唐劍飛 桂永勝

（中國艦船研究設(shè)計中心， 武漢 430064）

1 引言

現(xiàn)代艦船在向大型化、全電力推進化發(fā)展的同時，艦船電力系統(tǒng)的地位也從輔助系統(tǒng)變成主動力系統(tǒng)。其系統(tǒng)容量呈幾何上升趨勢，而且網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)也更加復(fù)雜。為了適應(yīng)這種發(fā)展趨勢，一些新技術(shù)新思路隨之出現(xiàn)。

2 艦船電能變換裝置向高功率密度、模塊化和高性能方向發(fā)展

艦船綜合電力系統(tǒng)中大功率電能變換裝置需求的電力半導(dǎo)體器件，目前主要以有絕緣柵雙極性晶體管（IGBT）和集成門極換向晶閘管（IGCT）為主。高壓IGBT和IGCT器件的電壓、電流定額已分別達到6500 V/600 A和6000 V/6000 A。在10 MW以下功率等級，IGBT因其驅(qū)動簡單、開關(guān)特性好而具有更強的競爭力[1]。

以碳化硅為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料可以顯著降低器件損耗，大大提高器件耐壓和結(jié)溫，滿足綜合電力系統(tǒng)對功率密度的需求，因而發(fā)展前景看好。目前基于碳化硅材料的二極管器件已接近實用水平，國外研究表明，由于其反向恢復(fù)電流大大降低，與基于常規(guī)材料的可控器件搭配使用可以顯著提高裝置的功率密度。

功率器件的運用技術(shù)是提升電力變換裝置功率密度和可靠性的重要手段。美國弗吉尼亞理工大學(xué)的電力電子系統(tǒng)研究中心（CPES）在美國海軍的支持下，在中小功率電力電子裝置與系統(tǒng)的集成化方面做了大量工作。在國內(nèi)，浙江大學(xué)和西安交通大學(xué)在小功率變換器拓撲的標(biāo)準(zhǔn)化和集成的理論和方法等方面也進行了一些開創(chuàng)性的研究工作。但是，在基于現(xiàn)有商用器件的二次集成以及器件的極限運用等方面，還有待繼續(xù)深入的研究。

艦艇綜合電力系統(tǒng)所需要的電能變換裝置盡管種類繁多，但大多已有成熟的原理與技術(shù)作為支撐。在裝置與系統(tǒng)的構(gòu)建方面，最為革命性的變化趨勢是進一步向 PEBB（電力電子集成模塊Power Electronic Building Block）概念靠攏。PEBB概念使得具有開放結(jié)構(gòu)、可熱插拔、可擴展的模塊化電力電子系統(tǒng)成為可能。由于其集成化的特點，對功率密度的提高也很有幫助。目前，在美國海軍研究局（ONR）資助下，直流區(qū)域配電技術(shù)已經(jīng)在艦船上得到應(yīng)用。DRS技術(shù)公司為美國海軍DDG 1000艦提供的“綜合持續(xù)作戰(zhàn)電源”（IFTP）系統(tǒng)代表了直流區(qū)域配電技術(shù)的最新進展。該系統(tǒng)采用可熱插拔的模塊化電力電子裝置，具有良好的可擴展性，并且在負載變化、局部故障或遭遇戰(zhàn)損時可以實現(xiàn)配電網(wǎng)絡(luò)的重構(gòu)，從而實現(xiàn)極強的持續(xù)供電能力。

控制技術(shù)方面，基于經(jīng)典控制理論的多環(huán)路數(shù)字 PI/PID控制器已在電力電子裝置與系統(tǒng)中得到成熟應(yīng)用，其性能還有改進的空間，尤其是將狀態(tài)空間概念用于指導(dǎo)這些控制算法的設(shè)計時，可大幅提高其極限能力?；诂F(xiàn)代控制理論（狀態(tài)空間、非線性控制）與自適應(yīng)數(shù)字信號處理的新型數(shù)字控制方法可以處理更復(fù)雜的電能變換控制過程，大擾動下的穩(wěn)定性、動態(tài)特性更好，可以對更多的系統(tǒng)變量實施更全面的控制，同時不增加、甚至減少傳感器的數(shù)量，是新一代高性能電能變換控制技術(shù)的發(fā)展方向。

鑒于PEBB已成為未來艦船綜合電力系統(tǒng)中電力電子裝置與系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建模式，因此這些裝置與系統(tǒng)的控制軟件設(shè)計上也要充分考慮控制任務(wù)垂直分解和模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化問題。目前，IEEE電力電子學(xué)會已設(shè)立專門的專家組研究基于PEBB的電力電子系統(tǒng)的控制與保護框架結(jié)構(gòu)，相信在不久的將來會提出這方面的一些國際標(biāo)準(zhǔn)。

基于PEBB思想構(gòu)建的電力電子系統(tǒng)必然存在硬件上的分層結(jié)構(gòu)，因此不同層面的控制系統(tǒng)之間如何實現(xiàn)高速高可靠的通訊也成為一個至關(guān)重要的問題。由于通用的通訊總線技術(shù)并不能很好滿足該需要，一些國外研究機構(gòu)，比如弗吉尼亞理工大學(xué)，已在研究專門針對基于PEBB的電力電子系統(tǒng)的光纖環(huán)形網(wǎng)絡(luò)及其PESNet協(xié)議。

3 直流區(qū)域供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性是綜合電力系統(tǒng)研究的重點

直流區(qū)域配電技術(shù)已成為艦船綜合電力系統(tǒng)的發(fā)展方向。隨著高能武器和先進探測設(shè)備的飛速發(fā)展，艦船用電設(shè)備的日益增加對艦船電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性造成越來越嚴(yán)重的影響，引起了國內(nèi)外研究機構(gòu)的高度關(guān)注[2]。

直流區(qū)域配電技術(shù)已經(jīng)在國外艦船上得到應(yīng)用。DRS技術(shù)公司為美國海軍DDG 1000艦提供的“綜合持續(xù)作戰(zhàn)電源”（IFTP）系統(tǒng)代表了直流區(qū)域配電技術(shù)的最新進展。該系統(tǒng)采用可熱插拔的模塊化電力電子裝置，具有良好的可擴展性，并且在負載變化、局部故障或遭遇戰(zhàn)損時可以實現(xiàn)配電網(wǎng)絡(luò)的重構(gòu)，從而實現(xiàn)極強的持續(xù)供電能力。

斷路器配合、新型固態(tài)限流裝置等方面是解決電力系統(tǒng)可靠性的有效途徑。早在1974年，美國電力研究院（EPRI, Electric Power Research Institute）剛剛成立不久，故障限流技術(shù)就被列為該組織重點優(yōu)先發(fā)展的研究課題。目前，日本也成立了“故障電流抑制用限流技術(shù)調(diào)查專門委員會”。歐洲各國在故障限流方面也做了很多的工作。

我國開展新型短路限流技術(shù)的研究工作始于上世紀(jì)90年代初，雖比國外發(fā)達國家略晚，但也取得了一系列的科研成果：如諧振短路限流技術(shù)、超導(dǎo)限流技術(shù)成果、新型固態(tài)限流技術(shù)和快速斥力開關(guān)技術(shù)等[3]。

4 艦船用交流變頻調(diào)速系統(tǒng)及其控制技術(shù)快速發(fā)展

隨著電力電子技術(shù)、交流電機調(diào)速控制技術(shù)以及電機設(shè)計制造技術(shù)的突破和提高，艦船用交流變頻調(diào)速系統(tǒng)得到了迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。特別是近期隨著變頻電源的小型輕量化和噪聲、電磁兼容問題的逐步解決，潛艇艙室輔機傳動由直流傳動向交流傳動的過渡已經(jīng)開始大面積展開。鑒于交流電機在成本、可靠性、功率密度等方面的突出優(yōu)勢，在可預(yù)見的將來，交流傳動必然成為潛艇艙室輔機的主流傳動模式[4]。

在艦船電力推進系統(tǒng)中，中壓大功率推進變頻器是關(guān)鍵技術(shù)之一。到目前為止，中壓變頻器還沒有像低壓變頻器那樣具有近乎統(tǒng)一的拓撲結(jié)構(gòu)。其原因，一是中壓大電流的電力電子器件仍然難以滿足要求，實際應(yīng)用中需要采用器件或低功率單元的串并聯(lián)技術(shù)；二是許多在低壓通用變頻器中可以接受或很容易解決的問題，卻在中壓變頻器中成為非常突出且難以解決的問題。針對以上問題，國外大公司各有高招，在利用現(xiàn)有功率器件的基礎(chǔ)上提出了多種拓撲結(jié)構(gòu)。綜合各公司的方法，推進變頻器的拓撲電路類型可總結(jié)歸納為多管串聯(lián)的兩電平變換電路，多電平變換電路，多相/多重化幾大類。

Alstom公司采用嚴(yán)格控制IGBT溫度、控制開關(guān)的同步以及設(shè)計均壓電路等措施，第一個實現(xiàn)了多管串聯(lián)技術(shù)，并將該技術(shù)用于25 MW的變頻器中。該公司為美國海軍全電力推進系統(tǒng)研制的19 MW變頻器就應(yīng)用了8個IGBT的串聯(lián)技術(shù)。ABB公司生產(chǎn)了第一臺基于PEBB的變頻調(diào)速裝置ACS6000。后者采用IGCT三電平結(jié)構(gòu)，輸出電壓等級3-3.3 kV，單臺輸出功率3-9 MW，美國海岸警衛(wèi)隊的破冰船的 2-3.5 MW 主推進系統(tǒng)裝備了ABB的Azipod（吊艙）推進系統(tǒng)，采用了ACS6000調(diào)速裝置。

多相系統(tǒng)是國外電力推進發(fā)展的一個重要特點，無論是美國的IPS計劃、英國的IFEP計劃，還是德國、荷蘭、俄羅斯的電力推進設(shè)計方案都采用多相變頻器驅(qū)動多相電機的系統(tǒng)。多相化變頻器的拓撲結(jié)構(gòu)主要有：多重三相變頻器結(jié)構(gòu)和多相H橋結(jié)構(gòu)兩大類。25 MW超導(dǎo)同步電動機船舶推進系統(tǒng)就是采用多重三相變頻器的方式，Alstom公司為美國海軍研制的19 MW的PWM變頻器，也是采用多相H橋結(jié)構(gòu)。該變頻器是有史以來最大的PWM調(diào)速變頻器，用于15相先進感應(yīng)電動機的推進系統(tǒng)中。

對上兆瓦級的電力推進來說，采用多臺逆變器并聯(lián)可使開關(guān)器件的電流應(yīng)力大大減小，同時也大大提高系統(tǒng)的靈活性、可靠性和可維護性。目前，我國引進 ABB公司的吊艙推進系統(tǒng)就采用了逆變器并聯(lián)結(jié)構(gòu)。

國內(nèi)對于大功率交流調(diào)速除了在大型軋鋼機主傳動和礦井提升機方面進行了一些研究外，在船舶電力推進領(lǐng)域的研究才剛剛起步。近年來國內(nèi)的各大軍事研究機構(gòu)和科研院所開始致力于這方面的研究。國內(nèi)對于矩陣變換器的研究也處于起步階段，距離大功率艦船推進實際應(yīng)用的目標(biāo)還有一定距離。

5 基于多智能體的艦船電力系統(tǒng)監(jiān)控與能量管理成為研究熱點

艦船能量管理可對艦船電能進行集中統(tǒng)一調(diào)度、管理、控制，是艦船綜合電力系統(tǒng)的核心控制部分之一。隨著艦船電力系統(tǒng)容量成幾十倍的增長和電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化、負載多樣化，對全船電能進行集中管理的要求更高，能量管理需要完成的功能也更趨復(fù)雜[5]。

上世紀(jì)90年代以來，對于多智能體系統(tǒng)的研究已經(jīng)成為人工智能研究的熱點。國際上關(guān)于多智能體系統(tǒng)的研究雖然時間不長，但發(fā)展相當(dāng)迅速，其應(yīng)用已經(jīng)擴展到工業(yè)、商業(yè)、娛樂、醫(yī)療等相當(dāng)廣泛的各個領(lǐng)域。

將多智能體應(yīng)用于艦船能量管理的研究國外尚無報道，但國外已在軍事領(lǐng)域采用了多智能體系統(tǒng)，并取得了一定的成果。他們將基于智能體的建模與仿真（ABMS）技術(shù)應(yīng)用于作戰(zhàn)仿真，從底層入手，將作戰(zhàn)基本單元抽象為智能體，構(gòu)建多智能體系統(tǒng)，以二維或三維細胞自動機為工具，通過智能體的相互作用來研究作戰(zhàn)系統(tǒng)的整體突現(xiàn)行為。第一個將作戰(zhàn)視為復(fù)雜系統(tǒng)而開發(fā)的多智能體系統(tǒng)是ISAAC。它由美國海軍分析中心（CAN）從事數(shù)學(xué)和計算機建模工作的 Andy Ilachinski博士于 1997年研制成功。它的出現(xiàn)在國際上引起了較大反響并帶動類似系統(tǒng)的開發(fā)。澳大利亞軍事學(xué)院開發(fā)的在沿海環(huán)境下基于智能體的概念研究系統(tǒng)CRO-CADILE，澳大利亞維多利亞大學(xué)和新南維爾士大學(xué)合作開發(fā)的“通過生命仿真得到的可所見的智能體戰(zhàn)場行為”系統(tǒng)RABBLE，美國軍方委托圣達菲Bios Group開發(fā)的“自適應(yīng)搜索管理系統(tǒng)”ACME，美國海軍研究生院開發(fā)的“基于智能體的非戰(zhàn)爭小規(guī)模作戰(zhàn)軍事行動的仿真”系統(tǒng)，美國海軍戰(zhàn)場研發(fā)司令部NWDC與Argonne國家實驗室的復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)仿真中心合作，共同開發(fā)的TSUNAMI系統(tǒng)等，都是多智能體在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用。

多智能體在國內(nèi)的研究開始時間相對較晚，目前大部分還處于理論研究階段，與國外有比較大的差距，在艦船綜合電力能量管理中的體系結(jié)構(gòu)及應(yīng)用研究更是空白。但是，由于多智能體在解決復(fù)雜大系統(tǒng)問題上有其突出的優(yōu)勢，其應(yīng)用領(lǐng)域正在不斷擴展。據(jù)相關(guān)文獻顯示，國內(nèi)已相繼開展了一些將多智能體應(yīng)用于陸地電力系統(tǒng)的研究，并在電壓控制、繼電保護等方面取得了一定的進展。

多智能體技術(shù)在繼電保護領(lǐng)域得到了應(yīng)用，把一個微機保護裝置看成由多個智能體組織而成的智能保護，通過對各種保護原理的動作結(jié)果進行綜合，以提高保護的可靠性；根據(jù)故障類型和保護背側(cè)系統(tǒng)阻抗值來切換保護定值使保護定值最佳；利用對采集數(shù)據(jù)的諧波計算提高故障區(qū)域的判斷準(zhǔn)確性，并給出了智能保護的實現(xiàn)方案。

雖然多智能體尚未應(yīng)用于艦船能量管理，但國內(nèi)對艦船能量管理的理論研究已經(jīng)開展，這些研究有助于我們進一步了解該系統(tǒng)的特點，為本課題的研究提供理論依據(jù)。

在艦船能量管理中多智能體間網(wǎng)絡(luò)通訊的高精度時間同步和流量控制的研究，國內(nèi)也尚未開展，但針對網(wǎng)絡(luò)控制，國內(nèi)外均已有相關(guān)研究。

總的來說，國內(nèi)對多智能體的研究已經(jīng)取得了一定進展，并開始應(yīng)用到軍事領(lǐng)域。但將多智能體應(yīng)用于艦船能量管理的研究還屬空白，對艦船能量管理多智能體體系結(jié)構(gòu)及應(yīng)用研究，和艦船能量管理信息網(wǎng)絡(luò)高精度時間同步與流量控制研究有待開展。

6 結(jié)束語

本文介紹的幾種技術(shù)將推動艦船綜合電力系統(tǒng)的發(fā)展，在這個系統(tǒng)中將廣泛采用模塊化、系列化、標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品，并對艦船的能源進行綜合管理，從而使整個系統(tǒng)的可靠性更高、生命力更強。

[1]呂飛, 汪光森. 大功率電能變換裝置軟件鎖相環(huán)的應(yīng)用. 船電技術(shù)，2008(6).

[2]謝楨, 葉志浩. 基于直流區(qū)域配電的艦船綜合電力系統(tǒng)智能保護方式研究. 船電技術(shù),2009(1).

[3]陳波, 付立軍. 基于直流區(qū)域配電系統(tǒng)的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò).船電技術(shù),2007(4).

[4]李新星, 趙國文. 交流變頻調(diào)速技術(shù)在船舶電力推進系統(tǒng)中的應(yīng)用. 廣東造船，2007(2).

[5]朱亮, 黃怡. 多智能體開發(fā)系統(tǒng)SWARM 在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用. 高電壓技術(shù)，2008(3).