC及DC/DC等）、先進的推進模塊（包括先進感應電機推進、永磁電機推進及超導電機推進）。

圖1 美國下一代綜合電力系統（NGIPS）發展藍圖

交流綜合電力系統中，為了負載電壓等級的匹配、直流區域配電的實現并考慮系統故障重構的可能性，使用了大量的變壓器（包括推進變壓器、配電變壓器）及AC/DC電能變換模塊[2]。考慮到未來大功率武器應用對整個綜合電力系統更高的功率密度及更高的電站容量需求，在交流綜合電力系統的基礎上制定了遠期直流綜合電力系統的發展規劃。該系統中艦船高速發電模塊發出的電能通過AC/DC大功率模塊將交流電轉換為直流電，并通過交流主電網向各負載模塊供電，從而省去了交流綜合電力系統中所大量使用的大容量變壓器及AC/DC電能變化模塊，為整個綜合電力系統各模塊的進一步優化設計成為可能，并最終實現整個綜合電力系統功率密度的有效提高。綜合來說，中壓直流系統的優勢有：原動機轉速與母線電壓頻率解耦；電力變換設備運行在比HFAC系統高于一個數量級的頻率上，可使用更小的變壓器；減少HFAC系統的EMI和EMC問題；有減輕電纜重量的潛力，不存在交流系統中由于電壓和電流相移導致的無功問題；更好的故障保護能力；更優的聲學性能；并聯發電機僅需要滿足電壓的匹配性；未來高功率負載具有更加緊湊的結構和高功率密度架構。

美國基于其NGIPS發展的近、遠期規劃及其發展戰略需求，同時也初步制定了未來三十年相關NGIPS的造艦計劃，如圖2所示。

2.2 NGIPS所需解決的關鍵技術

美國NGIPS相關模塊重點關注的問題如圖3所示。基于NGIPS的三個階段的發展規劃見表1，上述關鍵技術問題是依據提高全系統功率密度、適應不同種類的電站及主電網型式、滿足未來高壓大功率需求、可靠性等方面展開的。例如：推進電機從先進感應延伸至永磁電機及超導電機；整流器在涵蓋推進整流器的基礎上，考慮要與高速發電機相配合，形成未來直流主電網供電模式，此時就需要考慮相應的高功率因數、諧波抑制及快速故障診斷及其保護等等因素，這些在本文中不再詳細展開。

圖2 美國未來三十年基于NGIPS的造艦計劃

表1

圖3 NGIPS所重點關注的相關問題

3 結束語

目前，歐美等發達國家的第一代艦船綜合電力推進技術已廣泛應用于民用及部分軍用船舶，相比之下，我國的綜合電力推進技術仍處于起步階段。我國綜合電力系統要想長足發展，可以借鑒歐美等國的發展思維及其優越的技術特性。

[1] Naval Sea Systems Command(2007). Next Generation Integrated Power System Technology Development Roadmap. Ser 05D / 349 of 30 Nov 2007.

[2] Office of Naval Reseach. Electric Warship Technology Overview. 2, May, 2001 IEEE Eletric Ship Technologies Symposium.

[3] Kevin Carpentier, ESII Program Manager. The Electric Ship Integration Initiative-An Overview. 2005 IEEE Eletric Ship Technologies Symposium.

[4] Department of the Navy of United States. Roadmap to an Electric Naval Force. 2, March, 2001.