舰船中频供电系统发展现状与运行特性分析

石磊 单潮龙 刘桂峰

（1. 海军工程大学电气与信息工程学院，武汉，430033; 2. 海军工程大学训练部教务处，武汉，430033

1 引言

舰船中频供电系统是指工作频率在400 Hz，为舰船各种中频负载提供电能的电源系统，包括各种电源设备、控制及保护装置、电缆等。所谓中频是相对于工频（50 Hz）而言的，舰船400 Hz中频电源主要给需要高品质电能的重要系统或负载，如导航系统、指控系统、导弹系统、舰载机系统、舰炮系统、雷达、声纳等提供电能。一方面，因为导弹、雷达等部件安装在主甲板以上甚至更高，重量和尺寸问题显得非常重要，而400 Hz的变压器、电动机、自整角机和滤波器等具有比 50 Hz工频部件更轻的重量和更小的体积（均不到工频部件的50%）。另一方面，上述设备对可靠性的要求较高，需要有较稳定的电源。研究证实，美海军导弹舰上标准工频主网正常范围内的电压和频率波动将会造成制导计算机工作不正常，干扰电平将导致导弹制导系统工作不可靠，雷达、声纳等系统或设备也存在同样的问题，因此上述敏感设备需要专门的频率和电压调节电源，400 Hz电源系统通常作为首选[1,2]。

目前，舰船上的一次电力绝大部分是由汽轮发电机组、燃气轮机发电机组或柴油发电机组提供，其供电频率为50 Hz（国内）或60 Hz（欧美）。一般通过电动发电机组或者静止变频器从50 Hz／60 Hz一次主网中获取中频400 Hz的二次电力，相应地称为旋转机组式中频电源系统或静止式中频电源系统。多台电动发电机组或多套静止式变频器可以分布式独立运行，也可以集中并网运行。因此，从供电方式上分，中频供电系统又可以分为分布式独立供电系统和集中式供电系统两种。

随着现代科技的飞速发展，我海军舰船信息化、智能化程度的不断提高，配置在新型舰船上的各种先进、复杂的舰载武器、控制、导航和电子通信等设备也越来越多，相应的中频负载的数量也是大大增加，尤其在导弹舰和具备飞机起降能力的舰船上。中频电源的容量的不断增加，对中频电源系统的供电连续性、供电品质等方面的要求也越来越高。有针对性的开展中频供电系统相关研究已成为确保舰船武器、导航等系统有效工作，确保舰船技战术水平发挥的重要课题。

2 舰船中频电源的研究

2.1 旋转机组式中频电源

旋转机组中频电源根据原动机的不同，又可以分为直流电动型、异步电动型、同步电动型和双馈电动型等几种。

（1）直流电动型

直流电动机启动性能良好、能在宽广范围内平滑而经济地调速，往往成为变频机组的首选。上世纪90年代，上海电科所与兰州电机有限责任公司共同研制的 JZZP-5.5-412型变频机组就是采用这种方案[3-5]。但是，在普遍一次电力为交流的舰船上，要想获得可变幅值的直流电，必须增加中间变换环节。并且直流电机存在换向问题，在舰艇上维护困难、保养费用较高，这些都制约了该型机组在舰船上的进一步发展[6]。

（2）异步电动型

异步电动机结构简单、运行可靠、坚固耐用、效率高、成本低[7]，所以异步电动型中频机组是现役舰艇上应用最为广泛的一种变流手段。为了节省空间和材料，往往将异步电动机和同步发电机制造成共用机壳和转轴的一体化结构。

上海 704所针对舰用中频变频机组进行了详细的理论分析，推导出了单机运行与工频供电系统、调速调压系统的内在联系，证明了中频机组并联运行时有功功率和无功功率的静态分配关系[8]。沪东船厂的孙厚墀参与维修了我国某型出口舰船的集中式中频供电系统，分析了中频电网设计的难点；指出异步电动型中频机组并联运行时，要从统一的工频电网取电才能完成自整步，并推荐采用粗同步并车方式以避免空载时等待时间过长[9]。Francis V. Kern在美国AD报告中指出，对于异步电动型中频机组可以采用转子回路串电阻的方式调速，完全可以满足频率调整和并联运行的要求[10]。

异步电动型中频机组的缺点是需从电网吸收滞后的无功功率；若采用变频调速，不仅费用高，而且还存在电网污染和电磁兼容等问题；若采用转子回路串电阻，调速范围有限，机组间不能实现负载功率转移，机组外特性也会变软。

（3）同步电动型

同步电动型，同步变频机组的输入输出频率变比恒定，不需要额外的控制设备，避免了主回路的大功率电力电子变换。系统结构简单、实用，不存在电磁污染。若能解决并联运行的相关问题，将成为舰船上一种较理想的固定变比的中频变频电源[10]。由于同步电动机稳定运行后一直保持同步转速，不能像传统机组一样调频调载。若机组启动后相位差较大，甚至连并联都不能完成。那么在非调速条件下，如何实现同步电动中频机组的并联，以及有功功率、无功功率的均衡与分配就成为亟待解决的问题。

文献[11] [12]指出，两台同步电动中频发电机组系统中，有功功率和无功功率间存在着强烈的耦合，并且同步发电机的空载电势和同步电抗是影响功率分配的重要因素。文献中对同步电动机采用手动给定常数励磁电流；同步发电机则采用电压偏差加定子电流反馈的复合型自动电压调节器。这样，为了使待并机组与在网机组的相位一致，可以在待并机组启动，带负载运行后，通过调节同步电动机的励磁电压来调整发电机输出电压的相位，从而完成并联操作。机组并联运行后，同样可以通过调节电动机的励磁给定，实现功率分配和均衡，如图1所示。该方法通过采用特殊的电压调节器，很好地解决了同步电动型中频发电机组的并联问题。

图1 机组功率随同步电动机励磁电流的变化规律（发电机采用复合调节器后）

（4）双馈电动型

双馈电动型，由于采用了特殊结构设计，双馈感应电动机（DFIM）是感应电机的双馈形式，稳定运行时又具有同步电机的优良特性，通过转子侧较低功率的变频设备就可以实现转速控制。清华大学对双馈电动型中频发电机组的研究比较深入[13，14]。如图 2所示，电网电压 280 V。DFIM为6极7.5 kW，额定转速1200 r/min（同步转速 1000 r/min）。同轴布置的是同步中频发电机，提供400 Hz电能。与DFIM转子绕组（控制绕组）连接的就是变频设备。为降低系统损耗和控制难度，变频设备采用三相桥式整流加PWM逆变形式。

图2 双馈电动型中频发电机组系统结构

DFIM机组的工作过程分为三个阶段：电机启动、同步电网和转速设定。电机启动阶段，KM1断开、KM2闭合，定子绕组（功率绕组）被短路，通过变频设备的恒V/f控制启动电机到达某个目标转速（此处为 1300 r/min）。此时机组不带载荷。到达目标转速后，马上封掉转子侧的PWM脉冲，定子侧感应电流开始减小，到达容许范围后断开KM2，KM1进入准备合闸状态，同步电网阶段开始。KM2断开后，机组完全依靠惯性旋转，此时变频设备通过调节转子绕组的电压（幅值、相角和频率）使定子端电压跟踪电网电压，进入容许范围后控制KM1合闸。由于该过程极其短暂，转子转速只有略微下降。KM1合闸后，变频设备采用磁场定向矢量控制[15]，将电机带入额定转速。此时发电机输出 400 Hz电能，开始带载，过程结束。

从上述过程我们可以看到，该方案的控制策略较复杂，并且中间存在不可控过程，虽然转子侧的变频装置功率等级小、造价低，但仍然存在选用电力电子器件所带来的问题。

日本的K.Hu和R.Yokoyama等人研究了双馈电机在抽水蓄能电站上的应用，指出双馈-同步型发电机组的动态性能受到同步发电机的制约，而双馈-双馈型发电机组的动态性能有较大提升[16-18]。但是，文献对该方案只进行了数值仿真，没有样机验证。

图3 DFIM机组的转速曲线

图4 DFIM定子电压与电网电压同步过程

2.2 静止变频式中频电源

静止型中频电源在近 30年来的研究文献较多，主要集中在开关器件的控制策略、功能保护、谐波抑制和并联均流等问题[19]。与旋转机组相比，具有噪声低、效率高、重量体积小等优点，但由于电磁兼容和大功率开关管的限制，目前在舰艇中频供电系统中所占比重仍然较低，只在舰载机系统和潜艇上有所应用。

随着电力电子、信号处理和自动控制技术的发展，静止型静变电源愈加显示出优势，也是舰艇中频电源未来的发展趋势[20]。

3 舰船中频供电系统的研究

3.1 我国水面舰船的中频供电系统

国内舰艇中频负载根据不同负载的供电需求，按照供电电压及相数划分，国内舰艇中频电源主要可分为四类：三相230 V、三相115 V、单相230 V、单相115 V 。除此之外，还有个别负载采用特殊电压等级。上述中频电源按照电源性质又可以分为电动发电机组型和静止变频器型，随着近年来电力电子变流技术的发展，我海军舰艇静止变频器型中频电源的配置比例呈不断提高的势头。

目前，我国现役水面舰艇主要采用分散、独立的变频装置（电动机组或静止式变频器）向电子和武备系统提供中频电源。潜艇的中频负载总功率较小，主要采用集中式的中频供电系统向全艇负载供电，并且为了保证供电的连续性，设置了备用机组。而对电源要求较高的中频负载，为了提高其应对干扰的能力，通常由多套机组同时独立供电。

3.2 美水面舰船的中频供电系统

美海军护卫舰、驱逐舰、巡洋舰等水面战斗舰艇中频供电系统的结构基本一致，其示意图大致如图5所示（点划线区域）。

图5 美海军水面舰艇中频供电方式示意图

由图可见，美海军水面舰艇日用中频负载主要采用集中式供电方式，均由50 Hz主网经电动变流机组或静止变频器变换为 400 Hz中频电源（图示中仅以电动变流机组为例，70年代左右建造服役的早期舰艇通常采用电动变流机组的形式，新型舰艇大多采用静止式变频器），为大部分供电需求为400 Hz、450 V的日用中频负载供电；400 Hz、120 V日用中频负载供电电源由400Hz、450 V中频电源经中频变压器得到。只有少部分功率较大、对干扰极度敏感的导弹负载及舰内通讯负载等，仍然采用独立机组供电方式。并且，美军的中频供电单元采用了标准化设计，电制比较统一，使用维护方便，可靠性较高。

3.3 下一代舰船综合电力系统的中频规划

作为未来舰船动力的发展方向，舰船综合电力系统的优势众所周知。在全面推进综合电力系统工程化的前提下，2007年，美海军还制订了下一代综合电力系统发展规划（Next Generation Integrated Power System--NGIPS）。其中，为提高全系统功率密度，美海军确定中频电制作为下一代综合电力系统技术方案之一，该方案在60 Hz至400 Hz之间的一个固定频率下进行发电。美海军论证的该方案的优点如下：

（1）磁体比60 Hz发电机使用的更小更轻。变压器磁芯的横截面积与工作频率约成反比。因此，频率为400 Hz的变压器，在相同铁芯材料情况下，其铁芯重量（不包括绕组）预期为频率为60 Hz变压器铁芯重量的1/2。

（2）减少甚至取消了对谐波滤波器的使用。因为采用三相推进电动机连接多相变压器，这样将充分减少注入到电源母线上的电流谐波，甚至能将电流谐波减少到无需使用谐波滤波器的谐波水平。如果必须使用滤波器，那么高频工作所需的滤波器比60 Hz工作频率所需使用的滤波器小得多。

（3）子系统之间的电流隔离。高频交流配电系统使用功率密度变压器将所有负载与高频交流电源母线进行隔离。变压器能将电源变换器的共模电流降至最低，并且能够限制接地故障的影响和瞬态过电压。此外，变压器还将限制电流至电源变换器的可用短路电流。

（4）比60 Hz发电机组的声学性能更优。在高于60 Hz的频率下运行时，在电力系统基波下振动的设备（如变压器），其在海水中的噪声吸收能力更佳。在400 Hz的发电机组中，其噪声吸收能力约为60 Hz发电机组的6.5倍，从而降低了舰船的探测距离。此外，高频率下运行的设备，其隔音效果更好也更易操作。

4 结论

舰船中频负载通常对供电电源的品质要求较高，对供电电源电压等级、相数的要求不尽一致，所以，我国现役水面舰船采用了分布式、独立中频电源供电方式。这种供电方式的主要缺点在于供电设备的数量多、种类杂，导致整个中频系统重量、体积过大，已经完全抵消了采用 400 Hz电制所带来的重量、体积上的优势，违背了采用中频电制的初衷。而且分布式的供电系统一般只设置单路供电，对重要负载不提供备份电源，相对于集中式供电系统的双回路冗余供电，可靠性较低。我国现役潜艇中频负载的功率较小，采用了集中供电的双回路供电系统，可靠性较高。

参考美海军早在上个世纪 70年代就采用的日用中频集中式供电、只对少部分大功率、极敏感中频负载采用独立机组供电的中频供电系统混合式配置方式，我国海军也应考虑采用中频组网的方式对舰船日用中频负载进行集中供电、同时辅以一定数量的独立中频电源为雷达、武备等干扰高敏感设备单独供电的中频供电系统配置方式。为此，建议深入开展以下研究：

（1）开展中频负载分类研究，在此基础上，对相应类别中频负载制订统一的供电标准，给出标准化生产的建议；

（2）开展中频电站的设置方式、供电方式、配电方式、系统保护等方面的研究工作；

（3）开展中频电动发电机组和静止式中频电源的优化设计研究，提高供电品质，降低电磁噪声、提高功率密度；

（4）开展以400 Hz汽轮发电机组或燃气轮机发电机组为电源设备的中频一次系统方案设计研究工作。

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