新型舰船综合电力系统的运行分析及发展＊

闫飞飞 陈圣东 刘亚丽

（海军蚌埠士官学校机电系 蚌埠 233012）

1 引言

上世纪90年代，业界提出综合电力系统（Integrated Power System，IPS）的概念，其显著特点是集成化，将发配电、调度与监控以及推进和高能负荷都集成在一起。在舰船上，电能最初只是作为辅助能源，随着电力推进技术的发展，以及传统上由动力系统提供能量的设备的电力化，电力系统承担了更多的任务，舰船综合电力系统得以出现。上世纪90年代以来，新建造的客轮和破冰船等有超过30%左右均采用了电力推进；在军事领域如英国研发了混合电力推进23型护卫舰和2008年下水的世界上第一艘采用综合电力系统的战斗舰艇45型驱逐舰“果敢”号，美国历时近20年研制的全电力DDG1000 新型驱逐舰预计2013年下水［1］。舰船综合电力系统的机组运行方式与传统舰船电力系统相比有着巨大的差异，具有良好的机动性、静音性，节约了机舱空间，目前国内外的发展态势来看，代表了未来的发展方向，我国也高度重视其研究。

2 发展动因和重要意义

舰船采用电力推进技术是综合电力系统技术发展的推动因素，电力推进相比传动的机械推进具备更好的调速特性、机动性、经济性、静音性，如破冰船要求推进系统具备相当强的堵转特性、客轮要求有良好的操纵性、运输船要求有低速航行的经济性、反潜护卫舰等需要推行时有较小的噪音。

传统的舰船中，推进是由大型主机完成而供电系统只是起到一个辅助的作用，舰船设计时采用电力推进将主动力和供电系统合并，减少了各种原动机的数量，节约了机舱空间，提高续航力以及战斗力；同时可以发挥电能更容易集成、灵活控制的特点，全电力系统高效运行，提高舰船信息化程度；同时省去了传动轴和齿轮箱等，从而切断了舰船向外界传播噪声的途径，提高了舰船的适航性、隐蔽性和生存力。

舰船综合电力系统的典型拓扑结构是环形网络，采用环形电网加上区域配电的供电模式，可以更加合理地分配电能、显著提高舰船生存能力；先进的大功率探测设备以及高能武器具备探测距离远、精度高等更优越的性能，比如飞机电磁弹射和拦阻装置这些先进装备所需电能巨大，唯有采取综合电力系统方案才能解决推进时所需充足动力以及战斗状态下高能电力的矛盾［2］。

舰船综合电力系统技术对舰船设计将产生革命性的影响，代表了未来的发展方向，其重要意义完全可以与从帆船时代进入蒸汽机时代以及核动力舰船的诞生相提并论［3］。

3 机组运行分析

舰船综合电力系统将推进以及日用负载供电等能量进行综合调配，战斗、巡航、进出港及锚泊等不同工况下的电站投入容量差别非常巨大，比如锚泊工况下的负载远远小小战斗工况下的负载。以英国皇家海军45 型驱逐舰“果敢”号为例，对其机组运行方式进行分析。

3.1 机组配置

“果敢”号共有两台20MW 燃气轮机发电机作为“大机组”以及两台2MW 柴油机发电机组作为小机组，采用了大小机组并联的方案来解决机组运行的效率和经济性问题。另外该舰配置两台ALSTOM 公司开发的19MW 先进感应推进电机（AIM），为全舰提供推进动力。

3.2 负荷容量估算

战斗工况、全速航行情况下，最大日用负载供电能力约为6MW，考虑100%冗余的设计原则，所以其最大负荷容量约为3MW，根据相应设计经验，锚泊工况负载容量约为0.8MW，进出港工况约为1MW，巡航工况约为1.5MW。

3.3 机组运行原则

传统舰船电力系统中，机组容量相等，一般按照负载功率是否达到单台机组额定功率的一定比例执行机组的并联投入或者解列切除，而综合电力系统中，存在着不同容量的机组，所以应该根据机组负荷率来执行机组投切动作。一般情况下，在单机负荷率大于85%时，将待并机组投入电网；当并联运行机组的单机负荷率低于35%的情况下实施机组切除操作，具体如表1 所示，表中p表示单机负荷率［4～5］。

表1 基于负荷率的舰船综合电力系统的机组运行原则

在综合电力系统中机组运行原则并不仅仅只有机组负荷率，根据其方案设计，在考虑装机容量、推进功率以及航速设计等因素的情况下，可以采取基于航速判断的机组投切综合策略［6］。

3 关键技术进展

3.1 交直流发电模块化技术

对于普通水上船舶而已，普通柴油发电机组技术比较成熟，而对于综合电力系统而言要重点研究大功率高密度的交直流电力集成多绕组发电机发电技术以及中高压多相交流发电机整机集成发电技术。如美国DDG1000型驱逐舰采用两台罗尔斯罗伊斯公司的MT30 型36MW 燃气轮机作为发电机组原动机，其原型为波音777用发动机。大功率发电机组应具备抗冲击性能，能够适应舰船“三高一差”的工作环境，还需要突破电磁兼容、冷却、振动以及噪音等难题。

3.2 推进电机及其变频调速技术

研究内容包括：大功率推进电动机如永磁电机的结构、性能以及变频调速控制策略和控制技术。45型驱逐舰选择推进电机的过程并不是一帆风顺，刚开始的选择是永磁同步电机，英国皇家海军已经同某公司签订了合同，但是历经研发后由于其功率密度满足不了预订要求，后来又选择了阿尔斯通电力变换公司的先进感应电机（AIM），其制作材料特殊并采用最先进的针尖冷却技术和谐波做功技术［7］。

3.3 大容量电能变换技术

实现大容量电能变换的技术关键在于配套的电力电子器件，美国海军研究局使用氢氧化物、集成电路、电力半导体等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可以提高其性能。另外主电路电压为中压5000V 与后备电源（即蓄电池系统）电压1000V 等级不匹配，要求配置可靠性高的直流变换器［8］。舰船综合电力系统的典型配置图如图1所示。

图1 舰船综合电力系统典型配置

3.4 舰船综合电力系统管理平台

舰船采用综合电力系统，其电站容量、拓扑结构、推进方式等都发生了变化，而电力推进、环形电网和区域配电等的出现使电能的产生、分配和管理变得复杂，必须采用智能电能管理系统［9］。参考陆地电力管理系统EMS，结合舰船特点提出舰船能量管理系统PMS，其功能模块如图2所示。

图2 舰船综合电力系统PMS功能模块

4 结语

采用舰船综合电力系统是现代舰船的发展方向，推进和日常电力负载都从环形电网中供电，从发电到配电再到管理以及调度等都需要进行全局优化以及系统性的研究，是新一轮舰船技术竞争的焦点。英国45型驱逐舰在各方面展示出了优异的性能以及在美国DDG1000型驱逐舰等研制先例的基础上［12］，我国将大力展开相关领域的研究工作，攻关关键技术，提高舰船电力工业水平。

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