舰船综合电力系统关键技术及国内发展现状浅析

舰船综合电力系统关键技术及国内发展现状浅析

杜承东

（驻上海沪东造船（集团）有限公司军代表室）

摘要：本文先介绍了舰船电力系统的组成、功能及应用优势，然后重点研究总结了舰船综合电力系统的关键技术，并调研分析了国内关键技术方面的研究现状及阶段性成果，对舰船综合电力系统的发展方、面临机遇和挑战进行了探讨和研究。

关键词：舰船综合电力系统；关键技术；国内发展

0引言

舰船综合电力系统始于20世纪90年代中期，它融合了舰船电力和动力两大系统，通过电力网络为推进系统、高能武器系统、通信、导航与探测系统和日用设备等提供电能，实现全舰能源统一供应、分配、使用和管理，是全电化舰船的标志。20世纪90年代末至本世纪初，美英等国陆续完成陆上系统演示验证并开始进行工程应用。舰船综合电力推进系统可划分为第一、二代。电制方面，一代技术是基于中压交流系统，二代技术是基于中压直流系统；推进系统发面，一代技术采用基于IGBT/IGCT的推进变频器驱动先进感应电机，二代技术采用基于高度集成组件或碳化硅的推进变频器驱动永磁或高温超导电机；储能系统方面，一代技术没有应用储能，二代技术采用超级电容、集成式惯性储能或复合储能；能量管理系统方面，一代技术采用基本型，二代技术采用智能型【1】。我国舰船综合电力系统采用的就是第二代综合电力系统——中压直流综合电力系统，近年来理论科研和装备研制方面都取得了跨时代的进步，本文对国内舰船综合电力系统发展近况进行分析总结。

1舰船综合电力系统简介

1.1组成及功能

舰船综合电力推进系统包含电能产生、分配、管理、功率变换、电力推进系统和舰载用电设备等环节，各部分组成见图1【2】：

图1舰船综合电力系统结构图

由发电机产生的电力通过电缆送到一个配电装置，该配电装置将电力分为两个配电系统：一个用于舰船推进，一个用于其它用电负荷。配电装置可以时刻改变两个系统间的功率分配以满足舰船变化的负荷需求。舰船推进系统用电通过电动机驱动装置，能够转换为推进电动机所需的电压和频率，从而使得推进电动机以合适的转速带动推进器，推进舰船在水中航行。图1概括了综合电力系统的主要组成部分及功能。

1.2综合电力系统应用优势

综合电力推进系统取消了传统动力系统的减速齿轮箱和长轴系，以电气连接取而代之，也不再要求将原动机和螺旋桨布置在同一轴线上；整合并合理分配全船各分系统的能量，满足在极短的时间内提供高能武器发射所需高品质、大容量的电能，适应未来战场的需要，具有多方面应用优势，是传统舰船无法比拟的。

a.控制灵活，舰船机动性能强

舰船操纵方面，采用综合电力推进易于实现由驾驶室直接进行舰船的操纵，灵活可靠；推进电机控制方面，其转速易于调节，在正反转各种转速下都能提供恒定的转矩，动态响应快，易于得到不同工况下的最佳工作特性；设备选择方面，可以选择体积小、重量轻的中高速发电机组，增加设备选择灵活性，同时能提高舰船生命力。

b.降低舰船噪声和振动，满足舰船隐蔽性和舒适性要求

发动机是船舶的主要振动源，采用电力推进后，发动机安装在弹性底座上，通过电缆带动发电机，以恒定转速运行，具有良好的调速特性，它既与轴系上的电力推进系统没有任何机械联系，与船体也无直接联结，能够大大减少振动和噪声，有利于规避敌方雷达声纳的搜素，提高舰艇生存能力，这一点对于要求隐蔽性的军用舰船显得尤为重要，也能够提高军舰对舒适性的要求。

2综合电力推进系统发展的关键技术问题

从分系统和系统集成角度来看，舰船综合电力推进系统存在六大关键技术问题：

a.高功率密度发电模块化技术

未来舰船发电分系统以大容量和高功率密度为主要特点，为满足未来的工程应用要求，主要需要解决中高压多相交流发电机整流集成发电技术、交直流电力集成多绕组发电机发电技术以及高功率密度和高品质舰船集成发电技术【3】。

b.高功率密度电动机及其变频调速技术

C.智能化能量管理技术

未来舰船需要在大功率探测装置、高能武器（如电磁炮、激光武器）、其它大脉冲能源装置、重要设备（如舰载机电磁弹射装置）以及推进装置之间实现电能的快速切换，综合电力推进系统需要有足够的控制能力以保持系统的稳定。

d.大容量电能的静止变换技术

实现大容量电能静止变换技术，关键是开发配套的新型电力电子器件。美国海军研究局使用氢氧化物、集成电路、电力半导体、电力电子技术对模块化电力电子标准组件进行设计和制造；采用宽带隙半导体材料（如碳化硅）代替硅，以提高电力电子标准组件的运行温度和电压。此外应特别加强从连续电能到脉冲电能静止变换器的开发与研究，并加强相应储能技术的研究。

e.独立电力系统的电磁兼容技术

舰船电力设备分布密集，电力系统容量有限，系统内的电磁兼容问题十分突出，直接关系到系统和用电设备的可靠安全运行，这也是决定综合电力推进系统成败的关键。因此需要进行的关键技术研究包括：电力集成化模块中的电磁干扰、舰船直流电力系统电磁兼容、舰船交流电力系统电磁兼容、舰船壳体及电缆屏蔽网形成的地电网对电力系统电磁兼容性能的影响、整个综合电力推进系统电磁兼容性等。

f.电力集成技术

综合电力推进系统的设计涉及到多个学科领域，是多种技术的综合应用，舰船的作战需求也对系统提供电能的要求不断提高，高品质和高功率密度是最关键的性能，因此需要对构成系统的各个模块及模块之间的集成技术进行研究，以达到系统的最优化设计。

3国内技术发展现状与应用前景

3.1国内主要电力推进研究单位及研究成果

我国在综合电力推进系统的研发、制造和应用方面起步较晚，近年来一些高校和科研院所在研发设计方面取得了突破。近年来国家在舰船电力推进领域实施了一系列科研项目，国内各科研院所及高校如中船重工712所、海军工程大学等均在电力推进相关领域进行了技术攻关。其中，海军工程大学马伟明院士团队首创舰船中压直流综合电力系统，实现了我国舰船动力从落后到领先国外的跨越；中船重工712所先后成功研制国内第一套具有自主知识产权的低压兆瓦级电力推进系统及核心设备、国内第一套中压3MW级电力推进系统及核心设备以及10MW船用电力推进系统及关键设备。表2中调研分析了国内关键技术方面的研究现状及阶段性成果。

表2我国在电力推进领域的技术发展进程

3.2应用前景及面临挑战

a.中压直流电网结构的应用

与中压交流系统相比，中压直流电网结构具有下列优势：

1）消除了原动机转速和母线频率之间的相互影响。原动机可以和发电机直接连接，无需使用减速齿轮或增速齿轮，发电机的转速可以突破3000r/min的限制，提高了系统的效率和功率密度，降低了设备的噪声振动水平；

2）取消了大容量的推进变压器和配电变压器，其功率变换设备能在更高的频率下运行，减少了变换设备的变压器体积和重量；

3）没有电流的集肤效应，也不用传输无功功率，因而减轻了电缆的重量；

4）对原动机的调速性能要求低，调速性能、容量、频率差异大的不同类型发电机组可以并联稳定运行。

b.机遇及挑战

综合电力系统结构和控制复杂，其综合控制技术是我国科技攻关、产业创新的重点方向。2005年以来，在国家863计划、国家海工装备研发计划、交通部和上海市11项重大科研项目资助下，上海海事大学、中船重工704所等单位投资2.9亿元建设了国际先进的10MW级大功率电力推进试验平台和电站中试平台，在国内率先研发出电力推进船舶综合控制系统及成套产品。海军工程大学马伟明院士团队首创舰船中压直流综合电力系统，实现了我国舰船动力从落后到领先国外的跨越。同时，中压直流综合电力系统也面临了一些挑战，主要有：

1）直流系统短路电流不存在自然过零点，断路器分断困难。中压直流断路器的性能指标有待进一步提高；

2）中压直流供电系统的静态稳定性问题突出。推进负载具有负增量阻抗特性，容易引起系统的电压失稳。电力电子变流设备级联时，如果输入输出阻抗不匹配，会引起系统失稳或者系统动态响应性能变差【2】。

中压直流电网结构是二代舰船综合电力系统的典型特征，具有更高的功率密度和运行灵活性，代表着舰船综合电力系统的发展方向，目前相关关键技术的研究正在有序进行。

4结语

我国海军战略正在逐渐向近海防御与远海护卫型结合转变，综合电力系统是未来大型水面舰艇发展的必然趋势。随着新型感应推进电机和新型变频器等核心技术的突破，电力推进子系统的理论分析、样机制造、系统集成以及功能试验考核等关键核心技术的完成，我国全电化舰船技术能够赶上世界发达国家的研制水平，未来舰船用综合电力系统将在海军舰艇领域迎来广阔的发展空间。希望本文能为业内舰船综合电力系统相关工程应用人员提供一定的参考借鉴。

参考文献：

[1]马伟明.舰船电气化与信息化复合发展之思考［J］.海军工程大学学报，2010，22（5）；

[2]付立军，刘鲁锋，王刚，等.我国舰船中压直流综合电力系统研究进展［J］.中国舰船研究，2016，11（1）：72-79.

[3]程时杰，文劲宇，孙海顺.储能技术及其在现代电力系统中的应用［J］.电气应用，2005，24（4）：1-8，19.

作者简介：

杜承东（1977），男，汉，四川，博士，工程师，驻上海沪东造船（集团）有限公司军代表室，船舶电气，200129。