美英未来舰船综合电力系统电制选择分析

张义农，汤建华

(1.中国船舶重工集团公司第七一四研究所，北京 100192;2.中国舰船研究院，北京 100192)

0 引言

目前，在主战舰艇上采用综合电力系统的仅有英美2个国家。美国已在DDG－1000驱逐舰上采用，英国则在45型驱逐舰和CVF航母上采用。由于这些舰艇的设计时间均在20世纪80～90年代，因此，其电制均采用研制难度不大的交流低频电制。其中，美国DDG－1000驱逐舰的电压为13.8 kV、频率为60 Hz，英国45型驱逐舰的电压为4.16 kV、频率为60 Hz，英国CVF航母的电压为11 kV、频率为60 Hz。

由于大功率雷达、激光炮及电磁轨道炮等高能武器即将上舰，未来舰船用电量将急剧增高，现在的交流电制因其变换损失大，传输效率低，已不能满足要求。为此，2007年12月，美国海军发布了《下一代综合电力系统技术发展路线图》，规划舰船综合电力系统电制的发展，提出将由交流低频电制逐渐过渡到直流电制。英国舰船系统开发办公室目前也在投资研发直流电制相关技术，包括直流推进电机、保护电器、储能装置等。从两国目前的规划和技术研发来看，直流电制将是未来舰船综合电力系统发展的大趋势。

1 交、直流电制需要解决的技术问题

美英的研究表明，采用直流电制可显著提高舰船的可靠性和生命力，尤其在使用高功率储能设备时优势更为明显。采用直流电制还可减少转换损失，使系统更紧凑，效率更高，更易于与未来高能武器和传感器集成。对于相同质量的铜线，采用直流电制至少可增加22.47%的电能，并易于系统控制和重构。

美海军在《下一代综合电力系统技术发展路线图》中规划，近期将继续采用低频交流电制，电压为4～13.8 kV，频率为60 Hz;中期将采用高频交流电制，电压为4～13.8 kV，频率为200～400 Hz;未来将采用直流电制，电压为 6 kV［1］。

图1 美国综合电力系统电制发展路线图Fig.1 Development roadmap of US integrated power system

与美国不同，英国将从低频交流电制直接过渡到直流电制，而不研究高频交流电制的相关技术［2］。

1.1 低频交流电制

舰用交流电制分为低频交流电制和高频交流电制2种，频率60 Hz的为低频交流电制，频率200～400 Hz的为高频交流电制。目前所有现役或在建采用综合电力系统的舰船均采用低频交流电制。

低频交流电制是各种舰船上成熟使用的电制，标准电压分0.45，4.16，6.9，11，13.8 kV等几档，根据断路器正常工作电流及断开最大故障电流的级别可确定负载最大功率和供电母线的最大容量。

美国海军认为，使用低频交流电制，前期技术研发阶段不需要投入。但需要解决设备装舰使用、电力系统与舰上机械控制系统集成，以及全系统集成等工程问题。

1.2 高频交流电制

中压直流电制和高频交流电制的配电系统的基本结构是相同的，高频交流电制仅是低频交流电制和直流电制之间的一种过渡型式，其技术研发可为直流电制中相关技术的研究奠定基础，如直流区域配电技术。美国高频交流电制频率为200～400 Hz，电压等级为4.16 kV或13.8 kV。采用高频交流电制与采用低频交流电制相比，具有以下优势［3］:

1)变压器磁芯体积和重量更小。由于变压器磁芯的横截面积与工作频率成反比，因此240 Hz变压器磁芯重量仅为60 Hz的1/4。

2)减少谐波滤波器数量。推进电机可使用3相或多相变压器，母线中电流谐波可显著减少，甚至可不使用谐波滤波器。

3)利于子系统间绝缘。使用高功率密度变压器将所有负载与母线隔开。变压器减小了电力变换器的瞬态电流，限制了接地故障的影响、瞬态过压和电力变换器的故障电流。

4)降低噪声。工作频率大于60 Hz时，在基频下设备振动(如变压器)噪声吸收情况好于工作频率为60 Hz的设备。240 Hz设备的噪声吸收强度是60 Hz的6.5倍。此外，吸收高频噪声设备的体积和重量更小。

采用高频交流电制需要解决以下技术问题:

1)原动机需使用增速齿轮箱或大极数发电机。对于中速柴油机，需要使用增速齿轮箱才能达到240～360 Hz。转速3 600 r/min的燃气轮机需要使用增速齿轮箱才能达到240 Hz以上。而转速在7 200～1 4000 r/min的高速燃气轮机或蒸汽轮机可直接使用常规同步发电机。原动机油耗较高。由于发电机频率是转速的倍数，对原动机转速应严格限制，可能使原动机油耗较高或动态响应较差。

2)运行频率高于60 Hz时将降低电缆和开关保护设备的功率因数。初步研究表明，民用240 Hz断路器的功率因数仅为0.7。

3)增大接地故障电流。由于接地故障电流是接地线寄生电容的函数。电容阻抗与频率成反比，频率增加时，接地线阻抗下降，会产生更高的接地故障电流。

4)电缆安装存在电磁干涉、电磁兼容和感应热问题。电磁干涉可能会对电缆附近的系统和设备产生负面影响，感应热会影响电缆通道。需采用更大的设备隔离或采用非磁性电缆支架。

5)需建立连接岸电的方法。靠岸时，舰上可将60 Hz岸电转换成高频交流电或岸上可直接提供高频交流电。

6)缺乏高频设备的试验设施。设备供应商不具备60 Hz以上频率设备的试验设备与设施，应建立专用试验设备与设施。

7)高频下发电机并网运行问题。高频运行减少了发电机断路器接近并网发电机的窗口时间。目前尚不清楚，现有断路器和并网控制器在较短窗口时间下的运行能力。

8)相比低频交流电制，高频交流电制功率因数更小。功率因数小会增加发电机和电缆的容量。

1.3 直流电制

采用直流电制具有如下优势:

1)由于不受频率限制，可降低原动机转速，无需使用减速或增速齿轮箱，发电机极数也不受限制。甚至可改变发电机转速，使原动机在最佳效率下运行。英国海军认为用可调速的高速发电机，既可减小发电机的体积，又能使原动机根据负荷情况在最佳转速下运行。

2)电力转换设备运行频率量级要高于高频交流电制，使变压器体积更小;电缆的电磁干涉和兼容优于交流电制;电力电子器件与电磁设备连接更紧密，控制故障能力优于交流电制;声性能优于交流电制;发电机并网只需电压匹配，无需相位和频率匹配;系统更紧凑，功率密度更高，可满足未来高功率负载的电力需求。

采用直流电制需要解决以下技术问题:

1)需专门研制直流开关、电力电子器件和先进的控制设备。常规交流断路器电流不能过零熄弧，因此在直流电制中不能使用。直流电制可使用电力电子器件和先进的控制设备，在大故障电流产生前就能快速发现并隔离故障。电力电子器件设计要具有瞬态稳定性并限制可能的瞬态过压。为此，需开发故障探测与隔离的电力电子器件和控制设备工程应用方法与标准。还要开发新型故障探测与隔离设备。

2)应建立控制原动机功率及在发电模块间分配负载的方法。在交流电制中，通过原动机转速控制器调节和分配有功功率，利用电压调节器调节和分配无功功率。而直流电制中，没有电压调节器控制的无功功率(不考虑谐波电流)。因此，需开发将电压调节连接到原动机转速控制器与其他发电模块交互负载共享数据的方法。

3)需建立直流电制的接地策略。该策略可影响电力转换模块中电流绝缘的尺寸和重量，电力转换模块具有产生接地故障电流的风险。

4)开发直流电制下电力品质标准。电力品质标准将影响滤波器和负载的体积、重量和费用，建立标准和优化全系统的性能和费用。

5)缺少工业基础。直流电制的直流开关、电力电子器件和故障探测与隔离设备的民用市场有限，海军要承担绝大部分研制与应用风险。

6)需建立连接岸电的方法。靠岸时，舰上可将60 Hz岸电转换成直流电或岸上可直接提供直流电。

2 相关技术研制进展

2.1 美国

美国海军正在发展高频交流电制的相关技术，海上系统司令部授予柯蒂斯·赖特流体控制公司电机分部高速、高频、液冷发电机的研制合同，以验证高频交流电制下中等功率等级的发电机。该发电机由转速7 000 r/min的LM-1600高速燃气轮机驱动，发电机功率为14 MW，输出电的频率为233 Hz，电压为6 600 V。验证工作已于2008年在费城陆上试验站展开。此外，该分部还针对高频电制进行设计并验证了高压旋转设备的绝缘系统［5］。

2.2 英国

英国海军认为，直流电制的难点是维持系统的稳定性，原因是许多负载本身就是双向的，可利用主动控制补偿，实现双向负载的故障保护。此外，可在电力电子变换器中嵌入故障保护功能控制电源阻抗，即在新型保护电器的研制中采用电力电子变换器与固态断路器集成的概念。

英国海军针对直流电制主要研究以下几项技术［4］:

1)先进故障探测和保护装置。直流配电系统利用电流反馈可快速实现故障分类和定位。英国海军开展的相关项目将首先研究采用主动故障保护方案的可行性;其次，判断主、被动行波故障保护方案是否更好;最后，开发和验证直流保护策略，利用电力电子器件限制和减小故障水平及重构系统，以便为负载连续供电。

2)先进推进电机。先进推进电机是科孚德(Converteam)公司正在研制的功率为15 MW的新一代紧凑型舰船直流推进电机。其功率密度将达到同等直流电机的3倍，而体积和重量仅是目前先进感应电机的80%。2010年第一季度，1台15 MW串接式的先进推进电机样机在工厂试验完成了满功率演示验证(见图 2)［6］。

图2 先进推进电机示意图Fig.2 Schematic view of advanced propulsion motor

3)故障限流装置。科孚德公司开发和验证直流电制输配电的相关技术，包括利用电流反馈电路限制故障电流以及故障识别与清除，近年将在陆上试验站进行试验。目前的工作重点是降低设备风险，开发算法、设计配电系统结构，以实现直流配电的陆上试验。

3 结语

未来舰船综合电力系统采用直流电制是发展的大趋势，而直流保护电器又是其中最大的技术瓶颈，针对直流保护电器需重点解决保护电器的开发、设计和控制方法问题。美英海军认为，直流电制下最有前途的保护方法就是将电力电子器件与固态断路器集成，利用电力电子器件控制电源阻抗，将控制和保护功能统一。目前英国科孚德公司已在WestStone建立了直流演示验证装置，测试直流断路器、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.