現代艦船電力技術的研究與實踐

時宣華

現代艦船電力技術的研究與實踐

時宣華

（江蘇聯合職業技術學院揚州分院，江蘇 揚州 225003）

本文闡述了高速發展的電力技術與現代艦船的電力保障需求，剖析了電力技術的現代艦船雙極微電網和算法理論構建研究，給出了電力技術的現代艦船供電系統和輸電系統實踐應用，研究指出電力系統能有效服務現代艦船的高質量發展。

電力技術 艦船 電力系統

0 引言

自20世紀70年代以來，一些具有代表性的電力電子設備首先部署在地面網絡中，技術成熟后逐漸應用于船舶等海上交通工具。電氣工程系統一方面促進了船舶能量轉換方式和設備更新，另一方面從根本上彌補了原有船舶動力推進不足的問題，使艦船動力推進的優勢得到了進一步的提升。20世紀80年代中期，國外研制出第三代集成功率電力電子器件，后被稱為第二次電子革命的先驅，其集成了不同性能級別的驅動、保護、檢測和性能單元，更加的舒適可靠[1]。

1 綜合電力系統的發展狀況

通過電力技術，電網可以得到更有效的管理，電網的整體質量也可以得到改善。電力技術是利用電子元件來控制系統，從而減少系統中的故障數量，確保更有效的運行。發電是電力技術的主要應用，它可以用來控制和監測電力系統，從而減少系統中的故障，減少人工操作成本，降低事后維修的難度。

目前，綜合電力系統分為兩類：第一代-中壓交流系統和第二代-中壓直流系統。目前世界上廣泛使用的船用綜合電力系統可以看作是第一代綜合電力系統技術：以中壓交流系統為主，沒有儲能子系統，存在設備體積和重量大、系統效率低、功率連續性差等缺點；第二代綜合電力系統采用中壓直流系統。中壓直流技術消除了主驅動速度和母線頻率之間的相互影響，不需要大功率齒輪箱和變壓器，克服了系統頻率限制，提高了系統效率和功率密度，降低了設備噪音和振動水平，并大大減少了設備尺寸和重量。第二代IME系統極大地提高了艦艇的機動性和可靠性，并使高功率密度的武器和設備得以運送。誠然，電子部件的更新不可避免地導致設備的更換，全控設備的引入給變頻器帶來了新的活力，其中電力設備的檢測和控制系統也取得了顯著的研究成果[2]。

2 現代艦船的電力保障需求

綜合能源系統包括六個子系統——發電、輸電和配電、電力轉換和分配、推進、儲能和能源管理，并實現了船上能源的綜合利用，使船舶能源技術從工程化向電氣化過渡，實現了船舶能源的精確和高效管理，為獲得廣泛的可再生能源提供便利，有助于提高船舶的能源效率。船舶綜合能源系統是船舶發展的一個主要趨勢，被認為是繼人力、風力、蒸汽和核能之后的船舶能源的第三次革命。電力推進系統目前被應用于民用、近海和軍用船舶，最常用于需要高靈活性、特殊性能、大型輔助發動機和有限的主發動機安排的船舶。

與傳統的推進方式相比，全電力推進的優勢在于低噪音、艙室利用效率高、經濟性和可操作性。傳統船舶的推進系統是機械式的，即動力由燃氣輪機或柴油機產生，通過齒輪箱、離合器和傳動軸提供給艉軸推進器。機械傳動在車架上占用了大量的空間和重量，而且傳動過程復雜，在低功率水平下使用不符合成本效益。采用全電力推進技術，船舶利用燃氣輪機和柴油機發電，將部分電力儲存在能源庫中，并將其余的能量傳輸給船舶的推進系統（通過逆變器）、武器系統和生活區。全電力推進技術使船舶能夠科學地控制自己的能量。例如，在不使用高能武器和強大的雷達時，可以關閉一些燃氣輪機和柴油機以節省燃料，而在執行反潛戰任務時，可以關閉噪音較大的柴油機。

3 現代艦船電力技術的理論研究

3.1 電 力技術的現代艦船雙極微電網構建

隨著對直流電源需求的增加，交流微網電源的投資成本急劇上升，可靠性問題日益突出。艦船用電增加了電網的直流負荷，為提高電能利用率，越來越多電氣設備采取更為節能的接管變頻技術。為了提供這些直流負載，交流微網絡必須配備大量轉換器將交流轉換為直流，這大大增加了交流微網絡的投資成本，并影響了性能質量。

為了充分利用分布式發電的經濟效益并獲得高質量的網絡連接，創建了連接有機生產、交流/直流負載和儲能的微網絡。在網絡運行時，微芯片可以被視為“網絡中的網絡”，是一個具有連接器和游戲特性的可控單元；如果主網絡出現故障或計劃的孤島運行出現故障，微網絡必須退出網絡模式，并采取適當的控制措施使其在孤島上工作。目前，并網發電的微網絡主要是交流微網絡，它的高滲透性和復雜的動態行為會導致艦船的許多問題，如安全穩定運行、繼電保護、網絡連接控制、分布式發電機之間的協調控制以及性能質量分析和控制。

3.2 電力技術的現代艦船算法研究

1）增強算法

在艦船多波束測向系統的實際應用中，算法的選擇和應用會對多波束測向系統測向精度造成影響，通過增強算法研究的方法，可以讓因此類誤差所造成的測向精度影響得到規避，可以讓此類誤差得到減少，進而提升艦船多波束測向系統精度。如針對此主瓣干擾情況，就可以利用阻塞矩陣來預處理接收數據，在得知主瓣的干擾方向后，可以有效構造阻塞矩陣，如果主瓣干擾相對較強、信號相對較弱，那么可以在利用艦船多波束測向系統進行測向工作時，利用初次測向得出主瓣干擾的具體角度，通過這種算法可以讓主瓣干擾誤差得到減小，進而提升艦船多波束測向系統的測向精度。艦船多波束測向系統精度的提升對于艦船偵察設備偵察效率具有重要意義。當前雷達等無線電技術已經在多種武器裝備中得到廣泛應用，電子對抗在現代戰爭、信息化戰爭中占有重要地位。電子偵察中的無源測向技術可以對威脅進行告警，并對威脅方向予以標明，使輻射源信號得到分選與識別，讓干擾機干擾方向得到有效引導，對艦船的武器設備應用效果的提升具有重要意義。

2）修正誤差

在艦船多波束測向系統中，對于測向工作誤差來說，只能對其做到盡可能地控制，很難對此類誤差做到完全規避，也就是說，有效修正誤差是具有重要意義的。以固定誤差的修正為例，在設計天線與各個接收通道工作完成之后，可以測量系統中的幅頻特性，利用造表的方法在數據處理計算機中設置固定誤差校正表，在計算中對誤差進行及時修正，讓艦船多波束測向系統誤差得到有效減少，進而達到提升艦船多波束測向系統精度的目的。通道幅度特性不同引起誤差、系統噪聲存在誤差、波束軸角指向偏差引起誤差、波束寬度變化誤差、量化誤差與環境誤差是對艦船多波束測向系統測向精度造成影響的主要因素，通過精心設計系統、增強算法研究及有效修正誤差的方法可以有效提升艦船多波束測向系統精度，對誤差進行有效消除。

4 現代艦船電力技術的實踐應用

4.1 電力技術的現代艦船供電系統實踐應用

晶閘管逆變波形的產生是強大電力技術的成功應用。西德AEG公司于1967年開始研究，于1973年全球石油危機期間開始生產該產品，其主要優點是用重油和多余的發動機功率發電，可以節省能耗。西門子后來開發了該產品，目前，兩家公司已生產100多套產品，最高性能為2000千瓦。發電機的主開關電路接收晶閘管元器件，系統具有較高的可靠性[3]。

1）艦面供電電源。與傳統的供電方式相比，艦載直升機艦面供電電源減少了日常維護的成本和自身體積、重量，降低了音頻結構的噪音，具有高可靠性、高耐久性。我國水面艦艇和英國45型驅逐艦等外國水面艦艇成功地將其應用于艦對機水面服務系統[4]。其原理圖如圖1。

圖1 艦載直升機中頻電源主電路圖

2）船用不間斷電源。由于艦船的工作環境較為惡劣，常年在海上運行難免會遇到雷雨、暴風等天氣，惡劣天氣會增加艦船發電、供電、輸電設備的故障率，因此，船用不間斷電源極其重要。當艦船正常供電系統因惡劣天氣或其他故障無法正常供電時，船用不間斷電源通過逆變零切換轉換向負載繼續供應船用交流電，負載維持正常工作并保護負載軟、硬件不受損壞，由此體現船用不間斷電源是艦船電力系統重要組成部分。

4.2 電力技術的現代艦船輸電系統實踐應用

1）輸電線路

SVC靜止無功補償裝置的使用可以追溯到上世紀70年代，主要用于輸電線路補償。對于高性能的輸電網絡，SVC靜止無功補償裝置的主要任務是調節電壓，提高能源系統的穩定性。高壓直流輸電在輸送相同功率時，有功損耗??；能限制系統的短路電流；調節速度快，運行更加可靠。中國大多主要使用的發動機單元是靜態混合系統。在新能源紫銅發電環節使用電子技術代替生成器，可以有效地提高靜態興奮的自我調節能力，并且可以顯著提高性能系統效率。實際發電中通過控制水源頭壓力以及固定時間內的實際水流量對整體發電效率產生直接影響。

2）變頻輸電

（1）多電平變頻器。與傳統電壓變頻器相比，美國SPCO公司開發的新型多電平逆變器，使用MTO無刷直流電機在幾個中間電平之間切換參考電壓，然后通過帶諧振開關的IGBT開關將其作為PWM電壓源輸出，目前已得到廣泛應用。

（2）矩陣變頻器。9個開關器件組成3x3矩陣的電路被稱為矩陣式變頻電路或矩陣變換器。每個開關都是矩陣中的一個元素，采用雙向全控型開關，給出了應用較多的一種開關單元。矩陣變頻器不通過中間直流環節而直接實現變頻，效率較高。

5 結語

目前，幾乎所有國家都用全控設備取代了半控設備，用高頻脈沖波長調制取代了傳統的三相六沖程異常值。由于電力技術在現代艦船輸電系統中的應用時間較短，需不斷改進和研究其運行情況，以確?？勺冐撦d發動機具體運行中存在的和潛在的問題，從而實施更有效的控制。根據能量變化實現實際發電，發電機組中的模塊不能很好的協同工作，存在無功能量損失等問題。適當調節變負荷發動機的運行速度，有助于發電機組的電能生產工作，提高能源系統的整體運行質量。

[1] 林廣宏, 李赫. 基于全壽命保障的艦船交互式電子技術手冊應用技術研究[J]. 船舶, 2021（01）: 28-34.

[2] 楊英楠, 莊新偉, 韓金良. 艦船電子設備節點模塊級硬件故障診斷方法研究[J]. 艦船電子工程, 2021（03）: 150-152, 161.

[3] 吳昊. 艦船電子設備可靠性增長方法研究[J]. 艦船電子工程, 2021（05）: 130-134.

[4] 劉振沖, 嚴傳續. 艦船電力系統智能化發展趨勢探究[J]. 船舶, 2019（01）: 136-140.

Research and practice of modern ship electric power technology

Shi Xuanhua

(Yangzhou Branch of Jiangsu Union Technical Institute, Yangzhou 225003, Jiangsu, China)

TP18

A

1003-4862(2022)09-0078-03

2022-03-02

時宣華（1973- ），男，本科，實驗師，研究方向：電子電工技術。E-mail: 1765197304@163.com