美英未來(lái)艦船綜合電力系統(tǒng)電制選擇分析

張義農(nóng)，湯建華

(1.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一四研究所，北京 100192;2.中國(guó)艦船研究院，北京 100192)

0 引言

目前，在主戰(zhàn)艦艇上采用綜合電力系統(tǒng)的僅有英美2個(gè)國(guó)家。美國(guó)已在DDG－1000驅(qū)逐艦上采用，英國(guó)則在45型驅(qū)逐艦和CVF航母上采用。由于這些艦艇的設(shè)計(jì)時(shí)間均在20世紀(jì)80～90年代，因此，其電制均采用研制難度不大的交流低頻電制。其中，美國(guó)DDG－1000驅(qū)逐艦的電壓為13.8 kV、頻率為60 Hz，英國(guó)45型驅(qū)逐艦的電壓為4.16 kV、頻率為60 Hz，英國(guó)CVF航母的電壓為11 kV、頻率為60 Hz。

由于大功率雷達(dá)、激光炮及電磁軌道炮等高能武器即將上艦，未來(lái)艦船用電量將急劇增高，現(xiàn)在的交流電制因其變換損失大，傳輸效率低，已不能滿(mǎn)足要求。為此，2007年12月，美國(guó)海軍發(fā)布了《下一代綜合電力系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展路線(xiàn)圖》，規(guī)劃艦船綜合電力系統(tǒng)電制的發(fā)展，提出將由交流低頻電制逐漸過(guò)渡到直流電制。英國(guó)艦船系統(tǒng)開(kāi)發(fā)辦公室目前也在投資研發(fā)直流電制相關(guān)技術(shù)，包括直流推進(jìn)電機(jī)、保護(hù)電器、儲(chǔ)能裝置等。從兩國(guó)目前的規(guī)劃和技術(shù)研發(fā)來(lái)看，直流電制將是未來(lái)艦船綜合電力系統(tǒng)發(fā)展的大趨勢(shì)。

1 交、直流電制需要解決的技術(shù)問(wèn)題

美英的研究表明，采用直流電制可顯著提高艦船的可靠性和生命力，尤其在使用高功率儲(chǔ)能設(shè)備時(shí)優(yōu)勢(shì)更為明顯。采用直流電制還可減少轉(zhuǎn)換損失，使系統(tǒng)更緊湊，效率更高，更易于與未來(lái)高能武器和傳感器集成。對(duì)于相同質(zhì)量的銅線(xiàn)，采用直流電制至少可增加22.47%的電能，并易于系統(tǒng)控制和重構(gòu)。

美海軍在《下一代綜合電力系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展路線(xiàn)圖》中規(guī)劃，近期將繼續(xù)采用低頻交流電制，電壓為4～13.8 kV，頻率為60 Hz;中期將采用高頻交流電制，電壓為4～13.8 kV，頻率為200～400 Hz;未來(lái)將采用直流電制，電壓為 6 kV［1］。

圖1 美國(guó)綜合電力系統(tǒng)電制發(fā)展路線(xiàn)圖Fig.1 Development roadmap of US integrated power system

與美國(guó)不同，英國(guó)將從低頻交流電制直接過(guò)渡到直流電制，而不研究高頻交流電制的相關(guān)技術(shù)［2］。

1.1 低頻交流電制

艦用交流電制分為低頻交流電制和高頻交流電制2種，頻率60 Hz的為低頻交流電制，頻率200～400 Hz的為高頻交流電制。目前所有現(xiàn)役或在建采用綜合電力系統(tǒng)的艦船均采用低頻交流電制。

低頻交流電制是各種艦船上成熟使用的電制，標(biāo)準(zhǔn)電壓分0.45，4.16，6.9，11，13.8 kV等幾檔，根據(jù)斷路器正常工作電流及斷開(kāi)最大故障電流的級(jí)別可確定負(fù)載最大功率和供電母線(xiàn)的最大容量。

美國(guó)海軍認(rèn)為，使用低頻交流電制，前期技術(shù)研發(fā)階段不需要投入。但需要解決設(shè)備裝艦使用、電力系統(tǒng)與艦上機(jī)械控制系統(tǒng)集成，以及全系統(tǒng)集成等工程問(wèn)題。

1.2 高頻交流電制

中壓直流電制和高頻交流電制的配電系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)是相同的，高頻交流電制僅是低頻交流電制和直流電制之間的一種過(guò)渡型式，其技術(shù)研發(fā)可為直流電制中相關(guān)技術(shù)的研究奠定基礎(chǔ)，如直流區(qū)域配電技術(shù)。美國(guó)高頻交流電制頻率為200～400 Hz，電壓等級(jí)為4.16 kV或13.8 kV。采用高頻交流電制與采用低頻交流電制相比，具有以下優(yōu)勢(shì)［3］:

1)變壓器磁芯體積和重量更小。由于變壓器磁芯的橫截面積與工作頻率成反比，因此240 Hz變壓器磁芯重量?jī)H為60 Hz的1/4。

2)減少諧波濾波器數(shù)量。推進(jìn)電機(jī)可使用3相或多相變壓器，母線(xiàn)中電流諧波可顯著減少，甚至可不使用諧波濾波器。

3)利于子系統(tǒng)間絕緣。使用高功率密度變壓器將所有負(fù)載與母線(xiàn)隔開(kāi)。變壓器減小了電力變換器的瞬態(tài)電流，限制了接地故障的影響、瞬態(tài)過(guò)壓和電力變換器的故障電流。

4)降低噪聲。工作頻率大于60 Hz時(shí)，在基頻下設(shè)備振動(dòng)(如變壓器)噪聲吸收情況好于工作頻率為60 Hz的設(shè)備。240 Hz設(shè)備的噪聲吸收強(qiáng)度是60 Hz的6.5倍。此外，吸收高頻噪聲設(shè)備的體積和重量更小。

采用高頻交流電制需要解決以下技術(shù)問(wèn)題:

1)原動(dòng)機(jī)需使用增速齒輪箱或大極數(shù)發(fā)電機(jī)。對(duì)于中速柴油機(jī)，需要使用增速齒輪箱才能達(dá)到240～360 Hz。轉(zhuǎn)速3 600 r/min的燃?xì)廨啓C(jī)需要使用增速齒輪箱才能達(dá)到240 Hz以上。而轉(zhuǎn)速在7 200～1 4000 r/min的高速燃?xì)廨啓C(jī)或蒸汽輪機(jī)可直接使用常規(guī)同步發(fā)電機(jī)。原動(dòng)機(jī)油耗較高。由于發(fā)電機(jī)頻率是轉(zhuǎn)速的倍數(shù)，對(duì)原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速應(yīng)嚴(yán)格限制，可能使原動(dòng)機(jī)油耗較高或動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差。

2)運(yùn)行頻率高于60 Hz時(shí)將降低電纜和開(kāi)關(guān)保護(hù)設(shè)備的功率因數(shù)。初步研究表明，民用240 Hz斷路器的功率因數(shù)僅為0.7。

3)增大接地故障電流。由于接地故障電流是接地線(xiàn)寄生電容的函數(shù)。電容阻抗與頻率成反比，頻率增加時(shí)，接地線(xiàn)阻抗下降，會(huì)產(chǎn)生更高的接地故障電流。

4)電纜安裝存在電磁干涉、電磁兼容和感應(yīng)熱問(wèn)題。電磁干涉可能會(huì)對(duì)電纜附近的系統(tǒng)和設(shè)備產(chǎn)生負(fù)面影響，感應(yīng)熱會(huì)影響電纜通道。需采用更大的設(shè)備隔離或采用非磁性電纜支架。

5)需建立連接岸電的方法?？堪稌r(shí)，艦上可將60 Hz岸電轉(zhuǎn)換成高頻交流電或岸上可直接提供高頻交流電。

6)缺乏高頻設(shè)備的試驗(yàn)設(shè)施。設(shè)備供應(yīng)商不具備60 Hz以上頻率設(shè)備的試驗(yàn)設(shè)備與設(shè)施，應(yīng)建立專(zhuān)用試驗(yàn)設(shè)備與設(shè)施。

7)高頻下發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行問(wèn)題。高頻運(yùn)行減少了發(fā)電機(jī)斷路器接近并網(wǎng)發(fā)電機(jī)的窗口時(shí)間。目前尚不清楚，現(xiàn)有斷路器和并網(wǎng)控制器在較短窗口時(shí)間下的運(yùn)行能力。

8)相比低頻交流電制，高頻交流電制功率因數(shù)更小。功率因數(shù)小會(huì)增加發(fā)電機(jī)和電纜的容量。

1.3 直流電制

采用直流電制具有如下優(yōu)勢(shì):

1)由于不受頻率限制，可降低原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，無(wú)需使用減速或增速齒輪箱，發(fā)電機(jī)極數(shù)也不受限制。甚至可改變發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，使原動(dòng)機(jī)在最佳效率下運(yùn)行。英國(guó)海軍認(rèn)為用可調(diào)速的高速發(fā)電機(jī)，既可減小發(fā)電機(jī)的體積，又能使原動(dòng)機(jī)根據(jù)負(fù)荷情況在最佳轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。

2)電力轉(zhuǎn)換設(shè)備運(yùn)行頻率量級(jí)要高于高頻交流電制，使變壓器體積更小;電纜的電磁干涉和兼容優(yōu)于交流電制;電力電子器件與電磁設(shè)備連接更緊密，控制故障能力優(yōu)于交流電制;聲性能優(yōu)于交流電制;發(fā)電機(jī)并網(wǎng)只需電壓匹配，無(wú)需相位和頻率匹配;系統(tǒng)更緊湊，功率密度更高，可滿(mǎn)足未來(lái)高功率負(fù)載的電力需求。

采用直流電制需要解決以下技術(shù)問(wèn)題:

1)需專(zhuān)門(mén)研制直流開(kāi)關(guān)、電力電子器件和先進(jìn)的控制設(shè)備。常規(guī)交流斷路器電流不能過(guò)零熄弧，因此在直流電制中不能使用。直流電制可使用電力電子器件和先進(jìn)的控制設(shè)備，在大故障電流產(chǎn)生前就能快速發(fā)現(xiàn)并隔離故障。電力電子器件設(shè)計(jì)要具有瞬態(tài)穩(wěn)定性并限制可能的瞬態(tài)過(guò)壓。為此，需開(kāi)發(fā)故障探測(cè)與隔離的電力電子器件和控制設(shè)備工程應(yīng)用方法與標(biāo)準(zhǔn)。還要開(kāi)發(fā)新型故障探測(cè)與隔離設(shè)備。

2)應(yīng)建立控制原動(dòng)機(jī)功率及在發(fā)電模塊間分配負(fù)載的方法。在交流電制中，通過(guò)原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制器調(diào)節(jié)和分配有功功率，利用電壓調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)和分配無(wú)功功率。而直流電制中，沒(méi)有電壓調(diào)節(jié)器控制的無(wú)功功率(不考慮諧波電流)。因此，需開(kāi)發(fā)將電壓調(diào)節(jié)連接到原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制器與其他發(fā)電模塊交互負(fù)載共享數(shù)據(jù)的方法。

3)需建立直流電制的接地策略。該策略可影響電力轉(zhuǎn)換模塊中電流絕緣的尺寸和重量，電力轉(zhuǎn)換模塊具有產(chǎn)生接地故障電流的風(fēng)險(xiǎn)。

4)開(kāi)發(fā)直流電制下電力品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。電力品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)將影響濾波器和負(fù)載的體積、重量和費(fèi)用，建立標(biāo)準(zhǔn)和優(yōu)化全系統(tǒng)的性能和費(fèi)用。

5)缺少工業(yè)基礎(chǔ)。直流電制的直流開(kāi)關(guān)、電力電子器件和故障探測(cè)與隔離設(shè)備的民用市場(chǎng)有限，海軍要承擔(dān)絕大部分研制與應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)。

6)需建立連接岸電的方法?？堪稌r(shí)，艦上可將60 Hz岸電轉(zhuǎn)換成直流電或岸上可直接提供直流電。

2 相關(guān)技術(shù)研制進(jìn)展

2.1 美國(guó)

美國(guó)海軍正在發(fā)展高頻交流電制的相關(guān)技術(shù)，海上系統(tǒng)司令部授予柯蒂斯·賴(lài)特流體控制公司電機(jī)分部高速、高頻、液冷發(fā)電機(jī)的研制合同，以驗(yàn)證高頻交流電制下中等功率等級(jí)的發(fā)電機(jī)。該發(fā)電機(jī)由轉(zhuǎn)速7 000 r/min的LM-1600高速燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動(dòng)，發(fā)電機(jī)功率為14 MW，輸出電的頻率為233 Hz，電壓為6 600 V。驗(yàn)證工作已于2008年在費(fèi)城陸上試驗(yàn)站展開(kāi)。此外，該分部還針對(duì)高頻電制進(jìn)行設(shè)計(jì)并驗(yàn)證了高壓旋轉(zhuǎn)設(shè)備的絕緣系統(tǒng)［5］。

2.2 英國(guó)

英國(guó)海軍認(rèn)為，直流電制的難點(diǎn)是維持系統(tǒng)的穩(wěn)定性，原因是許多負(fù)載本身就是雙向的，可利用主動(dòng)控制補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)雙向負(fù)載的故障保護(hù)。此外，可在電力電子變換器中嵌入故障保護(hù)功能控制電源阻抗，即在新型保護(hù)電器的研制中采用電力電子變換器與固態(tài)斷路器集成的概念。

英國(guó)海軍針對(duì)直流電制主要研究以下幾項(xiàng)技術(shù)［4］:

1)先進(jìn)故障探測(cè)和保護(hù)裝置。直流配電系統(tǒng)利用電流反饋可快速實(shí)現(xiàn)故障分類(lèi)和定位。英國(guó)海軍開(kāi)展的相關(guān)項(xiàng)目將首先研究采用主動(dòng)故障保護(hù)方案的可行性;其次，判斷主、被動(dòng)行波故障保護(hù)方案是否更好;最后，開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證直流保護(hù)策略，利用電力電子器件限制和減小故障水平及重構(gòu)系統(tǒng)，以便為負(fù)載連續(xù)供電。

2)先進(jìn)推進(jìn)電機(jī)。先進(jìn)推進(jìn)電機(jī)是科孚德(Converteam)公司正在研制的功率為15 MW的新一代緊湊型艦船直流推進(jìn)電機(jī)。其功率密度將達(dá)到同等直流電機(jī)的3倍，而體積和重量?jī)H是目前先進(jìn)感應(yīng)電機(jī)的80%。2010年第一季度，1臺(tái)15 MW串接式的先進(jìn)推進(jìn)電機(jī)樣機(jī)在工廠試驗(yàn)完成了滿(mǎn)功率演示驗(yàn)證(見(jiàn)圖 2)［6］。

圖2 先進(jìn)推進(jìn)電機(jī)示意圖Fig.2 Schematic view of advanced propulsion motor

3)故障限流裝置?？奇诘鹿鹃_(kāi)發(fā)和驗(yàn)證直流電制輸配電的相關(guān)技術(shù)，包括利用電流反饋電路限制故障電流以及故障識(shí)別與清除，近年將在陸上試驗(yàn)站進(jìn)行試驗(yàn)。目前的工作重點(diǎn)是降低設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)，開(kāi)發(fā)算法、設(shè)計(jì)配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)直流配電的陸上試驗(yàn)。

3 結(jié)語(yǔ)

未來(lái)艦船綜合電力系統(tǒng)采用直流電制是發(fā)展的大趨勢(shì)，而直流保護(hù)電器又是其中最大的技術(shù)瓶頸，針對(duì)直流保護(hù)電器需重點(diǎn)解決保護(hù)電器的開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)和控制方法問(wèn)題。美英海軍認(rèn)為，直流電制下最有前途的保護(hù)方法就是將電力電子器件與固態(tài)斷路器集成，利用電力電子器件控制電源阻抗，將控制和保護(hù)功能統(tǒng)一。目前英國(guó)科孚德公司已在WestStone建立了直流演示驗(yàn)證裝置，測(cè)試直流斷路器、FoldBack控制策略的可行性。

［1］DOERRY N.Next generation integrated power system NGIPS technology development roadmap［Z］.Naval Sea Systems Command，2007.

［2］Open ArchitectureApproach forthe NextGeneration Integrated Power System［ED/OL］.http://www.derry.org

［3］VIJLEE S Z，OUROUA A，DOMASCHK L N，et al.Beno.Directly-Coupled gasturbinepermanentmagnet generator sets for prime power generation on board electric ships［A］.IEEE Electric Ship Technologies Symposium［C］，2007.

［4］BUTCHER M，PARVIN P S，MALTBY R.Compact DC power and propulsion systems-the definitive solution?［A］.IEEE Electric Ship Technologies Symposium［C］，2009.

［5］Advanced Propulsion Motor［ED/OL］.http://www.converteam.com.