船舶綜合電力推進技術研究及展望

伍賽特

(上海汽車集團股份有限公司， 上海 200438)

0 引言

目前應用的推進系統主要有兩類：機械式直接推進(柴油機、燃氣輪機、熱機聯合直接推進)和電力推進[1-2]。電力推進又分為：采用獨立的推進動力電站為推進電動機供電的傳統電力推進和采用綜合電站同時為推進電動機和其他用電設備(武器)供電的綜合電力推進[3-4]。

隨著計算機技術、電力電子技術的飛躍發展，大型專業設計、計算、仿真軟件提供的輔助設計手段加快了設計進程。功率器件容量的不斷提高使大功率變頻調速得以實現[5-6]；先進制造和新材料技術的跨越正不斷克服大型船用設備的加工難題，以上進展使新型船舶采用綜合電力推進技術具備了發展前提。順應這種技術進步，新型船舶實現全船電氣化的基礎―“綜合電力推進”技術走向成熟。

1 綜合電力推進技術

綜合電力推進系統是一種全新的系統，其采用現代數控技術、大功率電子技術等先進技術，可大幅提高全艦能源利用和變換的效率，為動力和電力機械領域提供了最新研究成果。綜合電力推動系統可以實施高度的模塊化和通用化，因而，既能發揚電力推進的長處，又能提高電網供電的可靠性，為船舶作戰使用帶來更大的靈活性，使總體設計更能夠滿足未來船舶的各種需求。

2 國外船舶綜合電力推進技術應用發展狀況

1838年，俄國科學家雅柯賓首次用直流電動機和蓄電池，做了一條小船的動力試驗，形成“電力推進”的概念。1908年，美國芝加哥市第一艘電力推進消防船開創了船舶電力推進技術應用的先河，解決了當時熱機轉速高、單機容量小、調速困難以致使內燃機無法直接應用于船舶推進的難題，從而使電力推進的應用迅速發展，并在第二次世界大戰期間得以廣泛應用于各類型軍用艦艇。

第二次世界大戰后，由于機加工技術的進步，大型齒輪加工工藝趨于成熟以及內燃機和汽輪機的大型化、船用化，使電力推進技術的應用退居到主要應用于特種船舶的地位。20世紀80年代，隨著電力推進相關技術的進步以及對船舶動力系統要求的提高，電力推進又進入了新的發展時期。

2.1 民用船舶綜合電力推進的應用發展

在新的發展時期，綜合電力推進的應用已突破了特種船舶的局限，快速向各類型船舶應用擴展。特別是運輸船類，因更多地追求營運的經濟性和環境的舒適性，迫切地趨向于采用綜合電力推進，促進了世界知名公司加大綜合電力推進技術的研發投入，并首先在民用船舶上取得突破性進展。

2.2 綜合電力推進在軍用艦艇上的應用和發展

電力推進在民用船舶，特別是大型游輪以及23型護衛艦上的應用，促使英、美開始探索和研發綜合全電力推進用于新型水面艦艇。

1986年，美國根據新時期全球戰略需求，需全面提升海軍艦隊的綜合能力，裝備新型高能武器，提高作戰能力，改進動力系統，提高機動能力，降低特征信號采取有效防護措施，提高隱身能力，改善能源水平，提高對陸支援能力等。早在1988年美國海軍即已明確提出海軍下代水面戰艦將采用電力推進。

由美國水面戰艦計劃可明顯看出，2010年以后，采用綜合電力推進的新型戰艦DD(X)、LCS、CG(X)等將逐步取代機械式直接推進的艦艇[7]。

英國在23型護衛艦采用巡航電力推進之后，加大投資開發未來船舶上的先進電力推進技術。其中包括一種中型航空母艦CVF、一種核動力攻擊型潛艇、兩種水面戰艦―45型防空驅逐艦和未來水面戰艦FSC，軍輔船也將采用“綜合全電力推進”系統。

德國根據本國以防衛和護航為主的戰略思想，水面戰艦的發展以護衛艦為重點，船舶的推進系統完全摒棄了主軸系統。另一個特點是發電系統采用燃氣輪機發電機組與燃料電池的混合系統[8-10]。

法國、荷蘭、瑞典、俄羅斯以及澳大利亞，都根據戰略需求和本國的國情，開展了相應的全電力艦艇的研究開發工作。

上述情況充分證實了“綜合全電力推進”及“綜合電力系統”是未來海軍戰斗艦艇及軍輔船動力系統的發展趨勢。

2.3 國外船舶綜合電力推進技術特點

2.3.1 制定綜合發展計劃，系統地開展綜合電力推進技術研究

從20世紀80年代起，歐美等國就根據戰略和未來戰爭的需求及現代技術發展的支撐，提出了相應的發展計劃。

美國自1986年提出“海上革命”計劃后，制定了專項“綜合電力系統”(IPS)計劃。組織海軍研究機構、大學“電力船舶研發聯盟”、通用電氣公司、洛克希德?馬丁公司等，形成研發體系并投入926億美元，開展綜合電力推進系統及設備的研究。

英國于1996年提出了“綜合全電力推進”(IFED)發展計劃和“全電力艦艇”(AES)方案，與法國聯合，組織羅爾斯?羅依斯公司、阿爾斯通公司、熱蒙公司等，實施“電力艦艇艇”計劃，總投資約10億美元。

德國于1999年制定了FDZ-2020項目計劃，組織HDW船廠、西門子公司、MTU公司等實施未來護衛艦計劃，投入3.37億歐元進行先期開發。

2.3.2 更新研究設計手段、設計理念，完成了由“經驗和試驗設計”向“模型設計”的過渡

世界各大知名公司，已利用現代計算機技術、信息技術、軟件技術的成果，開展綜合電力推進系統及設備的仿真研究，建立了模型體系；綜合利用基礎研究和應用開發過程中積累的大量數據，建立比較完善的數據庫；建立了以系統和設備“模型”為主體，在數據庫支持下的設計軟件系統和工程選型軟件系統，可將原來需要5～10年的全新系統研究設計周期縮短到一年甚至幾個月，并大幅度提高設計精度。完成了由“經驗和試驗設計”向“模型設計的過渡。

2.3.3 重視演示驗證系統建設，開展演示驗證研究

美國為了開發綜合電力推進系統，并驗證基礎技術的可行性、有效性、降低技術風險，分別在普渡大學和密蘇里大學建立了推進和供電系統的半物理試驗平臺，與英、法國防部聯手于1996年在費城建立了工程實比例陸上試驗站。英、法聯合在位于英格蘭的阿爾斯通研究中心建立了“電力艦艇艇”技術單軸系全尺寸演示驗證中心，通過實驗驗證系統設計軟件的置信度和可靠性。

2.3.4 既重視基礎研究的同吋，又注重先期技術開發，提高應用技術儲備能力

各國在執行“電力艦艇”計劃中，都包含有系統和設備的先期開發，為進一步提高系統性能做必要的技術準備。如美國在執行“綜合電力系統”計劃中就包含了橫向磁通永磁電機的研究，并投資約1.4億美元研究高溫超導電機等，為進一步提高綜合電力推進系統的功率密度做出了前瞻性工作。

2.4 國外船舶綜合電力推進技術發展趨勢

當前國外技術發展趨勢主要表現在以下幾個方面：

(1) 大容量系統技術。為提高動力和作戰能力，動力系統的容量不斷增大，民用船舶實現了單機功率達44 MW，軍用艦艇中美國DDG-1000艦單機功率可達36.5 MW。

(2) 設備高功率密度技術。為減輕動力系統設備的質量，縮小體積，除合理設計系統結構外，利用新材料、新技術提高主要設備的功率密度，如西門子公司IFR6839徑向永磁電機的轉矩密度達448 kN·m/t(一體化結構，含調速設備)，阿爾斯通新型感應電機轉矩密度高達11.928 kN·m/t。

(3) 綜合利用能源技術。從能量管理入于，通過合理調整工況的系統結構，使系統始終處于“最佳”狀態，達到節能目的。

(4) 供電系統的中高壓技術。中大型船舶系統電壓不斷提高，一般系統電壓在6.6 kV以上，民用船舶最高電壓已達11 kV，美國DDG-1000的系統電壓為138 kV。

(5) 智能自動化系統技術。智能化是當前系統自動化的技術發展途徑，可以減少船員，提高系統運行自動化水平，是適應“信息戰”的主要手段。

(6) 工程設計的通用化、系列化、組合化技術。以簡化設計、減少系統全壽命費用，并為技術更新提供基礎條件。

(7) 高性能儲能技術。儲能技術是應改善船用電網電能供應需求及高能武器的能量供應而提出的，同時也為動力系統的生命力提供了保障途徑。

3 我國船舶綜合電力推進技術的發展狀況

目前，我國只能夠自行設計傳統電力推進系統并在少量軍民用船舶中服役。其主要特點是采用直流低壓(<1 000 V)技術，其應用對象一般限于2 000 t級以下的特種船舶(主要是潛艇)。面對當今世界快速發展的新型繞合電力推進技術，我國尚處在一個重大技術轉型期的起步準備階段。

3.1 我國電力推進船舶發展歷程和現狀

3.1.1 民用船舶

從建國起到20世紀末，國內建造的電力推進相關的民用船舶只有兩艘：一艘是1962年江南造船廠自行設計制造的“浦江號”火車渡輪，采用的是直流電力推進系統，由于技術不成熟等諸多因素的影響，僅運行了一年多就退役；另一艘是1987年大連造船廠為國外船東建造的穿梭油輪，推進系統仍是機械式直接推進，雖然采用了新型電力系統為全船供電，但該電力系統是由ABB公司提供的系統設計和設備[11]。

進入21世紀，在市場需求的牽引下，我國對船舶綜合電力推進技術的關注度日漸提升。近年來，國際上采用綜合電力推進技術船舶的增長勢頭加快，國內造船企業的制造訂單也逐漸增多。近年來，國內建造電力推進船型種類已得以顯著擴充。我國船舶總體設計單位逐漸參與新型船舶的系統設計，分別在集裝箱船、半潛式起重船、煙大鐵路渡輪、水聲測量船、海洋考察船等船型上開展總體設計中取得了一定的經驗。但是，相比國外，國內對民用船舶綜合電力推進技術處在被動跟進狀態[12]。

3.1.2 軍用艦艇

自20世紀60年代初，我國在蘇聯轉廠制造常規動力潛艇動力裝置的基礎上，研制了三代常規潛艇電力推進系統，即一代研仿；自行設計第一代常規動力潛艇電力推進系統和第一代核動力潛艇的應急電力推進以及巡航電力推進系統。進入八九十年代，自行設計了新一代常規動力潛艇電力推進系統。水面船舶只有消磁船，小型軍輔船采用低壓直流電力推進。同時，國內還開始了永磁電力推進系統的預先研究工作，同期研制的采用直流永磁電機的電力推進系統已裝備于船舶作深潛器；還設計研制了深潛救生艇的PWM型異步電動機電力推進系統(包括主推進器和側推)等[13]。21世紀以來，我國裝備預研以采用綜合電力系統的新型護衛艦、驅逐艦、潛艇為目標，啟動并開展了“船舶綜合全電力推進系統關鍵技術研究”。

3.2 國內與國外的技術差距分析

我國船舶綜合電力推進技術與國外的差距主要表現在基礎研究能力、系統設計能力、試驗驗證能力等方面。沒有形成自主研發體系，導致技術發展落后，基礎科研能力和創新能力不強。現對國內外差距分述如下。

3.2.1 基礎研究能力方面

在國外，大學和科研機構主要承擔基礎研究工作，如美國的密蘇里大學、普渡大學、BWX技術公司(洛斯·阿拉莫斯國家安全小組四成員之一)、蘭德國防研究所、英國宇航系統公司(BAE)、法國艦艇建造局(DCN)、 Converteam(Alstom)公司、德國亞琛工業大學、西門子公司、ABB公司等。

國內近階段進行的基礎研究主要有：大容量高功率密度電力推進系統的基礎研究；仿真模型和虛擬試驗平臺研究；新型船舶的電氣傳動和動力系統基礎研究；高可靠性電力推進系統控制和數據通信網絡的基礎研究；脈沖電源和負載模擬的基礎研究；動力系統減振降噪研究、燃料電池(PEM)；大功率元器件集成；電力、熱能、機械及控制的動態系統分析軟件等[14-15]。

在基礎研究領域，已形成對船舶綜合電力推進系統技術發展的支撐能力。國內高校和科研機構現有“電力電子與電力傳動”、“電力系統及其自動化”、“電機與電器”、“高電壓與絕緣技術”、“電工理論與新技術”等研究方向，并且開展了如船舶綜合電力推進系統計算機仿真、多相電機拖動系統的理論體系、船用中壓電網監測、限流器設計方法、動力定位技術、超級電容器儲能技術研究等，但是總體來看，研究比較分散，基礎研究能力依然有待提升。

3.2.2 系統設計能力方面

在綜合電力推進系統設計能力上，我國與國外的差距主要表現在科研組織體系、系統(集成)設計技術、設備設計技術和設計手段四個方面。

美、英、法、德等海洋大國都于20世紀90年代通過實施有關船舶綜合電力推進系統的發展計劃，組織研究設計單位、企業、大學等開展了系統的基礎研究和應用研究工作；在掌握綜合電力推進系統設計方法的基礎上，已可對各種新型船舶所需綜合電力推進系統開展系統設計和工程應用，并形成了系統和設備的仿真設計、工程設計系列軟件，以及整套的設計規范和標準體系[16]。目前，絕大多數綜合電力推進系統及設備是由國外幾家大公司集成供貨，主要包括電力推進領域內的三大跨國電氣公司：ABB、阿爾斯通和西門子以及傳統的系統集成商如 IMTECH等，它們在系統集成設計方面占有絕對的市場壟斷地位。

國內的研發工作處于“萌芽”期，未形成系統的“合力”；在系統設計方法上還處于學習和摸索階段，基本的工具軟件、仿貞軟件高級模塊、系統設計軟件受制于國外，國內尚沒有自己的設計規范和標準；初步開展的設備設計工作，仍存在不少技術難題；國內僅有個別綜合電力推進系統集成的工程業績，但都局限于小功率等級船舶。

3.2.3 試驗驗證能力方面

在試驗驗證能力上，我國與國外的差距主要表現在研究性實驗、工程化驗證試驗兩個方面。

發達國家已于20世紀90年代陸續建成了綜合電力推進系統仿真實驗室以及全尺寸工程試驗站。進入21世紀后，其系統仿真試驗的結果已通過實船驗證(Superstar豪華游輪)，且全尺寸陸上工程試驗已用于實船系統設備聯合調試并裝船試航(45型驅逐艦)。

國內除系統和設備仿真軟件存在較大差距外，通過近年來的保障條件建設投入，實驗室仿真硬件條件和小比例樣機試驗條件基本具備；全尺寸陸上工程試驗條件正在建設中。另外，在生產制造能力上，目前國外可面向各種船型，全套提供各種功率等級的中、低壓電力推進設備；國內可對中小型船舶提供柴油發電機組、低壓配電屏和變壓器等，新型材料和大功率器件更多向國外購買。在售后服務能力方面，國外可提供全球化現場服務；我國主要對沿海和內河船提供維修服務。

3.2.4 人才、科研組織體系方面

船舶綜合電力推進系統涉及多學科、多專業技術。國外在開展綜合電力推進技術研究時，都建立了一個由國家科研管理機構、科研院所、企業、大學、海軍科研機構等單位構成的科研組織體系。其中，國家科研管理機構通過制定政策法規以及管理科研經費的手段擔負著基礎科研和技術進步的宏觀調控職能；企業根據市場的需求和生存競爭的需要成為高新技術研發的主力軍；大學和專門科研機構則構成了基礎研究和前沿科學研究的主要基地。國內船舶的設計和研制由科研院所、大學、企業、海軍科研機構等單位承擔，但還未形成科研組織體系，尚未開展系統全面的研究工作。

3.3 造成差距的原因

國外的船舶綜合電力推進技術早在20世紀期間即已經歷了10～15年的歷程，自21世紀以來已進入實用化、產品化階段。其在技術發展過程中，以本國為主注重國際合作，聯合開發研究，逐步形成具有本國(或本公司)特色的系統和設備技術，實現了共性技術應用和產品標準化，以利開展模塊化設計和系統集成。在軍用領域，美、英、法等國更是注重國際合作，用最少的投資獲取最優勢的設備，在進行基礎研究的同時完成試驗場地等保障條件建設，爭取用最短的時間完成新型作戰艦艇的研制。

通過對比分析，我國在船舶綜合電力推進技術的總體上與國外的差距明顯，形成差距的主要原因有：

(1) 缺乏船舶綜合電力推進技術發展思路和發展規劃研究，沒有形成國家支持下的長期穩定發展計劃。長期以來，軍用艦艇重點發展潛艇動力需要的傳統電力推進技術，而對民用船舶和水面艦艇綜合電力推進新技術研發應用關注不夠。近年來，國內有關單位開始了船舶綜合電力推進系統的預研工作，但仍然缺乏整體規劃和宏觀布局。

(2) 缺少船舶綜合電力推進技術研究投入，影響深入系統的基礎研究。多年來，預研、科研投入的有限經費主要是為解決型號急需，未注重基礎技術研究的投入。研究力量分散，缺少相應的組織協調，缺乏相應的規范、標準，使得研究的總體水平受到影響。

(3) 設計研究和試驗驗證平臺的建設較晚，影響自主研發設計體系建設。長期以來，研究試驗的條件建設均以裝備的工程型號為背景，沒有從專業技術發展所需系統地考慮基礎條件建設，未形成配套的設計軟件和數據庫，缺乏系統設計所必要的系統仿真分析軟件、在線實時檢測的試驗設備和大容量的系統試驗平臺等自主研發體系建設的必備條件。針對這題，國家有關部委正在加大投入，不久的將來在設計研究和試驗驗證能力上將大大縮小與國外的差距。

(4) 人才隊伍的培養急待加強。綜合電力推進技術涉及的專業技術領域廣而新，研發一線十分缺乏經過實踐鍛煉的復合型人才。在設計理念、基礎研究創新能力發展上不利。我國目前對系統集成設計的研究才剛剛起步，可提供工程應用的新型推進設備幾乎是空白，因此要縮短與國外的差距，必須有一段逐漸積累經驗的路要走。

4 加速發展國內船舶綜合電力推進技術的必要性

4.1 我國對綜合電力推進技術發展的迫切需求

4.1.1 民用船舶需求

進入21世紀，隨著運輸業和旅游業需求的日益增長，給我國船舶行業帶來了新的發展機遇。我國的船舶工業的快速發展，給船舶配套設備發展帶來重要發展機遇。但是，目前利潤豐厚的船舶配套設備仍然大多依賴進口。面對航運市場競爭，我國迫切需要高技術船舶發展綜合電力推進系統的應用將是重要因素之一。

進入21世紀，國外綜合電力推進船舶中，推進功率等級1～7.5 MW的中小型船需求量接近65%。國內近幾年已基于國外技術建造了一些新型電力推進船舶，加快我國船舶綜合電力推進技術研究和應用開發，從沿海和內河中小型電力推進船舶綜合電力推進系統入于，實現系統集成設計和配套設備國產化可以成為我國綜合電力推進近期目標；大型民用電力推進船舶如海洋工程平臺、遠洋貨輪的推進功率等級一般在10～20 MW以上，特別是家華游輪屬技術含量很高的高端產品，可作為二期目標滿足需求。

4.1.2 軍用艦艇需求

軍用艦艇動力系統的性能直接影響著海軍武器裝備的作戰效能，世界各海軍強國都在爭先發展綜合電力系統技術。為維護和平和祖國統一、適應現代戰爭的需要，研發和建造具有世界先進水平的綜合電力推進艦艇將是我國海軍快速提升作戰能力的重要舉措。依據我國海軍的發展目標，要不斷提高軍用艦艇的動力性能，必須加快綜合電力推進系統研發。

4.2 加快綜合電力推進技術發展的必要性

船舶配套業是船舶工業的重要組成部分和做大做強的基礎，船舶配套業發展水平是影響船舶工業綜合實力的重要因素。我國船舶配套業落后，嚴重制約著海軍武器裝備的升級換代和民用船舶產業國際競爭力的提高。進入21世紀以來，隨著造船業的快速發展，船舶配套發展滯后問題變得日益嚴峻。作為船舶配套重要項目之一的船舶綜合電力推進技術與世界先進國家相比差距史大，因此必須盡快采取措施改變落后狀態。為此需充分認識加快船舶綜合電力推進發展的必要性。

加快發展船舶綜合電力推進技術，是落實科學發展觀，建設創新型國家的需要。發達國家于20世紀80年代以來快速發展的綜合電力推進技術，已成為新型船舶動力技術的一種主流發展趨勢。我國尚未充分掌握船舶綜合電力推進技術，且技術上的存量資源不足，這在新的國際競爭環境中處于十分不利的地位，因此必須盡快啟動船舶綜合電力推進技術基礎研究，加快和加大研究工作的步伐和力度，才能跟上新技術的發展，提高核心競爭力。需通過全面、持續的科研投入，堅持以打基礎、建體系為目的的反復多輪的研究、試驗驗證和總結提高，形成研究設計平臺、試驗驗證平臺和應用評估平臺，支撐自主研發先進船舶綜合電力推進技術的研發體系。搶抓機遇，集中解決船舶配套瓶頸，提升我國船舶工業綜合競爭力的戰略任務。

加快發展船舶綜合電力推進技術，是實現軍民結合產業化、推動國民經濟發展的需要。船舶綜合電力推進技術是典型的軍民結合產品，市場的需求推動了技術的快速發展，技術的發展又促進了軍民用船舶的廣泛應用。綜合電力推進技術對國內其他行業發展還將起到帶動作用。通過綜合電力推進技術研究，可以加快大容量變頻拖動系統技術的發展，帶動與之配套的電力電子、材料、機械加工等制造業的技術進步，支持國家經濟和其他產業發展。

在國際市場競爭及軍備競賽的環境中，發達國家對我國新型船舶的技術限制和技術封鎖隨處可見。在核心技術受國外制約的現實情況下，單靠引進不可取。在民用船舶方面，由于國外大公司壟斷了系統集成設計技術，其設計費用極高，達到設備費用的1.5倍。同時，相關的設備必須由外國公司指導采購，使船舶建造的國際競爭力受到極大影響。因此，必須加快發展自己的綜合電力推進技術，才可沖破制約，避免長期處于被動地位，以滿足我國船舶發展需要。

5 未來發展船舶綜合電力推進技術的研究方向

5.1 制定國家船舶綜合電力推進技術發展計劃

世界先進國家船舶綜合電力推進技術發展迅速，民用船舶、軍用艦艇的需求旺盛。各發達國家在十幾、二十年前就根據自身的需求和基礎，制定了相關發展計劃，促進了綜合電力推進技術的進步。我國起步晚，技術落后，嚴重制約了我國船舶動力技術的現代化，影響了我國造船業和海軍裝備的發展。建議國家盡快根據我國國情，制定我國船舶綜合電力推進技術基礎研究項目計劃，組建專項協調委員會，組織計劃的實施，組建專家委員會，開展頂層設計，專業項目技術咨詢與評估工作。

5.2 建設和完善船舶綜合電力推進技術的研究開發體系

我國船舶動力技術發展已有數十余年歷史，在潛艇和軍輔船電力推進系統和設備方面積累了一定的經驗。近十余年來，國內采用綜合電力推進的民用船舶逐漸增多，總體設計及系統集成技術研究已起步。部分大學開展了相關的研究工作，鍛煉和培養了一定的專業研究設計人才。

根據軍工科研生產任務的需求，國家逐步加大了國防科研和生產基礎設施的建設投入，目前基本具備開展船舶綜合電力推進技術研究條件。需在船舶綜合電力推進技術迅猛發展的形勢下，急需抓住機遇，充分利用和整合現有資源，結合我國的國情，相對緊密地將有關企業、研究院所和院校聯合起來，組成軍民需求結合、基礎研究與設計開發結合的技術研究開發，逐步形成完善的船舶綜合電力推進技術的研究開發體系。

5.3 盡快啟動船舶綜合電力推進基礎技術的研究

船舶綜合電力推進技術研究，需要一定的周期和大量的技術儲備，需貫徹動力先行的原則，加大動力系統基礎研究的投入力度，盡快啟動船舶綜合電力推進技術研究，滿足軍民用船舶舶動力的需求。

6 結論及展望

綜合全電力推進技術是船舶動力系統的一種特殊傳動形式，伴隨著現代電力電子技術的發展，已逐步形成當今高技術船舶動力系統發展的主流趨勢。隨著民用船舶應用的增多，技術優勢的顯現，軍用艦艇研發投入力度的加大。自 21世紀以來，綜合電力推進技術已成為船舶動力技術發展的主流趨勢之一。