國外艦艇綜合電力系統研究綜述

陳 鋒，曹洪濤，劉 洋，宋 楊

(1. 海軍991工程辦公室，北京 100161；2. 海軍駐沈陽地區艦船配套軍事代表室，遼寧 沈陽 110184；3. 中國船舶重工集團公司第七一四研究所，北京 100101)

國外艦艇綜合電力系統研究綜述

陳 鋒1，曹洪濤2，劉 洋3，宋 楊3

(1. 海軍991工程辦公室，北京 100161；2. 海軍駐沈陽地區艦船配套軍事代表室，遼寧 沈陽 110184；3. 中國船舶重工集團公司第七一四研究所，北京 100101)

艦艇綜合電力系統實現了全艦能源的綜合利用，是艦艇平臺由機械化向電氣化和信息化發展的必由之路，代表現代艦艇動力平臺的發展方向。本文通過對國外艦艇綜合電力系統應用現狀、技術狀態、軍事意義及未來發展趨勢進行分析梳理，供相關人員參考。

艦艇；綜合電力系統

0 引 言

2016年美國海軍DDG 1000驅逐艦的服役，拉開了綜合電力系統應用于美海軍作戰艦艇的序幕，而艦艇綜合電力系統也成為多國未來艦艇發展應用的方向。鑒于綜合電力系統復雜的配電系統及設備所需要占用的大量艦艇空間，使得綜合電力系統在水面艦艇上的發展應用順利，而在潛艇上應用仍然處于試驗測試階段。目前，水面艦艇綜合電力系統發展已初步成熟，以2009年服役的英國45型驅逐艦、2016年服役的美國DDG 1000驅逐艦以及正在建造的英國CVF型航母等應用燃氣輪機綜合電力系統為代表。

此外，美海軍已經明確在其下一代戰略與攻擊型核潛艇應用綜合電力系統。美國最先嘗試核潛艇上探索應用綜合電力系統，應用螺旋式發展道路，即先從研究電力推進技術開始，逐漸過渡到探索綜合電力系統在核潛艇上的應用。20世紀50–60年代美國運用2艘核潛艇（“白魚”號和“格萊納德?利普斯科姆”號）驗證了電力推進在潛艇上應用的相關技術；20世紀80年代后，美國提出要在未來攻擊型核潛艇上采用綜合電力系統；2004年美海軍提出了針對新一代“弗吉尼亞”級核潛艇的Tango Bravo計劃，其實質是在未來核潛艇上采用全電力推進；2013年美海軍全電船項目計劃辦公室（PMS 320）提出海軍動力系統發展路線圖，提出包括下一代戰略核潛艇在內的未來綜合全電力推進艦艇計劃；2015年，美國海軍完成了潛艇綜合電力系統兼容性測試相關設施的配置工作，用于潛艇綜合電力系統兼容性檢測；2016年，美海軍提出安靜型推進系統項目，計劃在“俄亥俄”級替代艇及新一代攻擊型核潛艇上采用綜合電力推進系統，全面消除當前存在的潛艇相關齒輪傳動系統噪聲，而相關技術的測試工作將在第5批之后的“弗吉尼亞”級潛艇上進行。

1 艦艇綜合電力系統技術狀態

當前，綜合電力系統已在水面艦艇裝配應用，并沒有應用于潛艇，但艦艇綜合電力系統在技術運用方面具有一定的通用性，現主要以水面艦艇綜合電力系統技術發展現狀作為參考，對當前艦艇綜合電力系統技術狀態進行梳理。

1.1 綜合電力系統電制的選擇由交流電制向直流電制方向發展

綜合電力系統設計首先應該確定系統的電制，即系統的電流種類、線制、額定頻率和額定電壓。電制不僅決定了艦艇電力系統總體方案的技術路線，而且還對艦艇電氣設備的生產和供應體系產生重大影響，在艦艇運行中又會涉及艦艇與停靠港口碼頭以及協同工作的其他艦艇之間的電氣接口問題。因此，確定電制是綜合電力系統設計的首要內容。

美國DDG 1000驅逐艦、英國45型驅逐艦和CVF航母設計時間均在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。由于未來艦艇高能武器的裝配應用，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，已不再能滿足要求。美國海軍在規劃艦艇綜合電力系統電制的發展中，提出將由目前的交流低頻電制逐漸過渡到直流電制。英國的艦艇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、層壓母線等。

1.2 燃氣輪機低頻交流發電機組技術趨于成熟，并不斷推進燃氣輪機高頻交流發電技術發展

美海軍在2015年發布的《海軍電力與能源系統技術發展路線圖》中指出，低頻交流發電機發展已經趨于成熟，頻率為200～400 Hz高頻交流發電技術不斷發展，而未來將采用交流發電機組，通過整流產生直流電，供主電網使用。

目前，美海軍認為采用交流高頻燃氣輪機發電機組的功率密度可達到交流低頻燃氣輪機發電機組功率密度的4倍以上，國外燃氣輪機低頻交流發電機組技術已十分成熟，其中以美國DDG 1000驅逐艦上MT-30燃氣輪機發電機組性能最為突出，該發電機組包括箱裝體和輔助系統在內整個交流發電機組的重為120 t，功率密度為300 kW/t，最大連續功率35 MW，轉速3 600 r/min，輸出電壓11 kV。

在高頻交流燃氣輪機發電機組相關技術的發展方面，美海軍提出了2種高頻交流燃氣輪機發電機組方案，第1種是使用高轉速的LM 1600燃氣輪機（轉速為7 000 r/min）做原動機，第2種是使用LM 2500+燃氣輪機帶VECTRA40燃氣輪機動力渦輪（轉速為6 200 r/min）。這2種方案均為原動機直接帶發電機，未使用增速齒輪箱。而美國柯蒂斯?賴特流體控制公司已經于2008年進行了高頻水冷發電技術的驗證工作，采用LM 1600作為原動機，成功實現了233 Hz，6 600 V高頻高壓交流電的輸出，而發電機的功率已經達到14 MW。

1.3 綜合電力艦艇均采用先進感應電機，新型電機穩步發展

推進電機功率主要與艦艇航速和排水量有關，傳統推進方式通過齒輪箱耦合電機與螺旋槳以匹配機漿轉速，而采用綜合電力系統技術的艦艇推進，用低速電機直接驅動螺旋漿，減小了來自齒輪箱的振動噪聲，但降低電機轉速，將會導致電機體積增加，對于空間有嚴格限制的海上作戰平臺而言，滿足要求的推進電機是綜合電力系統能否裝艦使用最重要的設備。

目前，英國45型驅逐艦、CVF航母和美國DDG 1000驅逐艦均采用先進感應電機。此外，美海軍針對驅逐艦綜合電力系統還研制了永磁推進電機、高溫超導推進電機和低溫超導單極推進電機。

先進感應推進電機是一種大極距的空氣冷卻感應電機，在各類民用船舶電力推進裝置上使用極為廣泛，它們的扭矩密度為1.07 kgm/kg。

永磁推進電機是一種以永磁體工作的電機，它具有非常良好的功率密度，即尺寸小、重量輕，是一種比較理想地解決水面艦艇綜合電力系統緊湊性的電機設備，而先進永磁推進電機實現高扭矩密度系通過永磁電機的固有特性來實現，即氣隙場與極距的關系并不特別大。另一方面，永磁電機的氣隙場更多地取決于徑向氣隙和磁鐵的厚度，因此，永磁電機能設計成相對短的極距，使電動機的磁增長大為減少。因此，在比較中等的剪切應力（0.70～1.41 kg/cm2）時，永磁電機比高溫超導電機一般有較高的磁力密度（單位磁體重量的力），從而它們有稍大的直徑和較低的重量密度。

高溫超導推進電機依靠使用超導場線圈產生氣隙場。此氣隙場比普通鐵芯電機的氣隙場高得多。為了利用這些高氣隙場（＞4 T），高溫超導電機一般采用與鐵磁齒無關的“無槽電機”，但仍然使用鐵磁背鐵，使磁場泄漏保持在允許范圍內。再有，高溫超導推進電機的高扭矩密度系通過它發出的極高的磁場剪切應力得到。此磁場剪切應力的等級大約為2.8～3.5 kg/cm2（40～50 psi）。其雖然是場勵磁，但趨于大極距的趨向使它們單位面積的重量相對較大。因此，高扭矩密度的高溫超導推進電機比其他電機有直徑較小和重量密度較高的趨勢。

1.4 電力電子變換器以脈沖寬度調制變換方式為主要手段

電力電子變換器是綜合電力系統最重要的設備之一，是推進電機變流、調頻、調速所必需的設備。水面艦艇綜合電力系統今天能夠得到這樣快速的發展，受到國外海軍的高度重視，除其他相應的重要設備如推進電機等有重大的進展以外，最主要的原因在于電力電子變換技術的進步，特別是半導體電力電子器件技術的劃時代進展。

目前，采用綜合電力系統的水面艦艇主要選擇脈沖寬度調制變換器，具有功率密度低、輸出諧波少和控制性能好的優點。而且，其控制對象也比較靈活，既可以是同步電機，也可以是感應電機和永磁電機。英海軍45型驅逐艦及CVF航母和美海軍DDG 1000驅逐艦均采用的是CONVERTEAM公司的VDM-25000脈沖寬度調制變換器。該變換器是一種模塊化的多相電壓源逆變器，具有冗余度大、可用性高、裝置密度高、抗沖擊性強、能使用未經處理的水冷卻系統等優點。DDG 1000驅逐艦變換器15相，均在1個機柜中、體積為26 m3、重量為17 t，IGBT變換器電壓為3.3 kV；45型先進感應電機變換器15相，在3個機柜中、體積為23 m3、重量為21 t、IGBT變換器電壓為1.6 kV。

1.5 超導磁能量存儲、飛輪及電容儲能等儲能裝置成為研究重點

綜合電力系統優勢在于能夠實現全艦能源的綜合利用，運用能量存儲系統以應對全艦負荷的瞬時驟變。此外，綜合電力系統的配電系統也需要儲能裝置，在母線出現故障后，通過儲能裝置還需要承擔重要負載的供電。

美國得克薩斯大學研究表明，適合艦艇使用的儲能裝置主要是蓄電池、蓄熱器、飛輪和超導磁能量存儲裝置。這些儲能裝置能量密度對比情況如圖5所示。從中可以看出，在大型儲能系統中超導磁能量存儲裝置、STL飛輪、鎳氫電池能量密度較高，在小型儲能系統中緊湊型飛輪和燃料電池能量密度較高，在未來儲能系統中納米飛輪的功率密度將有很大提高。

鑒于鎳氫電池技術已經成熟，美國目前針對艦艇綜合電力系統儲能裝置的重點研究方向包括超導磁能量存儲裝置、飛輪和電容儲能等幾種。

2 綜合電力系統對艦艇發展的影響

剖析艦船采用綜合電力系統后將對艦艇總體、武器配備、主要機電設備和推進裝置等產生重大影響。

2.1 對艦艇總體的影響

1）布置靈活

綜合電力系統采用低轉速、高扭矩的推進電機直接驅動螺旋槳，可省去傳統機械推進艦艇原動機與螺旋槳之間的齒輪箱，并縮短了推進軸系，提高了艦艇布置靈活性。從而可節省更多的空間，增大了艦艇有效負載的空間。

2）降低噪聲信號，提高隱身能力

通過發電機組的靈活布置，可延長綜合電力系統原動機向水中傳遞結構噪聲的路徑，可降低原動機的聲信號。如圖6所示，CVF航母的MT-30燃氣輪機發電機組就布置在航母4層甲板，即機庫甲板上。取消了原動機和螺旋槳之間的齒輪箱，完全消除了齒輪箱的噪聲。

3）提高生命力

綜合電力系統可顯著縮短推進軸系，推進電機的位置可更靠近螺旋槳，使綜合電力系統的原動機分散布置在不同的艙室內成為可能，艦艇遭到攻擊后，降低了原動機同時損毀的概率，提高了生命力。

4）提高機動性

綜合電力系統中，由電機驅動螺旋槳，可在不改變原動機及發電機工況的情況下，利用變換器調節電機轉速和方向，實現艦船航速調整及正倒車控制。

5）節省燃油

與傳統的有2套燃氣輪機（1套用于推進，1套用于發電）的機械推進系統相比，使用綜合電力的推進系統能減少艦的燃油消耗。美國國會研究中心報告指出，采用綜合電力系統的海軍戰艦比采用相同原動機的戰艦能節約10%～25%的燃油，而水面艦船能節約15%～19%的燃油。此外，艦船采用電力推進還可使用新的推進器和艦尾結構，如吊艙推進器還能進一步降低艦的油耗，因為它能改進了水動力效率。

2.2 對武器配備的影響

1）為高能武器上艦鋪平道路

綜合電力系統最大的優勢是可以實現推進用電和日用電（包括作戰系統用電）之間的調配使用，當日用電不足以支持高能耗設備（如電磁彈射器）用電時，可以調用推進用電。以DDG 51驅逐艦為例，其推進功率是78 MW，發電功率僅為7.5 MW，根本無法滿足電磁軌道炮和自由電子激光器的電力需求。而DDG 1000驅逐艦的發電功率就為78 MW，完全滿足這些高能武器的要點需求。

2）采用大功率電子設備成為可能

以采用機械推進的DDG 51驅逐艦為例，其推進功率是78 MW，發電功率是7.5 MW。根據DDG 51 FlightⅢ型驅逐艦的發展計劃，為配備14 MW大功率雷達就和節約燃油，該艦將采用機電混合式推進系統以為日用電系統提供更多的電力。而采用綜合電力系統其發電量遠遠高于機電混合式推進系統，則更利于雷達等大功率電子設備上艦。

2.3 對主要機電設備的影響

美國海軍潛艇無軸推進的一項研究工作是利用電力執行機構代替液壓執行機構。美國DDG 1000驅逐艦的自動損管系統和自動滅火系統均實現了電氣化和自動化，可顯著減少監控系統人員的戰位。艦艇采用綜合電力系統后便于機電設備實現電氣化和自動化。

2.4 對推進裝置的影響

1）取消調距槳

從英國CVF航母、45型驅逐艦和美國DDG 1000驅逐艦的配置來看，均采用定距槳。而此前，英國42型驅逐艦和美國DDG-51級驅逐艦均采用調距槳實現倒車。采用綜合電力系統后，推進電機通過改變轉動方向，就可實現倒車，而無需使用調距槳。

2）催生新型推進器

采用電力推進后，使螺旋槳和推進電機相互集成以及推進電機在艦艇外布置成為可能。如法國“西北風”級兩棲攻擊艦采用的吊艙推進器和美國正在研制的輪緣推進器均具有上述2個特點。

3 綜合電力系統未來發展趨勢

綜合電力系統的未來發展目標是實現包括潛艇在內全系列艦艇的裝配，目前，美國海軍DDG 1000、英國45型驅逐艦采用的綜合電力系統均屬于一代技術，只能適用于排水量6 000 t以上的艦艇，為了實現1 000 t以上排水量艦艇均能應用，以美國為主的西方國家正競相開展二代技術探索研究，主要技術發展體現在以下方面：

1）發電系統，采用高速集成中壓整流發電方式替換當前中壓交流工頻同步發電方式；

2）輸電系統，將以中壓直流輸電技術取代當前采用的中壓交流工頻輸電形式；

3）配電系統，將運用直流區域變配電裝置取代當前交流變壓器或直流區域變配電裝置；

4）推進系統，將運用更為先進的永磁或高溫超導電機以替換當前已采用的先進感應電機，并運用基于高度集成組件或SiC的推進變頻器取代當前艦艇裝備的基于IGBT推進變頻器；

5）儲能系統，將運用超級電容、集成式慣性儲能或復合儲能取代當前以蓄電池為基礎的儲能裝置；

6）能量管理系統，運用智能型管理系統，以實現電力系統的智能化管理。

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Summary of overseas warship's integrated power system

CHEN Feng1, CAO Hong-tao2, LIU Yang3, SONG Yang3

(1. Naval 991 Engineering Office, Beijing 100161, China; 2. Navy Military Representative Office of Ship Supporting in Shengyang Area, Shenyang 110184, China; 3. The 714 Research Institute of CSIC, Beijing 100101, China)

The integrated utilization of the ship's power system, is the way for the development of ship's platform from the mechanization to the electrification and informationization. It represents the development direction of the modern ship's power platform. It is proposed that the ship's integrated application of the power system State, military significance and future development trend analysis, for the relevant units.

naval ressels；integrated power system

U664

A

1672 – 7649(2017)09 – 0001 – 05

10.3404/j.issn.1672 – 7649.2017.09.001

2017 – 06 – 12

陳鋒(1796 – )，男，工程師，主要從事船舶動力裝置設計研究。