国外舰艇综合电力系统研究综述

陈 锋，曹洪涛，刘 洋，宋 杨

(1. 海军991工程办公室，北京 100161；2. 海军驻沈阳地区舰船配套军事代表室，辽宁 沈阳 110184；3. 中国船舶重工集团公司第七一四研究所，北京 100101)

国外舰艇综合电力系统研究综述

陈 锋1，曹洪涛2，刘 洋3，宋 杨3

(1. 海军991工程办公室，北京 100161；2. 海军驻沈阳地区舰船配套军事代表室，辽宁 沈阳 110184；3. 中国船舶重工集团公司第七一四研究所，北京 100101)

舰艇综合电力系统实现了全舰能源的综合利用，是舰艇平台由机械化向电气化和信息化发展的必由之路，代表现代舰艇动力平台的发展方向。本文通过对国外舰艇综合电力系统应用现状、技术状态、军事意义及未来发展趋势进行分析梳理，供相关人员参考。

舰艇；综合电力系统

0 引 言

2016年美国海军DDG 1000驱逐舰的服役，拉开了综合电力系统应用于美海军作战舰艇的序幕，而舰艇综合电力系统也成为多国未来舰艇发展应用的方向。鉴于综合电力系统复杂的配电系统及设备所需要占用的大量舰艇空间，使得综合电力系统在水面舰艇上的发展应用顺利，而在潜艇上应用仍然处于试验测试阶段。目前，水面舰艇综合电力系统发展已初步成熟，以2009年服役的英国45型驱逐舰、2016年服役的美国DDG 1000驱逐舰以及正在建造的英国CVF型航母等应用燃气轮机综合电力系统为代表。

此外，美海军已经明确在其下一代战略与攻击型核潜艇应用综合电力系统。美国最先尝试核潜艇上探索应用综合电力系统，应用螺旋式发展道路，即先从研究电力推进技术开始，逐渐过渡到探索综合电力系统在核潜艇上的应用。20世纪50–60年代美国运用2艘核潜艇（“白鱼”号和“格莱纳德•利普斯科姆”号）验证了电力推进在潜艇上应用的相关技术；20世纪80年代后，美国提出要在未来攻击型核潜艇上采用综合电力系统；2004年美海军提出了针对新一代“弗吉尼亚”级核潜艇的Tango Bravo计划，其实质是在未来核潜艇上采用全电力推进；2013年美海军全电船项目计划办公室（PMS 320）提出海军动力系统发展路线图，提出包括下一代战略核潜艇在内的未来综合全电力推进舰艇计划；2015年，美国海军完成了潜艇综合电力系统兼容性测试相关设施的配置工作，用于潜艇综合电力系统兼容性检测；2016年，美海军提出安静型推进系统项目，计划在“俄亥俄”级替代艇及新一代攻击型核潜艇上采用综合电力推进系统，全面消除当前存在的潜艇相关齿轮传动系统噪声，而相关技术的测试工作将在第5批之后的“弗吉尼亚”级潜艇上进行。

1 舰艇综合电力系统技术状态

当前，综合电力系统已在水面舰艇装配应用，并没有应用于潜艇，但舰艇综合电力系统在技术运用方面具有一定的通用性，现主要以水面舰艇综合电力系统技术发展现状作为参考，对当前舰艇综合电力系统技术状态进行梳理。

1.1 综合电力系统电制的选择由交流电制向直流电制方向发展

综合电力系统设计首先应该确定系统的电制，即系统的电流种类、线制、额定频率和额定电压。电制不仅决定了舰艇电力系统总体方案的技术路线，而且还对舰艇电气设备的生产和供应体系产生重大影响，在舰艇运行中又会涉及舰艇与停靠港口码头以及协同工作的其他舰艇之间的电气接口问题。因此，确定电制是综合电力系统设计的首要内容。

美国DDG 1000驱逐舰、英国45型驱逐舰和CVF航母设计时间均在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。由于未来舰艇高能武器的装配应用，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，已不再能满足要求。美国海军在规划舰艇综合电力系统电制的发展中，提出将由目前的交流低频电制逐渐过渡到直流电制。英国的舰艇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、层压母线等。

1.2 燃气轮机低频交流发电机组技术趋于成熟，并不断推进燃气轮机高频交流发电技术发展

美海军在2015年发布的《海军电力与能源系统技术发展路线图》中指出，低频交流发电机发展已经趋于成熟，频率为200～400 Hz高频交流发电技术不断发展，而未来将采用交流发电机组，通过整流产生直流电，供主电网使用。

目前，美海军认为采用交流高频燃气轮机发电机组的功率密度可达到交流低频燃气轮机发电机组功率密度的4倍以上，国外燃气轮机低频交流发电机组技术已十分成熟，其中以美国DDG 1000驱逐舰上MT-30燃气轮机发电机组性能最为突出，该发电机组包括箱装体和辅助系统在内整个交流发电机组的重为120 t，功率密度为300 kW/t，最大连续功率35 MW，转速3 600 r/min，输出电压11 kV。

在高频交流燃气轮机发电机组相关技术的发展方面，美海军提出了2种高频交流燃气轮机发电机组方案，第1种是使用高转速的LM 1600燃气轮机（转速为7 000 r/min）做原动机，第2种是使用LM 2500+燃气轮机带VECTRA40燃气轮机动力涡轮（转速为6 200 r/min）。这2种方案均为原动机直接带发电机，未使用增速齿轮箱。而美国柯蒂斯•赖特流体控制公司已经于2008年进行了高频水冷发电技术的验证工作，采用LM 1600作为原动机，成功实现了233 Hz，6 600 V高频高压交流电的输出，而发电机的功率已经达到14 MW。

1.3 综合电力舰艇均采用先进感应电机，新型电机稳步发展

推进电机功率主要与舰艇航速和排水量有关，传统推进方式通过齿轮箱耦合电机与螺旋桨以匹配机浆转速，而采用综合电力系统技术的舰艇推进，用低速电机直接驱动螺旋浆，减小了来自齿轮箱的振动噪声，但降低电机转速，将会导致电机体积增加，对于空间有严格限制的海上作战平台而言，满足要求的推进电机是综合电力系统能否装舰使用最重要的设备。

目前，英国45型驱逐舰、CVF航母和美国DDG 1000驱逐舰均采用先进感应电机。此外，美海军针对驱逐舰综合电力系统还研制了永磁推进电机、高温超导推进电机和低温超导单极推进电机。

先进感应推进电机是一种大极距的空气冷却感应电机，在各类民用船舶电力推进装置上使用极为广泛，它们的扭矩密度为1.07 kgm/kg。

永磁推进电机是一种以永磁体工作的电机，它具有非常良好的功率密度，即尺寸小、重量轻，是一种比较理想地解决水面舰艇综合电力系统紧凑性的电机设备，而先进永磁推进电机实现高扭矩密度系通过永磁电机的固有特性来实现，即气隙场与极距的关系并不特别大。另一方面，永磁电机的气隙场更多地取决于径向气隙和磁铁的厚度，因此，永磁电机能设计成相对短的极距，使电动机的磁增长大为减少。因此，在比较中等的剪切应力（0.70～1.41 kg/cm2）时，永磁电机比高温超导电机一般有较高的磁力密度（单位磁体重量的力），从而它们有稍大的直径和较低的重量密度。

高温超导推进电机依靠使用超导场线圈产生气隙场。此气隙场比普通铁芯电机的气隙场高得多。为了利用这些高气隙场（＞4 T），高温超导电机一般采用与铁磁齿无关的“无槽电机”，但仍然使用铁磁背铁，使磁场泄漏保持在允许范围内。再有，高温超导推进电机的高扭矩密度系通过它发出的极高的磁场剪切应力得到。此磁场剪切应力的等级大约为2.8～3.5 kg/cm2（40～50 psi）。其虽然是场励磁，但趋于大极距的趋向使它们单位面积的重量相对较大。因此，高扭矩密度的高温超导推进电机比其他电机有直径较小和重量密度较高的趋势。

1.4 电力电子变换器以脉冲宽度调制变换方式为主要手段

电力电子变换器是综合电力系统最重要的设备之一，是推进电机变流、调频、调速所必需的设备。水面舰艇综合电力系统今天能够得到这样快速的发展，受到国外海军的高度重视，除其他相应的重要设备如推进电机等有重大的进展以外，最主要的原因在于电力电子变换技术的进步，特别是半导体电力电子器件技术的划时代进展。

目前，采用综合电力系统的水面舰艇主要选择脉冲宽度调制变换器，具有功率密度低、输出谐波少和控制性能好的优点。而且，其控制对象也比较灵活，既可以是同步电机，也可以是感应电机和永磁电机。英海军45型驱逐舰及CVF航母和美海军DDG 1000驱逐舰均采用的是CONVERTEAM公司的VDM-25000脉冲宽度调制变换器。该变换器是一种模块化的多相电压源逆变器，具有冗余度大、可用性高、装置密度高、抗冲击性强、能使用未经处理的水冷却系统等优点。DDG 1000驱逐舰变换器15相，均在1个机柜中、体积为26 m3、重量为17 t，IGBT变换器电压为3.3 kV；45型先进感应电机变换器15相，在3个机柜中、体积为23 m3、重量为21 t、IGBT变换器电压为1.6 kV。

1.5 超导磁能量存储、飞轮及电容储能等储能装置成为研究重点

综合电力系统优势在于能够实现全舰能源的综合利用，运用能量存储系统以应对全舰负荷的瞬时骤变。此外，综合电力系统的配电系统也需要储能装置，在母线出现故障后，通过储能装置还需要承担重要负载的供电。

美国得克萨斯大学研究表明，适合舰艇使用的储能装置主要是蓄电池、蓄热器、飞轮和超导磁能量存储装置。这些储能装置能量密度对比情况如图5所示。从中可以看出，在大型储能系统中超导磁能量存储装置、STL飞轮、镍氢电池能量密度较高，在小型储能系统中紧凑型飞轮和燃料电池能量密度较高，在未来储能系统中纳米飞轮的功率密度将有很大提高。

鉴于镍氢电池技术已经成熟，美国目前针对舰艇综合电力系统储能装置的重点研究方向包括超导磁能量存储装置、飞轮和电容储能等几种。

2 综合电力系统对舰艇发展的影响

剖析舰船采用综合电力系统后将对舰艇总体、武器配备、主要机电设备和推进装置等产生重大影响。

2.1 对舰艇总体的影响

1）布置灵活

综合电力系统采用低转速、高扭矩的推进电机直接驱动螺旋桨，可省去传统机械推进舰艇原动机与螺旋桨之间的齿轮箱，并缩短了推进轴系，提高了舰艇布置灵活性。从而可节省更多的空间，增大了舰艇有效负载的空间。

2）降低噪声信号，提高隐身能力

通过发电机组的灵活布置，可延长综合电力系统原动机向水中传递结构噪声的路径，可降低原动机的声信号。如图6所示，CVF航母的MT-30燃气轮机发电机组就布置在航母4层甲板，即机库甲板上。取消了原动机和螺旋桨之间的齿轮箱，完全消除了齿轮箱的噪声。

3）提高生命力

综合电力系统可显著缩短推进轴系，推进电机的位置可更靠近螺旋桨，使综合电力系统的原动机分散布置在不同的舱室内成为可能，舰艇遭到攻击后，降低了原动机同时损毁的概率，提高了生命力。

4）提高机动性

综合电力系统中，由电机驱动螺旋桨，可在不改变原动机及发电机工况的情况下，利用变换器调节电机转速和方向，实现舰船航速调整及正倒车控制。

5）节省燃油

与传统的有2套燃气轮机（1套用于推进，1套用于发电）的机械推进系统相比，使用综合电力的推进系统能减少舰的燃油消耗。美国国会研究中心报告指出，采用综合电力系统的海军战舰比采用相同原动机的战舰能节约10%～25%的燃油，而水面舰船能节约15%～19%的燃油。此外，舰船采用电力推进还可使用新的推进器和舰尾结构，如吊舱推进器还能进一步降低舰的油耗，因为它能改进了水动力效率。

2.2 对武器配备的影响

1）为高能武器上舰铺平道路

综合电力系统最大的优势是可以实现推进用电和日用电（包括作战系统用电）之间的调配使用，当日用电不足以支持高能耗设备（如电磁弹射器）用电时，可以调用推进用电。以DDG 51驱逐舰为例，其推进功率是78 MW，发电功率仅为7.5 MW，根本无法满足电磁轨道炮和自由电子激光器的电力需求。而DDG 1000驱逐舰的发电功率就为78 MW，完全满足这些高能武器的要点需求。

2）采用大功率电子设备成为可能

以采用机械推进的DDG 51驱逐舰为例，其推进功率是78 MW，发电功率是7.5 MW。根据DDG 51 FlightⅢ型驱逐舰的发展计划，为配备14 MW大功率雷达就和节约燃油，该舰将采用机电混合式推进系统以为日用电系统提供更多的电力。而采用综合电力系统其发电量远远高于机电混合式推进系统，则更利于雷达等大功率电子设备上舰。

2.3 对主要机电设备的影响

美国海军潜艇无轴推进的一项研究工作是利用电力执行机构代替液压执行机构。美国DDG 1000驱逐舰的自动损管系统和自动灭火系统均实现了电气化和自动化，可显著减少监控系统人员的战位。舰艇采用综合电力系统后便于机电设备实现电气化和自动化。

2.4 对推进装置的影响

1）取消调距桨

从英国CVF航母、45型驱逐舰和美国DDG 1000驱逐舰的配置来看，均采用定距桨。而此前，英国42型驱逐舰和美国DDG-51级驱逐舰均采用调距桨实现倒车。采用综合电力系统后，推进电机通过改变转动方向，就可实现倒车，而无需使用调距桨。

2）催生新型推进器

采用电力推进后，使螺旋桨和推进电机相互集成以及推进电机在舰艇外布置成为可能。如法国“西北风”级两栖攻击舰采用的吊舱推进器和美国正在研制的轮缘推进器均具有上述2个特点。

3 综合电力系统未来发展趋势

综合电力系统的未来发展目标是实现包括潜艇在内全系列舰艇的装配，目前，美国海军DDG 1000、英国45型驱逐舰采用的综合电力系统均属于一代技术，只能适用于排水量6 000 t以上的舰艇，为了实现1 000 t以上排水量舰艇均能应用，以美国为主的西方国家正竞相开展二代技术探索研究，主要技术发展体现在以下方面：

1）发电系统，采用高速集成中压整流发电方式替换当前中压交流工频同步发电方式；

2）输电系统，将以中压直流输电技术取代当前采用的中压交流工频输电形式；

3）配电系统，将运用直流区域变配电装置取代当前交流变压器或直流区域变配电装置；

4）推进系统，将运用更为先进的永磁或高温超导电机以替换当前已采用的先进感应电机，并运用基于高度集成组件或SiC的推进变频器取代当前舰艇装备的基于IGBT推进变频器；

5）储能系统，将运用超级电容、集成式惯性储能或复合储能取代当前以蓄电池为基础的储能装置；

6）能量管理系统，运用智能型管理系统，以实现电力系统的智能化管理。

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Summary of overseas warship's integrated power system

CHEN Feng1, CAO Hong-tao2, LIU Yang3, SONG Yang3

(1. Naval 991 Engineering Office, Beijing 100161, China; 2. Navy Military Representative Office of Ship Supporting in Shengyang Area, Shenyang 110184, China; 3. The 714 Research Institute of CSIC, Beijing 100101, China)

The integrated utilization of the ship's power system, is the way for the development of ship's platform from the mechanization to the electrification and informationization. It represents the development direction of the modern ship's power platform. It is proposed that the ship's integrated application of the power system State, military significance and future development trend analysis, for the relevant units.

naval ressels；integrated power system

U664

A

1672 – 7649(2017)09 – 0001 – 05

10.3404/j.issn.1672 – 7649.2017.09.001

2017 – 06 – 12

陈锋(1796 – )，男，工程师，主要从事船舶动力装置设计研究。