航空母艦綜合電力系統(tǒng)技術(shù)的研究綜述

伍賽特

（上海汽車集團股份有限公司， 上海 200438）

引言

航空母艦是國家海防力量的重要象征，體現(xiàn)著一個國家的科研能力、經(jīng)濟水平與軍事實力。我國中國首艘自主建造的國產(chǎn)航母——山東艦于2019 年12 月17 日正式交付，由此充分體現(xiàn)了我國海防力量的突飛猛進。近年來，作為大型軍用艦艇的重要組成部分，綜合電力系統(tǒng)也逐漸走入了人們的視野。綜合電力系統(tǒng)是指艦船原動機全部用于發(fā)電[1-2]，整個艦船的所有用電負載均由同一電網(wǎng)分配和輸送的動力系統(tǒng)，其涵蓋了發(fā)電、輸電、配電、電力推進等多個子系統(tǒng)。本文就航空母艦用綜合電力系統(tǒng)技術(shù)為對象，開展了相關(guān)研究及展望。

1 艦船綜合電力系統(tǒng)技術(shù)

艦船綜合電力系統(tǒng)通常有兩個特征：一是推進完全采用電力；二是全部用電設(shè)備和武器（例如電磁軌道炮、電磁彈射器、雷達等）均由一個電網(wǎng)供電。航空母艦采用綜合電力系統(tǒng)的主要優(yōu)勢為提升航空母艦的作戰(zhàn)能力和更利于高能耗設(shè)備在艦船上的應(yīng)用。

1.1 綜合電力系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢

綜合電力系統(tǒng)最大的優(yōu)勢是可以實現(xiàn)推進用電和日用電（包括作戰(zhàn)系統(tǒng)用電）之問的調(diào)配使用，當日用電不足以支持高能耗設(shè)備（如電磁彈射器）用電時，可以調(diào)用推進用電，而不需要另外增加專用的發(fā)電機組。以英國伊麗莎白女王級航空母艦為例，總發(fā)電量為112 MW，滿功率推進狀態(tài)下，推進用電80 MW，日用電32 MW。若該級航空母艦未來裝備某種高耗能系統(tǒng)，這種系統(tǒng)運行時需10 MW 的日用電，在伊麗莎白女王級航空母艦沒有采用綜合電力系統(tǒng)的情況下，在高耗能系統(tǒng)運行時，日用電將僅剩22 MW；同樣情況下，采用綜合電力系統(tǒng)后卻可以統(tǒng)一調(diào)配推進用電和日用電，從推進用電中調(diào)用一定的電力，從而緩解日用電。

1.2 綜合電力系統(tǒng)的組成

綜合電力系統(tǒng)主要包括發(fā)電與推進電機、區(qū)域配電系統(tǒng)、電力電子變換器、儲能系統(tǒng)、保護電器等。

發(fā)電機組通常采用燃氣輪機發(fā)電機組，或柴油機發(fā)電機組與燃氣輪機發(fā)電機組相聯(lián)合，為推進電機和艦上日用電系統(tǒng)提供電力[3-5]。推進電機是直接驅(qū)動螺旋槳的設(shè)備，就硬件設(shè)備來說，滿足要求的推進電機是綜合電力系統(tǒng)能否裝艦使用最重要的設(shè)備。區(qū)域配電是相對以往輻射式配電的一種新方式。采用以左右舷的兩根母線配電，將全艦的配電系統(tǒng)按艙室分為幾個配電區(qū)。每根母線經(jīng)過每個區(qū)的負載中心和穿過全艦的各個配電區(qū)。航空母艦日用電系統(tǒng)采用區(qū)域配電系統(tǒng)，可提高艦艇持續(xù)作戰(zhàn)能力和生命力。電力電子變換器是綜合電力系統(tǒng)最重要的主要設(shè)備之一。它是推進電機變流、調(diào)頻、調(diào)速所必需的設(shè)備[6]。儲能系統(tǒng)可保證主發(fā)電機組除去推進用電外，為武器和其他負載提供必需的電力。由于負荷有瞬時驟變，因此，能量存儲系統(tǒng)也是必不可少的。綜合電力系統(tǒng)遍布全艦，一旦發(fā)生火災(zāi)、短路等問題，將產(chǎn)生無法估計的災(zāi)難，因此，保護電器同樣是綜合電力系統(tǒng)的重要設(shè)備之一。

2 航空母艦綜合電力系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

就目前而言，航空母艦綜合電力系統(tǒng)的建立，需解決推進電機、區(qū)域配電系統(tǒng)、電力電子變換器、儲能裝置、保護電器等幾方面技術(shù)難題。

2.1 推進電機

航空母艦綜合電力系統(tǒng)使用的推進電機，由于受安裝空間的限制，因此，要求其具有功率密度高、能量密度大、低轉(zhuǎn)速、大扭矩的特點。因此，就硬件設(shè)備來說，滿足要求的推進電機是綜合電力系統(tǒng)能否裝艦使用最重要的設(shè)備。

美國福特級航空母艦選型中也曾考慮采用綜合電力系統(tǒng)，但由于所需推進電機的單機功率要達到50 MW，美海軍認為研制和驗證50 MW 的推進電機在技術(shù)上風險較大，所以在福特級航空母艦首艦上將不采用綜合電力系統(tǒng)，仍采用機械推進。

推進電機的型式有先進感應(yīng)推進電機、永磁推進電機和高溫超導推進電機。在相同功率下，高溫超導推進電機的體積和重量是最小的，其次是永磁推進電機，最后是先進感應(yīng)推進電機。但就目前來說，國外先進感應(yīng)推進電機進展最快，已進入實用階段，永磁推進電機和高溫超導推進電機尚在試驗階段。

英國伊麗莎白女王級航空母艦綜合電力系統(tǒng)的方案中采用單機功率20 MW 的先進感應(yīng)推進電機，該電機與英海軍45 型驅(qū)逐艦采用的推進電機類似。為實現(xiàn)80 MW 的推進功率，該級航空母艦配備了4臺先進感應(yīng)推進電機，每兩臺電機串聯(lián)，驅(qū)動一個螺旋槳。從推進電機技術(shù)的發(fā)展來看，繼先進感應(yīng)推進電機首先在航空母艦上采用之后，永磁推進電機和高溫超導推進電機在航空母艦上使用是必然趨勢。

2.2 區(qū)域配電系統(tǒng)

區(qū)域配電系統(tǒng)的難點是系統(tǒng)設(shè)計，當某個分系統(tǒng)出現(xiàn)故障后，要求區(qū)域配電系統(tǒng)要迅速找出故障位置，在對受影響的母線恢復(fù)供電之前，打開相應(yīng)的隔離開關(guān)[7]，使故障的影響僅限于在一個配電區(qū)內(nèi)，而不影響其他配電區(qū)。此外，區(qū)域配電系統(tǒng)還要有重構(gòu)能力，局部配電系統(tǒng)戰(zhàn)損后，經(jīng)過區(qū)域配電系統(tǒng)的重構(gòu)，盡量保持整個系統(tǒng)的完整性和輸配電能力。區(qū)域配電系統(tǒng)也可以在沒有采用綜合電力系統(tǒng)的艦艇上應(yīng)用，將成為艦艇配電系統(tǒng)的主流。例如美國正在研制的“福特”號航空母艦（CVN-78）雖然沒有采用綜合電力系統(tǒng)，但采用了區(qū)域配電系統(tǒng)。

區(qū)域配電系統(tǒng)有兩種類型。一種稱為交流區(qū)域配電系統(tǒng)，采用交流電進行區(qū)域配電；一種稱為直流區(qū)域配電系統(tǒng)，采用直流電進行區(qū)域配電。目前對于大功率的航空母艦電力系統(tǒng)來說，交流區(qū)域配電系統(tǒng)更為成熟，例如美國福特級航空母艦就選用了交流區(qū)域配電系統(tǒng)。但采用直流區(qū)域配電系統(tǒng)是發(fā)展趨勢。

2.3 電力電子變換技術(shù)

電力電子變換器是水面艦艇綜合電力系統(tǒng)最重要的主要設(shè)備之一。其為推進電機變流、調(diào)頻、調(diào)速所必需的設(shè)備。水面艦船綜合電力系統(tǒng)今天能夠得到這樣快速的發(fā)展，受到國外海軍的高度重視，除其他相應(yīng)的重要設(shè)備如推進電機等有重大的進展以外，其最主要的原因就是近年來電力電子變換技術(shù)的進步，特別是半導體電力電子器件技術(shù)的劃時代的進展。如果沒有20 世紀80 年代以后半導體技術(shù)的重大發(fā)展，國外海軍要想在水面艦艇上采用綜合電力系統(tǒng)幾乎是不可能的。

目前中高壓大功率變換器所采用的電力電子器件按照容量及耐壓情況由高到低，主要有可控硅晶閘管（SCR）[8]、矩形脈沖斷開閘流晶體管（GTO）、GTR 功率晶體管、金屬氧化物場效應(yīng)晶閘管（MOSFET）、絕緣柵雙極晶閘管（IGBT）、集成門極換向晶閘管（IGCT），以及反向傳導門極斷開換向晶閘管（RCGCT）等等。正在研制的還有快速關(guān)斷器件（FTO）、金屬氧化物關(guān)斷晶閘管（MTO）和發(fā)射極關(guān)斷晶閘管（ETO）等。

從國外應(yīng)用情況來看，矩形脈沖斷開閘流晶體管GTO 很少使用，因為它構(gòu)成的變換器體積大，開關(guān)速度慢，驅(qū)動困難。集成門極換向晶閘管IGCT 是一種適于中壓大功率變換器的新型開關(guān)器件，其主器件稱為門極換向晶閘管GCT，是在矩形脈沖斷開閘流晶體管GTO 技術(shù)基礎(chǔ)上經(jīng)過一些技術(shù)改良后形成的新型器件。絕緣柵雙極晶閘管IGBT 相對于集成門極換向晶閘管IGCT 在容量和耐壓等級上相對較低，但是在開關(guān)速度和驅(qū)動功率方面要優(yōu)于IGCT。

2.4 儲能技術(shù)

使用電力推進系統(tǒng)的航空母艦，未來可能會使用電磁軌道炮等高能武器。儲能系統(tǒng)可為這些高能武器提供不少于40 MW 的電力。在目前研究的概念武器中，電磁軌道炮戰(zhàn)時耗電量最大，其次是激光武器。

目前已有多種儲能裝置在使用或正在發(fā)展之中，比較有發(fā)展前景的儲能裝置是飛輪儲能、超導磁儲能、電容和電池儲能裝置。

2.4.1 飛輪儲能裝置

飛輪儲能裝置設(shè)想始于20 世紀50 年代。進入90 年代以后，飛輪儲能裝置成為國際研究熱點之一。目前美國、英國、德國、日本、瑞士、加拿大、意大利等工業(yè)強國正在大力開展飛輪儲能裝置研究與開發(fā)，并取得了很大進展，開始由實驗室研究轉(zhuǎn)向試運行與實際應(yīng)用，并向產(chǎn)業(yè)化、市場化方向發(fā)展[9-10]。比如美國海軍電磁飛機彈射系統(tǒng)儲能裝置目前選用的是飛輪儲能裝置，其儲能系統(tǒng)每個飛輪儲能可達121 MJ 以上。

2.4.2 超導磁儲能裝置

超導磁能量儲存系統(tǒng)是一種儲存和能瞬時釋放出大量能量的裝置。它把能量儲存在超導材料線圈中的直流電所形成的磁場中。超導材料線圈由低溫冷卻。超導磁儲能系統(tǒng)在民用電站已經(jīng)使用數(shù)年，用以改善工業(yè)用電的品質(zhì)，以及為電壓敏感的各類用戶提供品質(zhì)優(yōu)良的電力服務(wù)。超導磁儲能系統(tǒng)可在幾分鐘內(nèi)充電完畢，能反復(fù)地充/放電數(shù)千次而不會使磁體的性能下降。比如美國超導體公司和通用電氣公司研制的一種分布式超導磁儲能系統(tǒng)，每臺裝置儲能能量為3 MJ，可有效實現(xiàn)充放電[11]。

超導磁儲能系統(tǒng)目前的儲存容量大約為10 MW。某些在研究的超導磁儲能系統(tǒng)有較高的存儲容量，達到數(shù)百兆瓦級，但放電能力只有1 s。理論上，半徑150～500 mm 的線圈能夠以1000 MW 的儲能支持500 MW·h 的負載，與峰值場和線圈的高度和直徑比有關(guān)。

2.4.3 電容儲能裝置

電容儲能裝置的關(guān)鍵設(shè)備是電容器。電容器具有放電快，便于組合等特點。目前最好的民用電容器，其功率密度是1～10 kW/kg，能量密度為1～300 J/kg。比如美國馬克斯韋爾研究所使用由計算機設(shè)計的超級薄膜的電容器，其能量密度達4.8 kJ/kg。奧本大學研制的一種金屬/絕緣型電容器，其能量密度已達30 kJ/kg。

目前，美海軍已選擇電容器為電磁炮的候選儲能設(shè)備，設(shè)想使用數(shù)個電容器組成超級電容器組，使總儲能達200 MJ，功率密度2.5 MJ/m3。輔助設(shè)備容積不超過總?cè)莘e的50%，最大充電功率為15 MW。

2.4.4 電池儲能裝置

電池儲能裝置使用的電池種類較多，目前在艦船上應(yīng)用最廣泛、技術(shù)最成熟的是鉛酸蓄電池；另外還可能用作水面艦艇綜合電力系統(tǒng)儲能裝置的是燃料電池[12]。鉛酸蓄電池作儲能裝置已有100 多年的使用歷史，至今仍是各國海軍主要備用應(yīng)急電源[13]。鉛酸蓄電池作儲能裝置主要是在潛艇上使用。比如美國俄亥俄級核潛艇使用的PDX-57 型鉛酸蓄電池，電池組由128 個單體電池組成，總儲能2.6 MWh，壽命為6 年。

2.5 保護電器技術(shù)

保護電器是對電路進行保護的重要設(shè)備，對于保護電器而言電壓越高越難分斷。未來綜合電力航空母艦必然采用中高壓輸配電，因此，綜合電力航空母艦使用的中高壓保護電器的分斷設(shè)計是比較困難的。保護電器中使用最普遍的是開關(guān)裝置。國外開關(guān)裝置近20 年來呈現(xiàn)智能化、網(wǎng)絡(luò)化，以及廣泛應(yīng)用仿真技術(shù)的趨勢。電力系統(tǒng)所用的開關(guān)，自20 世紀60 年代以來有很大發(fā)展。

在60 年代，空氣型和油斷路器主導了低壓和中壓開關(guān)市場[14]。其特點是低壓和中壓開關(guān)主要采用油或空氣作隔離介質(zhì)；當開關(guān)經(jīng)過幾次開斷后，需進行斷路器的維護和換油操作：帶有靈敏脫扣器的強力螺線管機械設(shè)備需要仔細地整定、調(diào)整和維護；可拆卸的斷路器增加了配電板的復(fù)雜性和體積；開關(guān)的重量和體積很大，強力螺線管機械設(shè)備也需要大而重的電池供電[15]。

在70 年代，開關(guān)設(shè)備的主要發(fā)展是出現(xiàn)了第一代真空斷路器和旋轉(zhuǎn)電弧SF6 型斷路器。它們的觸頭壽命長，所需的操作能量也小。SF6 型斷路器，其SF6 氣體在0.2 MPa，約50 mm 的間距下就可隔斷12 000 V、20 000 A 的故障電流。

真空斷路器和旋轉(zhuǎn)電弧SF6 型斷路器在80 年代有進一步的發(fā)展，主要表現(xiàn)在同等級下體積不斷縮小，價格有所降低。真空斷路器在90 年代已經(jīng)發(fā)展成為陸用電站中壓開關(guān)設(shè)備的首選。使用經(jīng)驗表明，其真空滅弧室的故障率幾乎為零。

在90 年代中，開關(guān)技術(shù)最顯著的進步是使用GVR 自動重合器，其中包括用磁力執(zhí)行器取代機械執(zhí)行器，以及采用其他一些新技術(shù)。采用磁力執(zhí)行器代表了中壓開關(guān)的發(fā)展方向，已在全世界普遍應(yīng)用。其可靠性可與真空滅弧室相比。

3 航空母艦綜合電力系統(tǒng)應(yīng)用前景展望

綜合電力系統(tǒng)對航空母艦作戰(zhàn)能力的貢獻主要有兩個方面：一是提高航空母艦機動能力。綜合電力系統(tǒng)中，由電機驅(qū)動螺旋槳，可在不改變原動機及發(fā)電機工況的情況下，利用變換器調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速和方向，實現(xiàn)航空母艦航速調(diào)整及正倒車控制。二是節(jié)省燃油，增大航程。據(jù)相關(guān)研究，采用綜合電力系統(tǒng)的海軍戰(zhàn)艦比采用相同的原動機的戰(zhàn)艦?zāi)芄?jié)約10%～25%的燃油，而像航空母艦這類艦船能節(jié)約15%～19%的燃油。在相同的燃油儲備情況下，采用綜合電力系統(tǒng)的航空母艦可以提高續(xù)航力。

4 結(jié)論

航空母艦在海防中所起到的作用可謂有目共睹，采用綜合電力系統(tǒng)可有效提升全艦機動性以及續(xù)航能力，從而顯著提升了全艦綜合作戰(zhàn)能力，進一步增強了國家海防力量，可謂方興未艾，來日可期！