美國綜合電力推進技術(shù)發(fā)展綜述

張狄林

（海軍駐湖南地區(qū)代表室, 湖南 411101）

1 引言

綜合電力系統(tǒng)對于艦船改善操縱性能、降低噪聲、增加有效艙容、提高戰(zhàn)斗力、增強生命和經(jīng)濟性等方面都具有明顯優(yōu)勢。從20世紀八十年代開始，世界上各主要大國都在大力開發(fā)以綜合電力推進系統(tǒng)為基礎(chǔ)的船舶，進入20世紀九十年代，美國提出并開始了新型艦船綜合電力系統(tǒng)（IPS）的研究與開發(fā)，英法兩國提出并開始了綜合全電力推進（IFEP）的計劃，同期荷蘭也提出了全電力船（AES）的概念。綜合電力系統(tǒng)采用集成化的方式實現(xiàn)供電、輸電、配電及能量的轉(zhuǎn)換，并由于其固有的優(yōu)勢已成為艦船動力系統(tǒng)發(fā)展的趨勢，是未來大型艦船使用高能武器系統(tǒng)（如電磁彈射、電磁軌道炮、高功率雷達及激光武器）的新型動力技術(shù)。綜合電力系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展一直將艦船環(huán)境下的高功率密度、高可靠性、能購性、能達性及高效率等作為重點考核指標，并由此也從最初的綜合電力技術(shù)衍生出美國所謂下一代綜合電力技術(shù)（NGIPS）[1]，并最終體現(xiàn)在綜合電力系統(tǒng)中發(fā)電、推進、儲能、電能控制、平臺負載、配電及能量轉(zhuǎn)換各模塊單元設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)當中。

2 美國下一代綜合電力系統(tǒng)（NGIPS）的發(fā)展規(guī)劃[1]

2.1 美國下一代綜合電力系統(tǒng)發(fā)展藍圖

上個世紀九十年代，美國提出并開始了綜合電力系統(tǒng)的研究，目前美國綜合電力系統(tǒng)技術(shù)的研究發(fā)展成果集中體現(xiàn)在以DDG-1000型驅(qū)逐艦為代表的艦船上。根據(jù)未來艦船對大容量、功率密度、效率、可靠性等指標更高的要求，美國制定了NGIPS的發(fā)展藍圖，見圖1。按照時間階段劃分，NGIPS可分為兩個階段，分別為近期發(fā)展規(guī)劃及遠期發(fā)展規(guī)劃；按照發(fā)電模式劃分，可分為中壓交流及中壓直流，其中交流部分又可以分為60 Hz交流及200～400 Hz高頻交流兩個階段。基于美國綜合電力技術(shù)發(fā)展及設(shè)備采購開放式結(jié)構(gòu)體系，中壓交流60 Hz綜合電力系統(tǒng)與DDG-1000型所采用的技術(shù)在本質(zhì)上區(qū)別不大，在基本滿足艦船綜合電力系統(tǒng)需求的前提下，該階段主要是考慮目前工業(yè)基礎(chǔ)情況下整個綜合電力系統(tǒng)的技術(shù)可達性及設(shè)備采購的能購性問題。為了進一步提高整個綜合電力系統(tǒng)的功率密度并且在考慮傳統(tǒng)系統(tǒng)保護策略的有效性的前提下，在中壓交流60 Hz的基礎(chǔ)上進一步開展200～400 Hz高頻綜合電力系統(tǒng)的研究，盡可能地提高綜合電力系統(tǒng)中的相關(guān)大型設(shè)備（包括發(fā)電模塊、變壓器等）的功率密度，擴展艦船的有效艙容。中壓交流綜合電力系統(tǒng)的典型特征是高速發(fā)電模塊（包括同步發(fā)電技術(shù)、永磁發(fā)電技術(shù)及超導發(fā)電技術(shù)）、大量的通用化電能變換模塊（包括AC/DC、DC/AC及DC/DC等）、先進的推進模塊（包括先進感應(yīng)電機推進、永磁電機推進及超導電機推進）。

圖1 美國下一代綜合電力系統(tǒng)（NGIPS）發(fā)展藍圖

交流綜合電力系統(tǒng)中，為了負載電壓等級的匹配、直流區(qū)域配電的實現(xiàn)并考慮系統(tǒng)故障重構(gòu)的可能性，使用了大量的變壓器（包括推進變壓器、配電變壓器）及AC/DC電能變換模塊[2]?？紤]到未來大功率武器應(yīng)用對整個綜合電力系統(tǒng)更高的功率密度及更高的電站容量需求，在交流綜合電力系統(tǒng)的基礎(chǔ)上制定了遠期直流綜合電力系統(tǒng)的發(fā)展規(guī)劃。該系統(tǒng)中艦船高速發(fā)電模塊發(fā)出的電能通過AC/DC大功率模塊將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，并通過交流主電網(wǎng)向各負載模塊供電，從而省去了交流綜合電力系統(tǒng)中所大量使用的大容量變壓器及AC/DC電能變化模塊，為整個綜合電力系統(tǒng)各模塊的進一步優(yōu)化設(shè)計成為可能，并最終實現(xiàn)整個綜合電力系統(tǒng)功率密度的有效提高。綜合來說，中壓直流系統(tǒng)的優(yōu)勢有：原動機轉(zhuǎn)速與母線電壓頻率解耦；電力變換設(shè)備運行在比HFAC系統(tǒng)高于一個數(shù)量級的頻率上，可使用更小的變壓器；減少HFAC系統(tǒng)的EMI和EMC問題；有減輕電纜重量的潛力，不存在交流系統(tǒng)中由于電壓和電流相移導致的無功問題；更好的故障保護能力；更優(yōu)的聲學性能；并聯(lián)發(fā)電機僅需要滿足電壓的匹配性；未來高功率負載具有更加緊湊的結(jié)構(gòu)和高功率密度架構(gòu)。

美國基于其NGIPS發(fā)展的近、遠期規(guī)劃及其發(fā)展戰(zhàn)略需求，同時也初步制定了未來三十年相關(guān)NGIPS的造艦計劃，如圖2所示。

2.2 NGIPS所需解決的關(guān)鍵技術(shù)

美國NGIPS相關(guān)模塊重點關(guān)注的問題如圖3所示?；贜GIPS的三個階段的發(fā)展規(guī)劃見表1，上述關(guān)鍵技術(shù)問題是依據(jù)提高全系統(tǒng)功率密度、適應(yīng)不同種類的電站及主電網(wǎng)型式、滿足未來高壓大功率需求、可靠性等方面展開的。例如：推進電機從先進感應(yīng)延伸至永磁電機及超導電機；整流器在涵蓋推進整流器的基礎(chǔ)上，考慮要與高速發(fā)電機相配合，形成未來直流主電網(wǎng)供電模式，此時就需要考慮相應(yīng)的高功率因數(shù)、諧波抑制及快速故障診斷及其保護等等因素，這些在本文中不再詳細展開。

圖2 美國未來三十年基于NGIPS的造艦計劃

表1

圖3 NGIPS所重點關(guān)注的相關(guān)問題

3 結(jié)束語

目前，歐美等發(fā)達國家的第一代艦船綜合電力推進技術(shù)已廣泛應(yīng)用于民用及部分軍用船舶，相比之下，我國的綜合電力推進技術(shù)仍處于起步階段。我國綜合電力系統(tǒng)要想長足發(fā)展，可以借鑒歐美等國的發(fā)展思維及其優(yōu)越的技術(shù)特性。

[1] Naval Sea Systems Command(2007). Next Generation Integrated Power System Technology Development Roadmap. Ser 05D / 349 of 30 Nov 2007.

[2] Office of Naval Reseach. Electric Warship Technology Overview. 2, May, 2001 IEEE Eletric Ship Technologies Symposium.

[3] Kevin Carpentier, ESII Program Manager. The Electric Ship Integration Initiative-An Overview. 2005 IEEE Eletric Ship Technologies Symposium.

[4] Department of the Navy of United States. Roadmap to an Electric Naval Force. 2, March, 2001.