艦船電力系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外最新進(jìn)展與發(fā)展趨勢(shì)

唐劍飛 桂永勝

（中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心， 武漢 430064）

1 引言

現(xiàn)代艦船在向大型化、全電力推進(jìn)化發(fā)展的同時(shí)，艦船電力系統(tǒng)的地位也從輔助系統(tǒng)變成主動(dòng)力系統(tǒng)。其系統(tǒng)容量呈幾何上升趨勢(shì)，而且網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也更加復(fù)雜。為了適應(yīng)這種發(fā)展趨勢(shì)，一些新技術(shù)新思路隨之出現(xiàn)。

2 艦船電能變換裝置向高功率密度、模塊化和高性能方向發(fā)展

艦船綜合電力系統(tǒng)中大功率電能變換裝置需求的電力半導(dǎo)體器件，目前主要以有絕緣柵雙極性晶體管（IGBT）和集成門極換向晶閘管（IGCT）為主。高壓IGBT和IGCT器件的電壓、電流定額已分別達(dá)到6500 V/600 A和6000 V/6000 A。在10 MW以下功率等級(jí)，IGBT因其驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單、開關(guān)特性好而具有更強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力[1]。

以碳化硅為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料可以顯著降低器件損耗，大大提高器件耐壓和結(jié)溫，滿足綜合電力系統(tǒng)對(duì)功率密度的需求，因而發(fā)展前景看好。目前基于碳化硅材料的二極管器件已接近實(shí)用水平，國(guó)外研究表明，由于其反向恢復(fù)電流大大降低，與基于常規(guī)材料的可控器件搭配使用可以顯著提高裝置的功率密度。

功率器件的運(yùn)用技術(shù)是提升電力變換裝置功率密度和可靠性的重要手段。美國(guó)弗吉尼亞理工大學(xué)的電力電子系統(tǒng)研究中心（CPES）在美國(guó)海軍的支持下，在中小功率電力電子裝置與系統(tǒng)的集成化方面做了大量工作。在國(guó)內(nèi)，浙江大學(xué)和西安交通大學(xué)在小功率變換器拓?fù)涞臉?biāo)準(zhǔn)化和集成的理論和方法等方面也進(jìn)行了一些開創(chuàng)性的研究工作。但是，在基于現(xiàn)有商用器件的二次集成以及器件的極限運(yùn)用等方面，還有待繼續(xù)深入的研究。

艦艇綜合電力系統(tǒng)所需要的電能變換裝置盡管種類繁多，但大多已有成熟的原理與技術(shù)作為支撐。在裝置與系統(tǒng)的構(gòu)建方面，最為革命性的變化趨勢(shì)是進(jìn)一步向 PEBB（電力電子集成模塊Power Electronic Building Block）概念靠攏。PEBB概念使得具有開放結(jié)構(gòu)、可熱插拔、可擴(kuò)展的模塊化電力電子系統(tǒng)成為可能。由于其集成化的特點(diǎn)，對(duì)功率密度的提高也很有幫助。目前，在美國(guó)海軍研究局（ONR）資助下，直流區(qū)域配電技術(shù)已經(jīng)在艦船上得到應(yīng)用。DRS技術(shù)公司為美國(guó)海軍DDG 1000艦提供的“綜合持續(xù)作戰(zhàn)電源”（IFTP）系統(tǒng)代表了直流區(qū)域配電技術(shù)的最新進(jìn)展。該系統(tǒng)采用可熱插拔的模塊化電力電子裝置，具有良好的可擴(kuò)展性，并且在負(fù)載變化、局部故障或遭遇戰(zhàn)損時(shí)可以實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)絡(luò)的重構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)極強(qiáng)的持續(xù)供電能力。

控制技術(shù)方面，基于經(jīng)典控制理論的多環(huán)路數(shù)字 PI/PID控制器已在電力電子裝置與系統(tǒng)中得到成熟應(yīng)用，其性能還有改進(jìn)的空間，尤其是將狀態(tài)空間概念用于指導(dǎo)這些控制算法的設(shè)計(jì)時(shí)，可大幅提高其極限能力?；诂F(xiàn)代控制理論（狀態(tài)空間、非線性控制）與自適應(yīng)數(shù)字信號(hào)處理的新型數(shù)字控制方法可以處理更復(fù)雜的電能變換控制過程，大擾動(dòng)下的穩(wěn)定性、動(dòng)態(tài)特性更好，可以對(duì)更多的系統(tǒng)變量實(shí)施更全面的控制，同時(shí)不增加、甚至減少傳感器的數(shù)量，是新一代高性能電能變換控制技術(shù)的發(fā)展方向。

鑒于PEBB已成為未來艦船綜合電力系統(tǒng)中電力電子裝置與系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建模式，因此這些裝置與系統(tǒng)的控制軟件設(shè)計(jì)上也要充分考慮控制任務(wù)垂直分解和模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化問題。目前，IEEE電力電子學(xué)會(huì)已設(shè)立專門的專家組研究基于PEBB的電力電子系統(tǒng)的控制與保護(hù)框架結(jié)構(gòu)，相信在不久的將來會(huì)提出這方面的一些國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。

基于PEBB思想構(gòu)建的電力電子系統(tǒng)必然存在硬件上的分層結(jié)構(gòu)，因此不同層面的控制系統(tǒng)之間如何實(shí)現(xiàn)高速高可靠的通訊也成為一個(gè)至關(guān)重要的問題。由于通用的通訊總線技術(shù)并不能很好滿足該需要，一些國(guó)外研究機(jī)構(gòu)，比如弗吉尼亞理工大學(xué)，已在研究專門針對(duì)基于PEBB的電力電子系統(tǒng)的光纖環(huán)形網(wǎng)絡(luò)及其PESNet協(xié)議。

3 直流區(qū)域供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性是綜合電力系統(tǒng)研究的重點(diǎn)

直流區(qū)域配電技術(shù)已成為艦船綜合電力系統(tǒng)的發(fā)展方向。隨著高能武器和先進(jìn)探測(cè)設(shè)備的飛速發(fā)展，艦船用電設(shè)備的日益增加對(duì)艦船電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性造成越來越嚴(yán)重的影響，引起了國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)的高度關(guān)注[2]。

直流區(qū)域配電技術(shù)已經(jīng)在國(guó)外艦船上得到應(yīng)用。DRS技術(shù)公司為美國(guó)海軍DDG 1000艦提供的“綜合持續(xù)作戰(zhàn)電源”（IFTP）系統(tǒng)代表了直流區(qū)域配電技術(shù)的最新進(jìn)展。該系統(tǒng)采用可熱插拔的模塊化電力電子裝置，具有良好的可擴(kuò)展性，并且在負(fù)載變化、局部故障或遭遇戰(zhàn)損時(shí)可以實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)絡(luò)的重構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)極強(qiáng)的持續(xù)供電能力。

斷路器配合、新型固態(tài)限流裝置等方面是解決電力系統(tǒng)可靠性的有效途徑。早在1974年，美國(guó)電力研究院（EPRI, Electric Power Research Institute）剛剛成立不久，故障限流技術(shù)就被列為該組織重點(diǎn)優(yōu)先發(fā)展的研究課題。目前，日本也成立了“故障電流抑制用限流技術(shù)調(diào)查專門委員會(huì)”。歐洲各國(guó)在故障限流方面也做了很多的工作。

我國(guó)開展新型短路限流技術(shù)的研究工作始于上世紀(jì)90年代初，雖比國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家略晚，但也取得了一系列的科研成果：如諧振短路限流技術(shù)、超導(dǎo)限流技術(shù)成果、新型固態(tài)限流技術(shù)和快速斥力開關(guān)技術(shù)等[3]。

4 艦船用交流變頻調(diào)速系統(tǒng)及其控制技術(shù)快速發(fā)展

隨著電力電子技術(shù)、交流電機(jī)調(diào)速控制技術(shù)以及電機(jī)設(shè)計(jì)制造技術(shù)的突破和提高，艦船用交流變頻調(diào)速系統(tǒng)得到了迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。特別是近期隨著變頻電源的小型輕量化和噪聲、電磁兼容問題的逐步解決，潛艇艙室輔機(jī)傳動(dòng)由直流傳動(dòng)向交流傳動(dòng)的過渡已經(jīng)開始大面積展開。鑒于交流電機(jī)在成本、可靠性、功率密度等方面的突出優(yōu)勢(shì)，在可預(yù)見的將來，交流傳動(dòng)必然成為潛艇艙室輔機(jī)的主流傳動(dòng)模式[4]。

在艦船電力推進(jìn)系統(tǒng)中，中壓大功率推進(jìn)變頻器是關(guān)鍵技術(shù)之一。到目前為止，中壓變頻器還沒有像低壓變頻器那樣具有近乎統(tǒng)一的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其原因，一是中壓大電流的電力電子器件仍然難以滿足要求，實(shí)際應(yīng)用中需要采用器件或低功率單元的串并聯(lián)技術(shù)；二是許多在低壓通用變頻器中可以接受或很容易解決的問題，卻在中壓變頻器中成為非常突出且難以解決的問題。針對(duì)以上問題，國(guó)外大公司各有高招，在利用現(xiàn)有功率器件的基礎(chǔ)上提出了多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。綜合各公司的方法，推進(jìn)變頻器的拓?fù)潆娐奉愋涂煽偨Y(jié)歸納為多管串聯(lián)的兩電平變換電路，多電平變換電路，多相/多重化幾大類。

Alstom公司采用嚴(yán)格控制IGBT溫度、控制開關(guān)的同步以及設(shè)計(jì)均壓電路等措施，第一個(gè)實(shí)現(xiàn)了多管串聯(lián)技術(shù)，并將該技術(shù)用于25 MW的變頻器中。該公司為美國(guó)海軍全電力推進(jìn)系統(tǒng)研制的19 MW變頻器就應(yīng)用了8個(gè)IGBT的串聯(lián)技術(shù)。ABB公司生產(chǎn)了第一臺(tái)基于PEBB的變頻調(diào)速裝置ACS6000。后者采用IGCT三電平結(jié)構(gòu)，輸出電壓等級(jí)3-3.3 kV，單臺(tái)輸出功率3-9 MW，美國(guó)海岸警衛(wèi)隊(duì)的破冰船的 2-3.5 MW 主推進(jìn)系統(tǒng)裝備了ABB的Azipod（吊艙）推進(jìn)系統(tǒng)，采用了ACS6000調(diào)速裝置。

多相系統(tǒng)是國(guó)外電力推進(jìn)發(fā)展的一個(gè)重要特點(diǎn)，無論是美國(guó)的IPS計(jì)劃、英國(guó)的IFEP計(jì)劃，還是德國(guó)、荷蘭、俄羅斯的電力推進(jìn)設(shè)計(jì)方案都采用多相變頻器驅(qū)動(dòng)多相電機(jī)的系統(tǒng)。多相化變頻器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有：多重三相變頻器結(jié)構(gòu)和多相H橋結(jié)構(gòu)兩大類。25 MW超導(dǎo)同步電動(dòng)機(jī)船舶推進(jìn)系統(tǒng)就是采用多重三相變頻器的方式，Alstom公司為美國(guó)海軍研制的19 MW的PWM變頻器，也是采用多相H橋結(jié)構(gòu)。該變頻器是有史以來最大的PWM調(diào)速變頻器，用于15相先進(jìn)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的推進(jìn)系統(tǒng)中。

對(duì)上兆瓦級(jí)的電力推進(jìn)來說，采用多臺(tái)逆變器并聯(lián)可使開關(guān)器件的電流應(yīng)力大大減小，同時(shí)也大大提高系統(tǒng)的靈活性、可靠性和可維護(hù)性。目前，我國(guó)引進(jìn) ABB公司的吊艙推進(jìn)系統(tǒng)就采用了逆變器并聯(lián)結(jié)構(gòu)。

國(guó)內(nèi)對(duì)于大功率交流調(diào)速除了在大型軋鋼機(jī)主傳動(dòng)和礦井提升機(jī)方面進(jìn)行了一些研究外，在船舶電力推進(jìn)領(lǐng)域的研究才剛剛起步。近年來國(guó)內(nèi)的各大軍事研究機(jī)構(gòu)和科研院所開始致力于這方面的研究。國(guó)內(nèi)對(duì)于矩陣變換器的研究也處于起步階段，距離大功率艦船推進(jìn)實(shí)際應(yīng)用的目標(biāo)還有一定距離。

5 基于多智能體的艦船電力系統(tǒng)監(jiān)控與能量管理成為研究熱點(diǎn)

艦船能量管理可對(duì)艦船電能進(jìn)行集中統(tǒng)一調(diào)度、管理、控制，是艦船綜合電力系統(tǒng)的核心控制部分之一。隨著艦船電力系統(tǒng)容量成幾十倍的增長(zhǎng)和電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化、負(fù)載多樣化，對(duì)全船電能進(jìn)行集中管理的要求更高，能量管理需要完成的功能也更趨復(fù)雜[5]。

上世紀(jì)90年代以來，對(duì)于多智能體系統(tǒng)的研究已經(jīng)成為人工智能研究的熱點(diǎn)。國(guó)際上關(guān)于多智能體系統(tǒng)的研究雖然時(shí)間不長(zhǎng)，但發(fā)展相當(dāng)迅速，其應(yīng)用已經(jīng)擴(kuò)展到工業(yè)、商業(yè)、娛樂、醫(yī)療等相當(dāng)廣泛的各個(gè)領(lǐng)域。

將多智能體應(yīng)用于艦船能量管理的研究國(guó)外尚無報(bào)道，但國(guó)外已在軍事領(lǐng)域采用了多智能體系統(tǒng)，并取得了一定的成果。他們將基于智能體的建模與仿真（ABMS）技術(shù)應(yīng)用于作戰(zhàn)仿真，從底層入手，將作戰(zhàn)基本單元抽象為智能體，構(gòu)建多智能體系統(tǒng)，以二維或三維細(xì)胞自動(dòng)機(jī)為工具，通過智能體的相互作用來研究作戰(zhàn)系統(tǒng)的整體突現(xiàn)行為。第一個(gè)將作戰(zhàn)視為復(fù)雜系統(tǒng)而開發(fā)的多智能體系統(tǒng)是ISAAC。它由美國(guó)海軍分析中心（CAN）從事數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)建模工作的 Andy Ilachinski博士于 1997年研制成功。它的出現(xiàn)在國(guó)際上引起了較大反響并帶動(dòng)類似系統(tǒng)的開發(fā)。澳大利亞軍事學(xué)院開發(fā)的在沿海環(huán)境下基于智能體的概念研究系統(tǒng)CRO-CADILE，澳大利亞維多利亞大學(xué)和新南維爾士大學(xué)合作開發(fā)的“通過生命仿真得到的可所見的智能體戰(zhàn)場(chǎng)行為”系統(tǒng)RABBLE，美國(guó)軍方委托圣達(dá)菲Bios Group開發(fā)的“自適應(yīng)搜索管理系統(tǒng)”ACME，美國(guó)海軍研究生院開發(fā)的“基于智能體的非戰(zhàn)爭(zhēng)小規(guī)模作戰(zhàn)軍事行動(dòng)的仿真”系統(tǒng)，美國(guó)海軍戰(zhàn)場(chǎng)研發(fā)司令部NWDC與Argonne國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)仿真中心合作，共同開發(fā)的TSUNAMI系統(tǒng)等，都是多智能體在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用。

多智能體在國(guó)內(nèi)的研究開始時(shí)間相對(duì)較晚，目前大部分還處于理論研究階段，與國(guó)外有比較大的差距，在艦船綜合電力能量管理中的體系結(jié)構(gòu)及應(yīng)用研究更是空白。但是，由于多智能體在解決復(fù)雜大系統(tǒng)問題上有其突出的優(yōu)勢(shì)，其應(yīng)用領(lǐng)域正在不斷擴(kuò)展。據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)顯示，國(guó)內(nèi)已相繼開展了一些將多智能體應(yīng)用于陸地電力系統(tǒng)的研究，并在電壓控制、繼電保護(hù)等方面取得了一定的進(jìn)展。

多智能體技術(shù)在繼電保護(hù)領(lǐng)域得到了應(yīng)用，把一個(gè)微機(jī)保護(hù)裝置看成由多個(gè)智能體組織而成的智能保護(hù)，通過對(duì)各種保護(hù)原理的動(dòng)作結(jié)果進(jìn)行綜合，以提高保護(hù)的可靠性；根據(jù)故障類型和保護(hù)背側(cè)系統(tǒng)阻抗值來切換保護(hù)定值使保護(hù)定值最佳；利用對(duì)采集數(shù)據(jù)的諧波計(jì)算提高故障區(qū)域的判斷準(zhǔn)確性，并給出了智能保護(hù)的實(shí)現(xiàn)方案。

雖然多智能體尚未應(yīng)用于艦船能量管理，但國(guó)內(nèi)對(duì)艦船能量管理的理論研究已經(jīng)開展，這些研究有助于我們進(jìn)一步了解該系統(tǒng)的特點(diǎn)，為本課題的研究提供理論依據(jù)。

在艦船能量管理中多智能體間網(wǎng)絡(luò)通訊的高精度時(shí)間同步和流量控制的研究，國(guó)內(nèi)也尚未開展，但針對(duì)網(wǎng)絡(luò)控制，國(guó)內(nèi)外均已有相關(guān)研究。

總的來說，國(guó)內(nèi)對(duì)多智能體的研究已經(jīng)取得了一定進(jìn)展，并開始應(yīng)用到軍事領(lǐng)域。但將多智能體應(yīng)用于艦船能量管理的研究還屬空白，對(duì)艦船能量管理多智能體體系結(jié)構(gòu)及應(yīng)用研究，和艦船能量管理信息網(wǎng)絡(luò)高精度時(shí)間同步與流量控制研究有待開展。

6 結(jié)束語

本文介紹的幾種技術(shù)將推動(dòng)艦船綜合電力系統(tǒng)的發(fā)展，在這個(gè)系統(tǒng)中將廣泛采用模塊化、系列化、標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品，并對(duì)艦船的能源進(jìn)行綜合管理，從而使整個(gè)系統(tǒng)的可靠性更高、生命力更強(qiáng)。

[1]呂飛, 汪光森. 大功率電能變換裝置軟件鎖相環(huán)的應(yīng)用. 船電技術(shù)，2008(6).

[2]謝楨, 葉志浩. 基于直流區(qū)域配電的艦船綜合電力系統(tǒng)智能保護(hù)方式研究. 船電技術(shù),2009(1).

[3]陳波, 付立軍. 基于直流區(qū)域配電系統(tǒng)的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò).船電技術(shù),2007(4).

[4]李新星, 趙國(guó)文. 交流變頻調(diào)速技術(shù)在船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)中的應(yīng)用. 廣東造船，2007(2).

[5]朱亮, 黃怡. 多智能體開發(fā)系統(tǒng)SWARM 在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用. 高電壓技術(shù)，2008(3).