美英未來艦船綜合電力系統電制選擇分析

張義農，湯建華

(1.中國船舶重工集團公司第七一四研究所，北京 100192;2.中國艦船研究院，北京 100192)

0 引言

目前，在主戰艦艇上采用綜合電力系統的僅有英美2個國家。美國已在DDG－1000驅逐艦上采用，英國則在45型驅逐艦和CVF航母上采用。由于這些艦艇的設計時間均在20世紀80～90年代，因此，其電制均采用研制難度不大的交流低頻電制。其中，美國DDG－1000驅逐艦的電壓為13.8 kV、頻率為60 Hz，英國45型驅逐艦的電壓為4.16 kV、頻率為60 Hz，英國CVF航母的電壓為11 kV、頻率為60 Hz。

由于大功率雷達、激光炮及電磁軌道炮等高能武器即將上艦，未來艦船用電量將急劇增高，現在的交流電制因其變換損失大，傳輸效率低，已不能滿足要求。為此，2007年12月，美國海軍發布了《下一代綜合電力系統技術發展路線圖》，規劃艦船綜合電力系統電制的發展，提出將由交流低頻電制逐漸過渡到直流電制。英國艦船系統開發辦公室目前也在投資研發直流電制相關技術，包括直流推進電機、保護電器、儲能裝置等。從兩國目前的規劃和技術研發來看，直流電制將是未來艦船綜合電力系統發展的大趨勢。

1 交、直流電制需要解決的技術問題

美英的研究表明，采用直流電制可顯著提高艦船的可靠性和生命力，尤其在使用高功率儲能設備時優勢更為明顯。采用直流電制還可減少轉換損失，使系統更緊湊，效率更高，更易于與未來高能武器和傳感器集成。對于相同質量的銅線，采用直流電制至少可增加22.47%的電能，并易于系統控制和重構。

美海軍在《下一代綜合電力系統技術發展路線圖》中規劃，近期將繼續采用低頻交流電制，電壓為4～13.8 kV，頻率為60 Hz;中期將采用高頻交流電制，電壓為4～13.8 kV，頻率為200～400 Hz;未來將采用直流電制，電壓為 6 kV［1］。

圖1 美國綜合電力系統電制發展路線圖Fig.1 Development roadmap of US integrated power system

與美國不同，英國將從低頻交流電制直接過渡到直流電制，而不研究高頻交流電制的相關技術［2］。

1.1 低頻交流電制

艦用交流電制分為低頻交流電制和高頻交流電制2種，頻率60 Hz的為低頻交流電制，頻率200～400 Hz的為高頻交流電制。目前所有現役或在建采用綜合電力系統的艦船均采用低頻交流電制。

低頻交流電制是各種艦船上成熟使用的電制，標準電壓分0.45，4.16，6.9，11，13.8 kV等幾檔，根據斷路器正常工作電流及斷開最大故障電流的級別可確定負載最大功率和供電母線的最大容量。

美國海軍認為，使用低頻交流電制，前期技術研發階段不需要投入。但需要解決設備裝艦使用、電力系統與艦上機械控制系統集成，以及全系統集成等工程問題。

1.2 高頻交流電制

中壓直流電制和高頻交流電制的配電系統的基本結構是相同的，高頻交流電制僅是低頻交流電制和直流電制之間的一種過渡型式，其技術研發可為直流電制中相關技術的研究奠定基礎，如直流區域配電技術。美國高頻交流電制頻率為200～400 Hz，電壓等級為4.16 kV或13.8 kV。采用高頻交流電制與采用低頻交流電制相比，具有以下優勢［3］:

1)變壓器磁芯體積和重量更小。由于變壓器磁芯的橫截面積與工作頻率成反比，因此240 Hz變壓器磁芯重量僅為60 Hz的1/4。

2)減少諧波濾波器數量。推進電機可使用3相或多相變壓器，母線中電流諧波可顯著減少，甚至可不使用諧波濾波器。

3)利于子系統間絕緣。使用高功率密度變壓器將所有負載與母線隔開。變壓器減小了電力變換器的瞬態電流，限制了接地故障的影響、瞬態過壓和電力變換器的故障電流。

4)降低噪聲。工作頻率大于60 Hz時，在基頻下設備振動(如變壓器)噪聲吸收情況好于工作頻率為60 Hz的設備。240 Hz設備的噪聲吸收強度是60 Hz的6.5倍。此外，吸收高頻噪聲設備的體積和重量更小。

采用高頻交流電制需要解決以下技術問題:

1)原動機需使用增速齒輪箱或大極數發電機。對于中速柴油機，需要使用增速齒輪箱才能達到240～360 Hz。轉速3 600 r/min的燃氣輪機需要使用增速齒輪箱才能達到240 Hz以上。而轉速在7 200～1 4000 r/min的高速燃氣輪機或蒸汽輪機可直接使用常規同步發電機。原動機油耗較高。由于發電機頻率是轉速的倍數，對原動機轉速應嚴格限制，可能使原動機油耗較高或動態響應較差。

2)運行頻率高于60 Hz時將降低電纜和開關保護設備的功率因數。初步研究表明，民用240 Hz斷路器的功率因數僅為0.7。

3)增大接地故障電流。由于接地故障電流是接地線寄生電容的函數。電容阻抗與頻率成反比，頻率增加時，接地線阻抗下降，會產生更高的接地故障電流。

4)電纜安裝存在電磁干涉、電磁兼容和感應熱問題。電磁干涉可能會對電纜附近的系統和設備產生負面影響，感應熱會影響電纜通道。需采用更大的設備隔離或采用非磁性電纜支架。

5)需建立連接岸電的方法。靠岸時，艦上可將60 Hz岸電轉換成高頻交流電或岸上可直接提供高頻交流電。

6)缺乏高頻設備的試驗設施。設備供應商不具備60 Hz以上頻率設備的試驗設備與設施，應建立專用試驗設備與設施。

7)高頻下發電機并網運行問題。高頻運行減少了發電機斷路器接近并網發電機的窗口時間。目前尚不清楚，現有斷路器和并網控制器在較短窗口時間下的運行能力。

8)相比低頻交流電制，高頻交流電制功率因數更小。功率因數小會增加發電機和電纜的容量。

1.3 直流電制

采用直流電制具有如下優勢:

1)由于不受頻率限制，可降低原動機轉速，無需使用減速或增速齒輪箱，發電機極數也不受限制。甚至可改變發電機轉速，使原動機在最佳效率下運行。英國海軍認為用可調速的高速發電機，既可減小發電機的體積，又能使原動機根據負荷情況在最佳轉速下運行。

2)電力轉換設備運行頻率量級要高于高頻交流電制，使變壓器體積更小;電纜的電磁干涉和兼容優于交流電制;電力電子器件與電磁設備連接更緊密，控制故障能力優于交流電制;聲性能優于交流電制;發電機并網只需電壓匹配，無需相位和頻率匹配;系統更緊湊，功率密度更高，可滿足未來高功率負載的電力需求。

采用直流電制需要解決以下技術問題:

1)需專門研制直流開關、電力電子器件和先進的控制設備。常規交流斷路器電流不能過零熄弧，因此在直流電制中不能使用。直流電制可使用電力電子器件和先進的控制設備，在大故障電流產生前就能快速發現并隔離故障。電力電子器件設計要具有瞬態穩定性并限制可能的瞬態過壓。為此，需開發故障探測與隔離的電力電子器件和控制設備工程應用方法與標準。還要開發新型故障探測與隔離設備。

2)應建立控制原動機功率及在發電模塊間分配負載的方法。在交流電制中，通過原動機轉速控制器調節和分配有功功率，利用電壓調節器調節和分配無功功率。而直流電制中，沒有電壓調節器控制的無功功率(不考慮諧波電流)。因此，需開發將電壓調節連接到原動機轉速控制器與其他發電模塊交互負載共享數據的方法。

3)需建立直流電制的接地策略。該策略可影響電力轉換模塊中電流絕緣的尺寸和重量，電力轉換模塊具有產生接地故障電流的風險。

4)開發直流電制下電力品質標準。電力品質標準將影響濾波器和負載的體積、重量和費用，建立標準和優化全系統的性能和費用。

5)缺少工業基礎。直流電制的直流開關、電力電子器件和故障探測與隔離設備的民用市場有限，海軍要承擔絕大部分研制與應用風險。

6)需建立連接岸電的方法。靠岸時，艦上可將60 Hz岸電轉換成直流電或岸上可直接提供直流電。

2 相關技術研制進展

2.1 美國

美國海軍正在發展高頻交流電制的相關技術，海上系統司令部授予柯蒂斯·賴特流體控制公司電機分部高速、高頻、液冷發電機的研制合同，以驗證高頻交流電制下中等功率等級的發電機。該發電機由轉速7 000 r/min的LM-1600高速燃氣輪機驅動，發電機功率為14 MW，輸出電的頻率為233 Hz，電壓為6 600 V。驗證工作已于2008年在費城陸上試驗站展開。此外，該分部還針對高頻電制進行設計并驗證了高壓旋轉設備的絕緣系統［5］。

2.2 英國

英國海軍認為，直流電制的難點是維持系統的穩定性，原因是許多負載本身就是雙向的，可利用主動控制補償，實現雙向負載的故障保護。此外，可在電力電子變換器中嵌入故障保護功能控制電源阻抗，即在新型保護電器的研制中采用電力電子變換器與固態斷路器集成的概念。

英國海軍針對直流電制主要研究以下幾項技術［4］:

1)先進故障探測和保護裝置。直流配電系統利用電流反饋可快速實現故障分類和定位。英國海軍開展的相關項目將首先研究采用主動故障保護方案的可行性;其次，判斷主、被動行波故障保護方案是否更好;最后，開發和驗證直流保護策略，利用電力電子器件限制和減小故障水平及重構系統，以便為負載連續供電。

2)先進推進電機。先進推進電機是科孚德(Converteam)公司正在研制的功率為15 MW的新一代緊湊型艦船直流推進電機。其功率密度將達到同等直流電機的3倍，而體積和重量僅是目前先進感應電機的80%。2010年第一季度，1臺15 MW串接式的先進推進電機樣機在工廠試驗完成了滿功率演示驗證(見圖 2)［6］。

圖2 先進推進電機示意圖Fig.2 Schematic view of advanced propulsion motor

3)故障限流裝置。科孚德公司開發和驗證直流電制輸配電的相關技術，包括利用電流反饋電路限制故障電流以及故障識別與清除，近年將在陸上試驗站進行試驗。目前的工作重點是降低設備風險，開發算法、設計配電系統結構，以實現直流配電的陸上試驗。

3 結語

未來艦船綜合電力系統采用直流電制是發展的大趨勢，而直流保護電器又是其中最大的技術瓶頸，針對直流保護電器需重點解決保護電器的開發、設計和控制方法問題。美英海軍認為，直流電制下最有前途的保護方法就是將電力電子器件與固態斷路器集成，利用電力電子器件控制電源阻抗，將控制和保護功能統一。目前英國科孚德公司已在WestStone建立了直流演示驗證裝置，測試直流斷路器、FoldBack控制策略的可行性。

［1］DOERRY N.Next generation integrated power system NGIPS technology development roadmap［Z］.Naval Sea Systems Command，2007.

［2］Open ArchitectureApproach forthe NextGeneration Integrated Power System［ED/OL］.http://www.derry.org

［3］VIJLEE S Z，OUROUA A，DOMASCHK L N，et al.Beno.Directly-Coupled gasturbinepermanentmagnet generator sets for prime power generation on board electric ships［A］.IEEE Electric Ship Technologies Symposium［C］，2007.

［4］BUTCHER M，PARVIN P S，MALTBY R.Compact DC power and propulsion systems-the definitive solution?［A］.IEEE Electric Ship Technologies Symposium［C］，2009.

［5］Advanced Propulsion Motor［ED/OL］.http://www.converteam.com.