舰船电力系统国内外最新进展与发展趋势

唐剑飞 桂永胜

（中国舰船研究设计中心， 武汉 430064）

1 引言

现代舰船在向大型化、全电力推进化发展的同时，舰船电力系统的地位也从辅助系统变成主动力系统。其系统容量呈几何上升趋势，而且网络拓扑结构也更加复杂。为了适应这种发展趋势，一些新技术新思路随之出现。

2 舰船电能变换装置向高功率密度、模块化和高性能方向发展

舰船综合电力系统中大功率电能变换装置需求的电力半导体器件，目前主要以有绝缘栅双极性晶体管（IGBT）和集成门极换向晶闸管（IGCT）为主。高压IGBT和IGCT器件的电压、电流定额已分别达到6500 V/600 A和6000 V/6000 A。在10 MW以下功率等级，IGBT因其驱动简单、开关特性好而具有更强的竞争力[1]。

以碳化硅为代表的宽禁带半导体材料可以显著降低器件损耗，大大提高器件耐压和结温，满足综合电力系统对功率密度的需求，因而发展前景看好。目前基于碳化硅材料的二极管器件已接近实用水平，国外研究表明，由于其反向恢复电流大大降低，与基于常规材料的可控器件搭配使用可以显著提高装置的功率密度。

功率器件的运用技术是提升电力变换装置功率密度和可靠性的重要手段。美国弗吉尼亚理工大学的电力电子系统研究中心（CPES）在美国海军的支持下，在中小功率电力电子装置与系统的集成化方面做了大量工作。在国内，浙江大学和西安交通大学在小功率变换器拓扑的标准化和集成的理论和方法等方面也进行了一些开创性的研究工作。但是，在基于现有商用器件的二次集成以及器件的极限运用等方面，还有待继续深入的研究。

舰艇综合电力系统所需要的电能变换装置尽管种类繁多，但大多已有成熟的原理与技术作为支撑。在装置与系统的构建方面，最为革命性的变化趋势是进一步向 PEBB（电力电子集成模块Power Electronic Building Block）概念靠拢。PEBB概念使得具有开放结构、可热插拔、可扩展的模块化电力电子系统成为可能。由于其集成化的特点，对功率密度的提高也很有帮助。目前，在美国海军研究局（ONR）资助下，直流区域配电技术已经在舰船上得到应用。DRS技术公司为美国海军DDG 1000舰提供的“综合持续作战电源”（IFTP）系统代表了直流区域配电技术的最新进展。该系统采用可热插拔的模块化电力电子装置，具有良好的可扩展性，并且在负载变化、局部故障或遭遇战损时可以实现配电网络的重构，从而实现极强的持续供电能力。

控制技术方面，基于经典控制理论的多环路数字 PI/PID控制器已在电力电子装置与系统中得到成熟应用，其性能还有改进的空间，尤其是将状态空间概念用于指导这些控制算法的设计时，可大幅提高其极限能力。基于现代控制理论（状态空间、非线性控制）与自适应数字信号处理的新型数字控制方法可以处理更复杂的电能变换控制过程，大扰动下的稳定性、动态特性更好，可以对更多的系统变量实施更全面的控制，同时不增加、甚至减少传感器的数量，是新一代高性能电能变换控制技术的发展方向。

鉴于PEBB已成为未来舰船综合电力系统中电力电子装置与系统的标准构建模式，因此这些装置与系统的控制软件设计上也要充分考虑控制任务垂直分解和模块化、标准化问题。目前，IEEE电力电子学会已设立专门的专家组研究基于PEBB的电力电子系统的控制与保护框架结构，相信在不久的将来会提出这方面的一些国际标准。

基于PEBB思想构建的电力电子系统必然存在硬件上的分层结构，因此不同层面的控制系统之间如何实现高速高可靠的通讯也成为一个至关重要的问题。由于通用的通讯总线技术并不能很好满足该需要，一些国外研究机构，比如弗吉尼亚理工大学，已在研究专门针对基于PEBB的电力电子系统的光纤环形网络及其PESNet协议。

3 直流区域供电系统的稳定性与可靠性是综合电力系统研究的重点

直流区域配电技术已成为舰船综合电力系统的发展方向。随着高能武器和先进探测设备的飞速发展，舰船用电设备的日益增加对舰船电力系统的稳定性、可靠性造成越来越严重的影响，引起了国内外研究机构的高度关注[2]。

直流区域配电技术已经在国外舰船上得到应用。DRS技术公司为美国海军DDG 1000舰提供的“综合持续作战电源”（IFTP）系统代表了直流区域配电技术的最新进展。该系统采用可热插拔的模块化电力电子装置，具有良好的可扩展性，并且在负载变化、局部故障或遭遇战损时可以实现配电网络的重构，从而实现极强的持续供电能力。

断路器配合、新型固态限流装置等方面是解决电力系统可靠性的有效途径。早在1974年，美国电力研究院（EPRI, Electric Power Research Institute）刚刚成立不久，故障限流技术就被列为该组织重点优先发展的研究课题。目前，日本也成立了“故障电流抑制用限流技术调查专门委员会”。欧洲各国在故障限流方面也做了很多的工作。

我国开展新型短路限流技术的研究工作始于上世纪90年代初，虽比国外发达国家略晚，但也取得了一系列的科研成果：如谐振短路限流技术、超导限流技术成果、新型固态限流技术和快速斥力开关技术等[3]。

4 舰船用交流变频调速系统及其控制技术快速发展

随着电力电子技术、交流电机调速控制技术以及电机设计制造技术的突破和提高，舰船用交流变频调速系统得到了迅速发展和广泛应用。特别是近期随着变频电源的小型轻量化和噪声、电磁兼容问题的逐步解决，潜艇舱室辅机传动由直流传动向交流传动的过渡已经开始大面积展开。鉴于交流电机在成本、可靠性、功率密度等方面的突出优势，在可预见的将来，交流传动必然成为潜艇舱室辅机的主流传动模式[4]。

在舰船电力推进系统中，中压大功率推进变频器是关键技术之一。到目前为止，中压变频器还没有像低压变频器那样具有近乎统一的拓扑结构。其原因，一是中压大电流的电力电子器件仍然难以满足要求，实际应用中需要采用器件或低功率单元的串并联技术；二是许多在低压通用变频器中可以接受或很容易解决的问题，却在中压变频器中成为非常突出且难以解决的问题。针对以上问题，国外大公司各有高招，在利用现有功率器件的基础上提出了多种拓扑结构。综合各公司的方法，推进变频器的拓扑电路类型可总结归纳为多管串联的两电平变换电路，多电平变换电路，多相/多重化几大类。

Alstom公司采用严格控制IGBT温度、控制开关的同步以及设计均压电路等措施，第一个实现了多管串联技术，并将该技术用于25 MW的变频器中。该公司为美国海军全电力推进系统研制的19 MW变频器就应用了8个IGBT的串联技术。ABB公司生产了第一台基于PEBB的变频调速装置ACS6000。后者采用IGCT三电平结构，输出电压等级3-3.3 kV，单台输出功率3-9 MW，美国海岸警卫队的破冰船的 2-3.5 MW 主推进系统装备了ABB的Azipod（吊舱）推进系统，采用了ACS6000调速装置。

多相系统是国外电力推进发展的一个重要特点，无论是美国的IPS计划、英国的IFEP计划，还是德国、荷兰、俄罗斯的电力推进设计方案都采用多相变频器驱动多相电机的系统。多相化变频器的拓扑结构主要有：多重三相变频器结构和多相H桥结构两大类。25 MW超导同步电动机船舶推进系统就是采用多重三相变频器的方式，Alstom公司为美国海军研制的19 MW的PWM变频器，也是采用多相H桥结构。该变频器是有史以来最大的PWM调速变频器，用于15相先进感应电动机的推进系统中。

对上兆瓦级的电力推进来说，采用多台逆变器并联可使开关器件的电流应力大大减小，同时也大大提高系统的灵活性、可靠性和可维护性。目前，我国引进 ABB公司的吊舱推进系统就采用了逆变器并联结构。

国内对于大功率交流调速除了在大型轧钢机主传动和矿井提升机方面进行了一些研究外，在船舶电力推进领域的研究才刚刚起步。近年来国内的各大军事研究机构和科研院所开始致力于这方面的研究。国内对于矩阵变换器的研究也处于起步阶段，距离大功率舰船推进实际应用的目标还有一定距离。

5 基于多智能体的舰船电力系统监控与能量管理成为研究热点

舰船能量管理可对舰船电能进行集中统一调度、管理、控制，是舰船综合电力系统的核心控制部分之一。随着舰船电力系统容量成几十倍的增长和电网结构的复杂化、负载多样化，对全船电能进行集中管理的要求更高，能量管理需要完成的功能也更趋复杂[5]。

上世纪90年代以来，对于多智能体系统的研究已经成为人工智能研究的热点。国际上关于多智能体系统的研究虽然时间不长，但发展相当迅速，其应用已经扩展到工业、商业、娱乐、医疗等相当广泛的各个领域。

将多智能体应用于舰船能量管理的研究国外尚无报道，但国外已在军事领域采用了多智能体系统，并取得了一定的成果。他们将基于智能体的建模与仿真（ABMS）技术应用于作战仿真，从底层入手，将作战基本单元抽象为智能体，构建多智能体系统，以二维或三维细胞自动机为工具，通过智能体的相互作用来研究作战系统的整体突现行为。第一个将作战视为复杂系统而开发的多智能体系统是ISAAC。它由美国海军分析中心（CAN）从事数学和计算机建模工作的 Andy Ilachinski博士于 1997年研制成功。它的出现在国际上引起了较大反响并带动类似系统的开发。澳大利亚军事学院开发的在沿海环境下基于智能体的概念研究系统CRO-CADILE，澳大利亚维多利亚大学和新南维尔士大学合作开发的“通过生命仿真得到的可所见的智能体战场行为”系统RABBLE，美国军方委托圣达菲Bios Group开发的“自适应搜索管理系统”ACME，美国海军研究生院开发的“基于智能体的非战争小规模作战军事行动的仿真”系统，美国海军战场研发司令部NWDC与Argonne国家实验室的复杂适应系统仿真中心合作，共同开发的TSUNAMI系统等，都是多智能体在军事领域的应用。

多智能体在国内的研究开始时间相对较晚，目前大部分还处于理论研究阶段，与国外有比较大的差距，在舰船综合电力能量管理中的体系结构及应用研究更是空白。但是，由于多智能体在解决复杂大系统问题上有其突出的优势，其应用领域正在不断扩展。据相关文献显示，国内已相继开展了一些将多智能体应用于陆地电力系统的研究，并在电压控制、继电保护等方面取得了一定的进展。

多智能体技术在继电保护领域得到了应用，把一个微机保护装置看成由多个智能体组织而成的智能保护，通过对各种保护原理的动作结果进行综合，以提高保护的可靠性；根据故障类型和保护背侧系统阻抗值来切换保护定值使保护定值最佳；利用对采集数据的谐波计算提高故障区域的判断准确性，并给出了智能保护的实现方案。

虽然多智能体尚未应用于舰船能量管理，但国内对舰船能量管理的理论研究已经开展，这些研究有助于我们进一步了解该系统的特点，为本课题的研究提供理论依据。

在舰船能量管理中多智能体间网络通讯的高精度时间同步和流量控制的研究，国内也尚未开展，但针对网络控制，国内外均已有相关研究。

总的来说，国内对多智能体的研究已经取得了一定进展，并开始应用到军事领域。但将多智能体应用于舰船能量管理的研究还属空白，对舰船能量管理多智能体体系结构及应用研究，和舰船能量管理信息网络高精度时间同步与流量控制研究有待开展。

6 结束语

本文介绍的几种技术将推动舰船综合电力系统的发展，在这个系统中将广泛采用模块化、系列化、标准化产品，并对舰船的能源进行综合管理，从而使整个系统的可靠性更高、生命力更强。

[1]吕飞, 汪光森. 大功率电能变换装置软件锁相环的应用. 船电技术，2008(6).

[2]谢桢, 叶志浩. 基于直流区域配电的舰船综合电力系统智能保护方式研究. 船电技术,2009(1).

[3]陈波, 付立军. 基于直流区域配电系统的网状网络.船电技术,2007(4).

[4]李新星, 赵国文. 交流变频调速技术在船舶电力推进系统中的应用. 广东造船，2007(2).

[5]朱亮, 黄怡. 多智能体开发系统SWARM 在电力系统中的应用. 高电压技术，2008(3).