航空母舰综合电力系统技术的研究综述

2020-02-17伍赛特

机械管理开发 2020年3期

伍赛特

（上海汽车集团股份有限公司，上海 200438）

引言

航空母舰是国家海防力量的重要象征，体现着一个国家的科研能力、经济水平与军事实力。我国中国首艘自主建造的国产航母——山东舰于2019 年12 月17 日正式交付，由此充分体现了我国海防力量的突飞猛进。近年来，作为大型军用舰艇的重要组成部分，综合电力系统也逐渐走入了人们的视野。综合电力系统是指舰船原动机全部用于发电[1-2]，整个舰船的所有用电负载均由同一电网分配和输送的动力系统，其涵盖了发电、输电、配电、电力推进等多个子系统。本文就航空母舰用综合电力系统技术为对象，开展了相关研究及展望。

1 舰船综合电力系统技术

舰船综合电力系统通常有两个特征：一是推进完全采用电力；二是全部用电设备和武器（例如电磁轨道炮、电磁弹射器、雷达等）均由一个电网供电。航空母舰采用综合电力系统的主要优势为提升航空母舰的作战能力和更利于高能耗设备在舰船上的应用。

1.1 综合电力系统的技术优势

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）之问的调配使用，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，而不需要另外增加专用的发电机组。以英国伊丽莎白女王级航空母舰为例，总发电量为112 MW，满功率推进状态下，推进用电80 MW，日用电32 MW。若该级航空母舰未来装备某种高耗能系统，这种系统运行时需10 MW 的日用电，在伊丽莎白女王级航空母舰没有采用综合电力系统的情况下，在高耗能系统运行时，日用电将仅剩22 MW；同样情况下，采用综合电力系统后却可以统一调配推进用电和日用电，从推进用电中调用一定的电力，从而缓解日用电。

1.2 综合电力系统的组成

综合电力系统主要包括发电与推进电机、区域配电系统、电力电子变换器、储能系统、保护电器等。

发电机组通常采用燃气轮机发电机组，或柴油机发电机组与燃气轮机发电机组相联合，为推进电机和舰上日用电系统提供电力[3-5]。推进电机是直接驱动螺旋桨的设备，就硬件设备来说，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。区域配电是相对以往辐射式配电的一种新方式。采用以左右舷的两根母线配电，将全舰的配电系统按舱室分为几个配电区。每根母线经过每个区的负载中心和穿过全舰的各个配电区。航空母舰日用电系统采用区域配电系统，可提高舰艇持续作战能力和生命力。电力电子变换器是综合电力系统最重要的主要设备之一。它是推进电机变流、调频、调速所必需的设备[6]。储能系统可保证主发电机组除去推进用电外，为武器和其他负载提供必需的电力。由于负荷有瞬时骤变，因此，能量存储系统也是必不可少的。综合电力系统遍布全舰，一旦发生火灾、短路等问题，将产生无法估计的灾难，因此，保护电器同样是综合电力系统的重要设备之一。

2 航空母舰综合电力系统关键技术

就目前而言，航空母舰综合电力系统的建立，需解决推进电机、区域配电系统、电力电子变换器、储能装置、保护电器等几方面技术难题。

2.1 推进电机

航空母舰综合电力系统使用的推进电机，由于受安装空间的限制，因此，要求其具有功率密度高、能量密度大、低转速、大扭矩的特点。因此，就硬件设备来说，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。

美国福特级航空母舰选型中也曾考虑采用综合电力系统，但由于所需推进电机的单机功率要达到50 MW，美海军认为研制和验证50 MW 的推进电机在技术上风险较大，所以在福特级航空母舰首舰上将不采用综合电力系统，仍采用机械推进。

推进电机的型式有先进感应推进电机、永磁推进电机和高温超导推进电机。在相同功率下，高温超导推进电机的体积和重量是最小的，其次是永磁推进电机，最后是先进感应推进电机。但就目前来说，国外先进感应推进电机进展最快，已进入实用阶段，永磁推进电机和高温超导推进电机尚在试验阶段。

英国伊丽莎白女王级航空母舰综合电力系统的方案中采用单机功率20 MW 的先进感应推进电机，该电机与英海军45 型驱逐舰采用的推进电机类似。为实现80 MW 的推进功率，该级航空母舰配备了4台先进感应推进电机，每两台电机串联，驱动一个螺旋桨。从推进电机技术的发展来看，继先进感应推进电机首先在航空母舰上采用之后，永磁推进电机和高温超导推进电机在航空母舰上使用是必然趋势。

2.2 区域配电系统

区域配电系统的难点是系统设计，当某个分系统出现故障后，要求区域配电系统要迅速找出故障位置，在对受影响的母线恢复供电之前，打开相应的隔离开关[7]，使故障的影响仅限于在一个配电区内，而不影响其他配电区。此外，区域配电系统还要有重构能力，局部配电系统战损后，经过区域配电系统的重构，尽量保持整个系统的完整性和输配电能力。区域配电系统也可以在没有采用综合电力系统的舰艇上应用，将成为舰艇配电系统的主流。例如美国正在研制的“福特”号航空母舰（CVN-78）虽然没有采用综合电力系统，但采用了区域配电系统。

区域配电系统有两种类型。一种称为交流区域配电系统，采用交流电进行区域配电；一种称为直流区域配电系统，采用直流电进行区域配电。目前对于大功率的航空母舰电力系统来说，交流区域配电系统更为成熟，例如美国福特级航空母舰就选用了交流区域配电系统。但采用直流区域配电系统是发展趋势。

2.3 电力电子变换技术

电力电子变换器是水面舰艇综合电力系统最重要的主要设备之一。其为推进电机变流、调频、调速所必需的设备。水面舰船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，其最主要的原因就是近年来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的进展。如果没有20 世纪80 年代以后半导体技术的重大发展，国外海军要想在水面舰艇上采用综合电力系统几乎是不可能的。

目前中高压大功率变换器所采用的电力电子器件按照容量及耐压情况由高到低，主要有可控硅晶闸管（SCR）[8]、矩形脉冲断开闸流晶体管（GTO）、GTR 功率晶体管、金属氧化物场效应晶闸管（MOSFET）、绝缘栅双极晶闸管（IGBT）、集成门极换向晶闸管（IGCT），以及反向传导门极断开换向晶闸管（RCGCT）等等。正在研制的还有快速关断器件（FTO）、金属氧化物关断晶闸管（MTO）和发射极关断晶闸管（ETO）等。

从国外应用情况来看，矩形脉冲断开闸流晶体管GTO 很少使用，因为它构成的变换器体积大，开关速度慢，驱动困难。集成门极换向晶闸管IGCT 是一种适于中压大功率变换器的新型开关器件，其主器件称为门极换向晶闸管GCT，是在矩形脉冲断开闸流晶体管GTO 技术基础上经过一些技术改良后形成的新型器件。绝缘栅双极晶闸管IGBT 相对于集成门极换向晶闸管IGCT 在容量和耐压等级上相对较低，但是在开关速度和驱动功率方面要优于IGCT。

2.4 储能技术

使用电力推进系统的航空母舰，未来可能会使用电磁轨道炮等高能武器。储能系统可为这些高能武器提供不少于40 MW 的电力。在目前研究的概念武器中，电磁轨道炮战时耗电量最大，其次是激光武器。

目前已有多种储能装置在使用或正在发展之中，比较有发展前景的储能装置是飞轮储能、超导磁储能、电容和电池储能装置。

2.4.1 飞轮储能装置

飞轮储能装置设想始于20 世纪50 年代。进入90 年代以后，飞轮储能装置成为国际研究热点之一。目前美国、英国、德国、日本、瑞士、加拿大、意大利等工业强国正在大力开展飞轮储能装置研究与开发，并取得了很大进展，开始由实验室研究转向试运行与实际应用，并向产业化、市场化方向发展[9-10]。比如美国海军电磁飞机弹射系统储能装置目前选用的是飞轮储能装置，其储能系统每个飞轮储能可达121 MJ 以上。

2.4.2 超导磁储能装置

超导磁能量储存系统是一种储存和能瞬时释放出大量能量的装置。它把能量储存在超导材料线圈中的直流电所形成的磁场中。超导材料线圈由低温冷却。超导磁储能系统在民用电站已经使用数年，用以改善工业用电的品质，以及为电压敏感的各类用户提供品质优良的电力服务。超导磁储能系统可在几分钟内充电完毕，能反复地充/放电数千次而不会使磁体的性能下降。比如美国超导体公司和通用电气公司研制的一种分布式超导磁储能系统，每台装置储能能量为3 MJ，可有效实现充放电[11]。

超导磁储能系统目前的储存容量大约为10 MW。某些在研究的超导磁储能系统有较高的存储容量，达到数百兆瓦级，但放电能力只有1 s。理论上，半径150～500 mm 的线圈能够以1000 MW 的储能支持500 MW·h 的负载，与峰值场和线圈的高度和直径比有关。

2.4.3 电容储能装置

电容储能装置的关键设备是电容器。电容器具有放电快，便于组合等特点。目前最好的民用电容器，其功率密度是1～10 kW/kg，能量密度为1～300 J/kg。比如美国马克斯韦尔研究所使用由计算机设计的超级薄膜的电容器，其能量密度达4.8 kJ/kg。奥本大学研制的一种金属/绝缘型电容器，其能量密度已达30 kJ/kg。

目前，美海军已选择电容器为电磁炮的候选储能设备，设想使用数个电容器组成超级电容器组，使总储能达200 MJ，功率密度2.5 MJ/m3。辅助设备容积不超过总容积的50%，最大充电功率为15 MW。

2.4.4 电池储能装置

电池储能装置使用的电池种类较多，目前在舰船上应用最广泛、技术最成熟的是铅酸蓄电池；另外还可能用作水面舰艇综合电力系统储能装置的是燃料电池[12]。铅酸蓄电池作储能装置已有100 多年的使用历史，至今仍是各国海军主要备用应急电源[13]。铅酸蓄电池作储能装置主要是在潜艇上使用。比如美国俄亥俄级核潜艇使用的PDX-57 型铅酸蓄电池，电池组由128 个单体电池组成，总储能2.6 MWh，寿命为6 年。

2.5 保护电器技术

保护电器是对电路进行保护的重要设备，对于保护电器而言电压越高越难分断。未来综合电力航空母舰必然采用中高压输配电，因此，综合电力航空母舰使用的中高压保护电器的分断设计是比较困难的。保护电器中使用最普遍的是开关装置。国外开关装置近20 年来呈现智能化、网络化，以及广泛应用仿真技术的趋势。电力系统所用的开关，自20 世纪60 年代以来有很大发展。

在60 年代，空气型和油断路器主导了低压和中压开关市场[14]。其特点是低压和中压开关主要采用油或空气作隔离介质；当开关经过几次开断后，需进行断路器的维护和换油操作：带有灵敏脱扣器的强力螺线管机械设备需要仔细地整定、调整和维护；可拆卸的断路器增加了配电板的复杂性和体积；开关的重量和体积很大，强力螺线管机械设备也需要大而重的电池供电[15]。

在70 年代，开关设备的主要发展是出现了第一代真空断路器和旋转电弧SF6 型断路器。它们的触头寿命长，所需的操作能量也小。SF6 型断路器，其SF6 气体在0.2 MPa，约50 mm 的间距下就可隔断12 000 V、20 000 A 的故障电流。

真空断路器和旋转电弧SF6 型断路器在80 年代有进一步的发展，主要表现在同等级下体积不断缩小，价格有所降低。真空断路器在90 年代已经发展成为陆用电站中压开关设备的首选。使用经验表明，其真空灭弧室的故障率几乎为零。

在90 年代中，开关技术最显著的进步是使用GVR 自动重合器，其中包括用磁力执行器取代机械执行器，以及采用其他一些新技术。采用磁力执行器代表了中压开关的发展方向，已在全世界普遍应用。其可靠性可与真空灭弧室相比。

3 航空母舰综合电力系统应用前景展望

综合电力系统对航空母舰作战能力的贡献主要有两个方面：一是提高航空母舰机动能力。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，实现航空母舰航速调整及正倒车控制。二是节省燃油，增大航程。据相关研究，采用综合电力系统的海军战舰比采用相同的原动机的战舰能节约10%～25%的燃油，而像航空母舰这类舰船能节约15%～19%的燃油。在相同的燃油储备情况下，采用综合电力系统的航空母舰可以提高续航力。