浅谈舰船综合电力推进系统及其相关技术

朱炜



浅谈舰船综合电力推进系统及其相关技术

朱炜

（海军驻上海沪东中华造船（集团）有限公司军事代表室，上海 200129）

本文详细阐述了舰船综合电力推进系统及其相关技术的内涵和特点，主要分析了以美、英两国海军为代表的国外海军综合电力推进技术发展现状以及其涉及到的推进电动机、变流器等关键技术，并提出了我国在发展综合电力推进技术过程中存在且需解决的一些问题。

综合电力推进 电力推进系统 推进电动机 变流器

0 引言

舰船电力推进已有了一百多年的历史，传统的电力推进是一种由原动机带动发电机发电，经变频器供电给推进电动机，从而驱动螺旋桨的推进方式（如下图1所示）。

20世纪80年代以来，随着电力电子器件以及变频调速等技术的迅速发展，综合电力推进系统的概念应运而生了。舰船综合电力推进系统（又称综合电力系统）是指将电力系统和推进系统有机结合起来，由共同的发电机组供电，实现能源综合利用和统一管理，满足所有负荷如推进系统、日用负载、通信导航负载以及舰载武器需要的一种全电力系统。舰船综合电力推进系统由于其固有的优势已成为舰船动力系统发展的趋势，同时也是海军高新技术装备发展的重要方向。

图1 典型的电力推进示意图

（a：原动机；b：发电机；c：变压器；d：变频器；e：电动机；f：推进器）

1 综合电力推进系统

1.1 发展历程

舰船电力推进的发展经历了从机械传动到电力推进再到综合电力推进的过程。

1838年，俄国科学家雅柯宾首次用直流电机和蓄电池，应用于1艘小船的动力试验，形成“电力推进”的概念。1860年，世界上第一艘以蓄电池为动力，电动机直接驱动的电力推进潜水艇投入使用。1908年，美国建造的第一艘以直流电力推进作为主动力的消防船，开创了舰船电力推进技术应用的先河。进入20世纪，大部分潜水艇都采用电力推进方式，常规潜水艇在水面航行时由柴油发电机组给蓄电池充电，并向电动机供电驱动航行；在水下由蓄电池供电，电动机驱动航行；核潜艇则采用原子能发电，电动机驱动的推进方式。

兰利号（CV-1）是美国海军第一艘由运煤船改装的往复蒸汽机交流电力推进航母，据统计，二战期间仅美国就建造了300多艘柴油机-发电机-电动机驱动模式的战舰和军辅船；战后，电力推进因受装置本身大而笨重、效率低、成本高及其他技术条件的限制，未能得到广泛应用。

上世纪80 年代以来，舰船综合电力推进系统的应用情况发生了根本性变化。一方面是各国对军舰的作战能力、舒适性和操纵性等的要求进一步提高，另一方面，随着电力电子器件、交流电机、变频设备及其控制技术的快速发展，兆瓦级以上的各种交流电机调速变换器已获得成功应用。成本也大大减低，满足各种需求的综合电力推进系统成为越来越经济的一种选择，也成为一种必然的发展趋势。

进入90年代后，美国提出并开始了新型舰船综合电力系统（IPS）的研发，英法两国提出并开始了综合全电力推进（IFEP）的计划，同期荷兰也提出了全电力船（AES）的概念。

1.2 相关概念

舰船综合电力推进技术是在传统机械式直接推进的基础上一步步发展起来的，这项技术的出现，使得未来军用舰船的发展将出现“革命性”的变化，由此也衍生出许多不同的概念[1]。

综合全电力推进（Integrated Full Electric Propulsion，IFEP）：该概念由英、法海军提出，主要强调舰船推进和日用负载由同一发电系统供电。

综合电力系统（Integrated Power System，IPS）：该概念由美国海军提出，主要强调由同一电源向推进系统及全船所有其他电力负载供电，不必再配置单独的发电设备。

全电力舰（All Electric Ship，AES）：该概念由荷兰等北约国家海军提出，主要强调除了推进用电和日常用电外，充分使所有非电动的辅助机械以及武器装备全部实现电气化。

电力战舰（Electric Warship）：强调在电力舰船的基础上，采用大功率探测设备、激光及电磁炮等高能武器。

从上述概念中不难发现，其基本内涵都是在强调“统一供电”的同时，综合考虑系统集成、全寿命周期成本、标准化等问题，现阶段仅能实现“推进和日用负载由同一发电系统供电”和“变频调速电力推进，距离实现“全电力舰船”还有一段时间，因此目前在概念上把这种技术统称为“综合电力推进”也是较为合适的。

1.3 系统组成及研究意义

综合电力推进系统主要包括发电模块、区域配电模块、电力变换模块、能量管理模块以及推进等模块，每个模块都是高度集成的完整系统，其典型结构可用下图2描述：

图2 综合电力推进系统示意图（Gi为发电机）

开展综合电力推进系统的研究的意义主要有：有利于优化舰船总体设计；有利于简化舰船动力系统结构；有利于提高舰船的隐蔽性；为未来使用舰载高能武器系统提供电力保障；对未来舰船作战方式产生重大影响。

1.4 综合电力推进的优势

与机械推进方式相比，综合电力推进系统的优势主要有：

1）经济性好

自动化程度得以提高；布置的灵活性使得舰船的结构得以优化，也改善了舰船的生产效率，有利于模块块制造，降低了生产费用；航行时，只让保持最小数量的原动机运行，减少了原动机的总运行时间，节省了维护费用和燃油总消耗。

2）提高了舰船的战斗力

由于减少了原动机数量，特别是取消了大型传动轴承和齿轮箱的使用，可腾出有效空间以装载更多货物或武器；能为未来的激光、电磁等高能武器提供足够的电力；提升了舰船的操纵性，推进器由电机控制，能在全速范围内实现无级调速，比起机械传动能大大提高对指令的响应速度；续航力得到提升，不仅降低了耗油量，同时节省的重量可装载更多的燃油；突破了将发动机、推进器、传动轴系布置在一条直线上的传统设计模式，用电缆完全取代机械连接，原动机可以布置在任何地方，使全舰系统和设备布置更加灵活，可降低舰船排水量；

3）增强了舰船的生命力

降低了噪声，提高了隐蔽性，由于原动机可以布置在水线以上，从而可以降低水下辐射噪声，且由于取消了传动轴和齿轮箱，也大大降低了振动噪声；操作人员可选择最合适的发动机组合形式，确保每台发动机都以最佳效率工作，避免了发动机的低负载运行；由于集中供电，且从发电机组到推进电机等各个环节都有一定的冗余，某台柴油机故障不会影响推进器的工作，从而因此航速和续航力的明显降低。通过合理布局和控制分配等保护保护手段，使得系统具有很强的抗故障能力，提高了舰船的生命力。

2 国内外综合电力推进技术发展状况

2.1 国内综合电力推进技术发展状况

综合电力推进系统由于前期投资较高，在民用运输船市场应用较少，但进入21世纪以来我国民船电力推进技术的发展还是在工程船和公务船市场取得了长足进步。2002年广船国际为COSCO建造的18000t级半潜船“泰安口”是我国第一艘自行建造的海洋工程大型特种船舶，采用了两套SSP吊舱电力推进系统；2005年江南造船建造的“海监83”是我国自行设计的采用紧凑型吊舱装置的全电力推进系统的船舶，随后2006年投入试运行的烟大火车轮渡也采用电力推进方式的船舶，同年10月，天津新港造船厂建造的我国首艘采用全电力推进系统的火车滚装船“中铁渤海1号”顺利交工。近几年708所设计的半潜重载船、起重船、物探船多采用全电力推进系统，如“华海龙”、“海油278”、“海油720”等。但由于国内船用设备的研发能力不足，民船电力推进系统绝大多数都是由国外系统集成设计，综合电力推进技术的发展仍处于一种被动跟进状态。可喜的是我国某大学的综合电力推进系统以通过样机试验，初步具有装船能力。

2.2 国外综合电力推进技术发展状况

美国海军于1986年提出了“海上革命”计划；并于1988年启动了综合电力推动（IED）项目；1990年后，美国海军在IED的基础上提出了综合电力系统（IPS）的概念，明确提出其研究工作主要集中在发电、电力储存和推进技术等方面，图3给出了中压直流电力系统概念图，其研究发展成果集中体现在以DDG-1000型驱逐舰为代表的舰船上。2007年，美国又提出了“新一代综合电力系统（NGIPS）”发展路线，为所有海军舰船提供一个结构简单、性能出众的电力系统，具体设计目标主要有：为高能武器系统提供电力保障；减少原动机数量；提高原动机的效率；提高推进器效率；提供系统总体布置的灵活性，提高舰船生命力；提高舰船的可生产性；提高舰船电力系统的供电品质（Quality of Service）。

英国国防部于1994年正式开始IFEP系统的应用研究，1996年成立了电船计划管理局，负责协调发展和采购未来海军水面舰船的综合电力推进系统。英国的发展战略是坚持原动机全燃化，正在研制10~24MW的轴向磁通永磁电机，已在综合电力推进系统研发、应用发明创造了四个第一：第一个在护卫舰上采用部分电力推进；第一个在军辅船上采用吊舱电力推进；第一个在试验船上试验综合电力推进；第一个在现代驱逐舰上应用电力推进，其综合电力推进的发展路线如下图4所示。

此外，荷兰、德国、法国、俄罗斯等国海军也都积极参与IPS、IFEP计划中或独自研发了类似的电力推进系统，事实上，无论是美国海军的IPS，还是英国海军的IFEP，或是荷兰海军的AES，都是强调以“电能”作为舰船动力系统的主要能量形态，它们的名称并不重要，关键在于其实质性研究内容如何能够体现未来舰船在总体上发生的根本变化，而采用综合电力推进系统则是未来舰船发展的核心。

图3 美国海军舰船中压直流电力系统概念图

图4 英国综合电力推进发展路线图

2.3 国内外的发展差距分析

发达国家的舰船综合电力推进技术研究比我国早20多年，无论是在基础理论还是在工程实践中都积累了丰富的经验，差距主要表现在系统集成设计能力、关键产品设备存在代差以及试验验证能力严重缺乏等方面，其原因主要有：

1）高端专业技术人员的匮乏，基础研究还得不到足够的重视，上层也缺乏发展思路和规划研究，造成技术的发展缓慢；

2）科研技术力量分散，成果无法应用到实船，形成整体和全局上的弱势；

3）没有统筹好基础科研和相应的环境建设。

从作战舰船宏观发展进程上看，综合电力推进技术的应用当前处于全面发展的阶段，对应其工程化实现，我国需要大力解决的关键技术及设备主要有：

图5 推进电机驱动装置

1）系统集成设计技术

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。

2）系统主要设备及相关技术

未来电力舰船对电力的需求日益增大，研究以提高功率密度为目标的主要设备及技术也是必不可缺的，包括动力装置，配电装置，驱动装置，控制装置以及用于电磁探测、电磁武器和电磁弹射的大容量储能装置等。图5、图6、图7分别给出了影响综合电力推进系统发展的一些关键设备、技术分类。

3）供、配电和电能管理技术

优质的电能必须经过网络和监控才能高效安全地利用，集成化供电、环形电网结构、区域配电思想和智能化的电能管理是实现这一目标的先进技术途径。

4）舰船综合电力推进系统适装性技术

综合电力推进系统也对舰船总体设计提出了新的要求，特别是中压输电技术、电磁兼容技术等舰船的适装性问题，并提出了对舰船安全性、可靠性等的新的要求。

图6 推进电机

图7 功率半导体管器件

3 结语

综合电力推进已成为21世纪舰艇提升战斗力、操纵性、可靠性、维修性、保障性、安全性等问题的一个新的解决问题的方向，大力开展舰船综合电力推进技术研究，是我国海军发展战略的迫切需求。为此必须充分发挥研究院（所）、院校等多方面力量，加快综合电力推进关键技术（总体设计技术、系统控制与调速技术、大功率变频技术、高压大容量电力集成技术等）研究的步伐，通过必要的设备和技术引进，努力缩短与先进水平的差距，实现我国舰船的跨越式发展。

[1] 芮江, 由大伟. 舰船综合电力推进技术的现状和发展趋势[J].舰船科学技术, 2010, 32(4): 3-6.

[2] Norbert H.Doerry. Next Generation Integrated Power Systems For The Future Fleet[J]. Naval Sea Systems Command, 2007: 1-22.

[3] 陈亚昕, 李亚旭. 舰船综合电力系统发展研究[J]. 船电技术, 2012, 01: 64-66.

[4] Jiang Rui, Dawei, You. The current situation of ship integrated electric propulsion technology and its development trend[J]. Marine science and technology, 2010, 32(4): 3-6.

[5] IL-Yop Chung, Wenxin Liu, Karl Schoder, David A.Cartes. Integration of a bi-directional DC-DC converter model into a real-time system simulation of a shipboard medium voltage DC system[J]. Electric Power Systems Research, 2011(81): 1051-1059.

Introduction to the Ship Integrated Electric Propulsion Systems and Related Technologies

Zhu Wei

（Navy Representatives Office in Hudong-Zhonghua Shipbuilding Co.Ltd, Shanghai 200129, China）

TM715

A

1003-4862（2014）12-0014-05

2014-10-20

朱炜（1979-），男，工程师。研究方向：船舶电气。