新型艦船綜合電力系統(tǒng)的運行分析及發(fā)展＊

閆飛飛 陳圣東 劉亞麗

（海軍蚌埠士官學校機電系 蚌埠 233012）

1 引言

上世紀90年代，業(yè)界提出綜合電力系統(tǒng)（Integrated Power System，IPS）的概念，其顯著特點是集成化，將發(fā)配電、調(diào)度與監(jiān)控以及推進和高能負荷都集成在一起。在艦船上，電能最初只是作為輔助能源，隨著電力推進技術(shù)的發(fā)展，以及傳統(tǒng)上由動力系統(tǒng)提供能量的設(shè)備的電力化，電力系統(tǒng)承擔了更多的任務，艦船綜合電力系統(tǒng)得以出現(xiàn)。上世紀90年代以來，新建造的客輪和破冰船等有超過30%左右均采用了電力推進；在軍事領(lǐng)域如英國研發(fā)了混合電力推進23型護衛(wèi)艦和2008年下水的世界上第一艘采用綜合電力系統(tǒng)的戰(zhàn)斗艦艇45型驅(qū)逐艦“果敢”號，美國歷時近20年研制的全電力DDG1000 新型驅(qū)逐艦預計2013年下水［1］。艦船綜合電力系統(tǒng)的機組運行方式與傳統(tǒng)艦船電力系統(tǒng)相比有著巨大的差異，具有良好的機動性、靜音性，節(jié)約了機艙空間，目前國內(nèi)外的發(fā)展態(tài)勢來看，代表了未來的發(fā)展方向，我國也高度重視其研究。

2 發(fā)展動因和重要意義

艦船采用電力推進技術(shù)是綜合電力系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的推動因素，電力推進相比傳動的機械推進具備更好的調(diào)速特性、機動性、經(jīng)濟性、靜音性，如破冰船要求推進系統(tǒng)具備相當強的堵轉(zhuǎn)特性、客輪要求有良好的操縱性、運輸船要求有低速航行的經(jīng)濟性、反潛護衛(wèi)艦等需要推行時有較小的噪音。

傳統(tǒng)的艦船中，推進是由大型主機完成而供電系統(tǒng)只是起到一個輔助的作用，艦船設(shè)計時采用電力推進將主動力和供電系統(tǒng)合并，減少了各種原動機的數(shù)量，節(jié)約了機艙空間，提高續(xù)航力以及戰(zhàn)斗力；同時可以發(fā)揮電能更容易集成、靈活控制的特點，全電力系統(tǒng)高效運行，提高艦船信息化程度；同時省去了傳動軸和齒輪箱等，從而切斷了艦船向外界傳播噪聲的途徑，提高了艦船的適航性、隱蔽性和生存力。

艦船綜合電力系統(tǒng)的典型拓撲結(jié)構(gòu)是環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，采用環(huán)形電網(wǎng)加上區(qū)域配電的供電模式，可以更加合理地分配電能、顯著提高艦船生存能力；先進的大功率探測設(shè)備以及高能武器具備探測距離遠、精度高等更優(yōu)越的性能，比如飛機電磁彈射和攔阻裝置這些先進裝備所需電能巨大，唯有采取綜合電力系統(tǒng)方案才能解決推進時所需充足動力以及戰(zhàn)斗狀態(tài)下高能電力的矛盾［2］。

艦船綜合電力系統(tǒng)技術(shù)對艦船設(shè)計將產(chǎn)生革命性的影響，代表了未來的發(fā)展方向，其重要意義完全可以與從帆船時代進入蒸汽機時代以及核動力艦船的誕生相提并論［3］。

3 機組運行分析

艦船綜合電力系統(tǒng)將推進以及日用負載供電等能量進行綜合調(diào)配，戰(zhàn)斗、巡航、進出港及錨泊等不同工況下的電站投入容量差別非常巨大，比如錨泊工況下的負載遠遠小小戰(zhàn)斗工況下的負載。以英國皇家海軍45 型驅(qū)逐艦“果敢”號為例，對其機組運行方式進行分析。

3.1 機組配置

“果敢”號共有兩臺20MW 燃氣輪機發(fā)電機作為“大機組”以及兩臺2MW 柴油機發(fā)電機組作為小機組，采用了大小機組并聯(lián)的方案來解決機組運行的效率和經(jīng)濟性問題。另外該艦配置兩臺ALSTOM 公司開發(fā)的19MW 先進感應推進電機（AIM），為全艦提供推進動力。

3.2 負荷容量估算

戰(zhàn)斗工況、全速航行情況下，最大日用負載供電能力約為6MW，考慮100%冗余的設(shè)計原則，所以其最大負荷容量約為3MW，根據(jù)相應設(shè)計經(jīng)驗，錨泊工況負載容量約為0.8MW，進出港工況約為1MW，巡航工況約為1.5MW。

3.3 機組運行原則

傳統(tǒng)艦船電力系統(tǒng)中，機組容量相等，一般按照負載功率是否達到單臺機組額定功率的一定比例執(zhí)行機組的并聯(lián)投入或者解列切除，而綜合電力系統(tǒng)中，存在著不同容量的機組，所以應該根據(jù)機組負荷率來執(zhí)行機組投切動作。一般情況下，在單機負荷率大于85%時，將待并機組投入電網(wǎng)；當并聯(lián)運行機組的單機負荷率低于35%的情況下實施機組切除操作，具體如表1 所示，表中p表示單機負荷率［4～5］。

表1 基于負荷率的艦船綜合電力系統(tǒng)的機組運行原則

在綜合電力系統(tǒng)中機組運行原則并不僅僅只有機組負荷率，根據(jù)其方案設(shè)計，在考慮裝機容量、推進功率以及航速設(shè)計等因素的情況下，可以采取基于航速判斷的機組投切綜合策略［6］。

3 關(guān)鍵技術(shù)進展

3.1 交直流發(fā)電模塊化技術(shù)

對于普通水上船舶而已，普通柴油發(fā)電機組技術(shù)比較成熟，而對于綜合電力系統(tǒng)而言要重點研究大功率高密度的交直流電力集成多繞組發(fā)電機發(fā)電技術(shù)以及中高壓多相交流發(fā)電機整機集成發(fā)電技術(shù)。如美國DDG1000型驅(qū)逐艦采用兩臺羅爾斯羅伊斯公司的MT30 型36MW 燃氣輪機作為發(fā)電機組原動機，其原型為波音777用發(fā)動機。大功率發(fā)電機組應具備抗沖擊性能，能夠適應艦船“三高一差”的工作環(huán)境，還需要突破電磁兼容、冷卻、振動以及噪音等難題。

3.2 推進電機及其變頻調(diào)速技術(shù)

研究內(nèi)容包括：大功率推進電動機如永磁電機的結(jié)構(gòu)、性能以及變頻調(diào)速控制策略和控制技術(shù)。45型驅(qū)逐艦選擇推進電機的過程并不是一帆風順，剛開始的選擇是永磁同步電機，英國皇家海軍已經(jīng)同某公司簽訂了合同，但是歷經(jīng)研發(fā)后由于其功率密度滿足不了預訂要求，后來又選擇了阿爾斯通電力變換公司的先進感應電機（AIM），其制作材料特殊并采用最先進的針尖冷卻技術(shù)和諧波做功技術(shù)［7］。

3.3 大容量電能變換技術(shù)

實現(xiàn)大容量電能變換的技術(shù)關(guān)鍵在于配套的電力電子器件，美國海軍研究局使用氫氧化物、集成電路、電力半導體等對模塊化電力電子標準組件進行設(shè)計和制造，采用寬帶隙半導體材料如碳化硅代替硅可以提高其性能。另外主電路電壓為中壓5000V 與后備電源（即蓄電池系統(tǒng)）電壓1000V 等級不匹配，要求配置可靠性高的直流變換器［8］。艦船綜合電力系統(tǒng)的典型配置圖如圖1所示。

圖1 艦船綜合電力系統(tǒng)典型配置

3.4 艦船綜合電力系統(tǒng)管理平臺

艦船采用綜合電力系統(tǒng)，其電站容量、拓撲結(jié)構(gòu)、推進方式等都發(fā)生了變化，而電力推進、環(huán)形電網(wǎng)和區(qū)域配電等的出現(xiàn)使電能的產(chǎn)生、分配和管理變得復雜，必須采用智能電能管理系統(tǒng)［9］。參考陸地電力管理系統(tǒng)EMS，結(jié)合艦船特點提出艦船能量管理系統(tǒng)PMS，其功能模塊如圖2所示。

圖2 艦船綜合電力系統(tǒng)PMS功能模塊

4 結(jié)語

采用艦船綜合電力系統(tǒng)是現(xiàn)代艦船的發(fā)展方向，推進和日常電力負載都從環(huán)形電網(wǎng)中供電，從發(fā)電到配電再到管理以及調(diào)度等都需要進行全局優(yōu)化以及系統(tǒng)性的研究，是新一輪艦船技術(shù)競爭的焦點。英國45型驅(qū)逐艦在各方面展示出了優(yōu)異的性能以及在美國DDG1000型驅(qū)逐艦等研制先例的基礎(chǔ)上［12］，我國將大力展開相關(guān)領(lǐng)域的研究工作，攻關(guān)關(guān)鍵技術(shù)，提高艦船電力工業(yè)水平。

［1］SAURABH K，SURYA S.Estimating transient response of simple AC and DC shipboard power systems to pulse load operations［C］／／IEEE Electric Ship Technologies Symposium.Baltimore，Maryland：IEEE，2009.

［2］危駿.美國海軍信息化建設(shè)的主要做法及思考［J］.國防科技，2009，30（4）：81－84.

［3］馬偉明.艦船動力發(fā)展的方向——綜合電力系統(tǒng)［J］.海軍工程大學學報，2002，14（6）：1－5.

［4］DANAN F，WESTON A，LONGEPE B.The electric ship technology demonstrator or how two MoDs are derisking the all electric warship concept［C］／／Proc.IMarEST All Electric Ship Conference，Versailles，F(xiàn)rance，October 2005.

［5］BENATMANCE M，MALTBY R.Integrated electric power and propulsion system on land－on overview［C］／／Proc.Electric Ship Technologies Symposium，Arlington，USA，2007：7－1.

［6］葉志浩，方明，馬凡.艦船綜合電力系統(tǒng)發(fā)電機組投切條件分析［J］.艦船科學技術(shù)，2009，31（12）：105－109.

［7］羅偉，孫超暉，方斌.船舶綜合電力系統(tǒng)研究的新進展［J］.艦船科學技術(shù)，2009，31（12）：105－109.

［8］楊青.艦船綜合電力系統(tǒng)若干問題分析［J］.上海造船，2010，82：38－41.

［9］馬偉明.艦船電氣化與信息化復合發(fā)展之思考［J］.海軍工程大學學報，2010，22（5）：1－4.

［10］邱欣杰，鄭浩，王劉芳，等.電力設(shè)備綜合帶電檢測管理信息系統(tǒng)的研究［J］.計算機與數(shù)字工程，2013，（03）.

［11］王忠勇，于洋，常勝，等.基于DSP的電力故障檢測儀［J］.計算機與數(shù)字工程，2011，（04）.

［12］Weldon W，Gale P，Adair R，et al.Roadmap to an Electric Naval Force.Arlington VA［A］.Naval Research Advisory Committee，2002：31－62.