美国综合电力推进技术发展综述

2010-07-25张狄林

船电技术 2010年12期

张狄林

（海军驻湖南地区代表室, 湖南 411101）

1 引言

综合电力系统对于舰船改善操纵性能、降低噪声、增加有效舱容、提高战斗力、增强生命和经济性等方面都具有明显优势。从20世纪八十年代开始，世界上各主要大国都在大力开发以综合电力推进系统为基础的船舶，进入20世纪九十年代，美国提出并开始了新型舰船综合电力系统（IPS）的研究与开发，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。综合电力系统采用集成化的方式实现供电、输电、配电及能量的转换，并由于其固有的优势已成为舰船动力系统发展的趋势，是未来大型舰船使用高能武器系统（如电磁弹射、电磁轨道炮、高功率雷达及激光武器）的新型动力技术。综合电力系统技术的发展一直将舰船环境下的高功率密度、高可靠性、能购性、能达性及高效率等作为重点考核指标，并由此也从最初的综合电力技术衍生出美国所谓下一代综合电力技术（NGIPS）[1]，并最终体现在综合电力系统中发电、推进、储能、电能控制、平台负载、配电及能量转换各模块单元设备的关键技术当中。

2 美国下一代综合电力系统（NGIPS）的发展规划[1]

2.1 美国下一代综合电力系统发展蓝图

上个世纪九十年代，美国提出并开始了综合电力系统的研究，目前美国综合电力系统技术的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。根据未来舰船对大容量、功率密度、效率、可靠性等指标更高的要求，美国制定了NGIPS的发展蓝图，见图1。按照时间阶段划分，NGIPS可分为两个阶段，分别为近期发展规划及远期发展规划；按照发电模式划分，可分为中压交流及中压直流，其中交流部分又可以分为60 Hz交流及200～400 Hz高频交流两个阶段。基于美国综合电力技术发展及设备采购开放式结构体系，中压交流60 Hz综合电力系统与DDG-1000型所采用的技术在本质上区别不大，在基本满足舰船综合电力系统需求的前提下，该阶段主要是考虑目前工业基础情况下整个综合电力系统的技术可达性及设备采购的能购性问题。为了进一步提高整个综合电力系统的功率密度并且在考虑传统系统保护策略的有效性的前提下，在中压交流60 Hz的基础上进一步开展200～400 Hz高频综合电力系统的研究，尽可能地提高综合电力系统中的相关大型设备（包括发电模块、变压器等）的功率密度，扩展舰船的有效舱容。中压交流综合电力系统的典型特征是高速发电模块（包括同步发电技术、永磁发电技术及超导发电技术）、大量的通用化电能变换模块（包括AC/DC、DC/AC及DC/DC等）、先进的推进模块（包括先进感应电机推进、永磁电机推进及超导电机推进）。

图1 美国下一代综合电力系统（NGIPS）发展蓝图

交流综合电力系统中，为了负载电压等级的匹配、直流区域配电的实现并考虑系统故障重构的可能性，使用了大量的变压器（包括推进变压器、配电变压器）及AC/DC电能变换模块[2]。考虑到未来大功率武器应用对整个综合电力系统更高的功率密度及更高的电站容量需求，在交流综合电力系统的基础上制定了远期直流综合电力系统的发展规划。该系统中舰船高速发电模块发出的电能通过AC/DC大功率模块将交流电转换为直流电，并通过交流主电网向各负载模块供电，从而省去了交流综合电力系统中所大量使用的大容量变压器及AC/DC电能变化模块，为整个综合电力系统各模块的进一步优化设计成为可能，并最终实现整个综合电力系统功率密度的有效提高。综合来说，中压直流系统的优势有：原动机转速与母线电压频率解耦；电力变换设备运行在比HFAC系统高于一个数量级的频率上，可使用更小的变压器；减少HFAC系统的EMI和EMC问题；有减轻电缆重量的潜力，不存在交流系统中由于电压和电流相移导致的无功问题；更好的故障保护能力；更优的声学性能；并联发电机仅需要满足电压的匹配性；未来高功率负载具有更加紧凑的结构和高功率密度架构。

美国基于其NGIPS发展的近、远期规划及其发展战略需求，同时也初步制定了未来三十年相关NGIPS的造舰计划，如图2所示。

2.2 NGIPS所需解决的关键技术

美国NGIPS相关模块重点关注的问题如图3所示。基于NGIPS的三个阶段的发展规划见表1，上述关键技术问题是依据提高全系统功率密度、适应不同种类的电站及主电网型式、满足未来高压大功率需求、可靠性等方面展开的。例如：推进电机从先进感应延伸至永磁电机及超导电机；整流器在涵盖推进整流器的基础上，考虑要与高速发电机相配合，形成未来直流主电网供电模式，此时就需要考虑相应的高功率因数、谐波抑制及快速故障诊断及其保护等等因素，这些在本文中不再详细展开。