歐陽華，錢 美，夏 立

(海軍工程大學電氣與信息工程學院，湖北 武漢 430033)

0 引言

綜合電力系統(tǒng)(Integrated Power System，IPS)艦船，也稱為全電力戰(zhàn)艦(All Electric Warship，AEW)是海軍發(fā)展的新趨勢。傳統(tǒng)艦船的動力系統(tǒng)和電力系統(tǒng)是相對獨立的，動力系統(tǒng)通常由常規(guī)的熱機和其他機械裝置構(gòu)成，電力系統(tǒng)一般是作為輔助能源，與艦船推進并沒有直接關聯(lián)。將電力系統(tǒng)與推進系統(tǒng)相結(jié)合形成艦船電力推進是最近幾十年發(fā)展的新技術。綜合電力系統(tǒng)是將艦船發(fā)供電與推進用電、艦載設備用電集成在一個統(tǒng)一的系統(tǒng)內(nèi)，從而實現(xiàn)發(fā)電、配電與電力推進用電及其他設備用電統(tǒng)一調(diào)度和集中控制［1］。

綜合電力系統(tǒng)能給飛機電磁彈射器(EMALS)、電磁軌道炮(EMRG)等高等武器提供足夠的電力供應，降低艦艇平臺全壽命周期費用。隨之而來的，是對高電壓分布系統(tǒng)(AC或DC)、高密能量轉(zhuǎn)換模塊、高速高密能量生成模塊、能量存儲模塊的技術需求，以及在正確時間將可獲得的能量和功率分配給正確負載的監(jiān)測和控制技術的需求。這也正是美國“海軍后下一代”全電力戰(zhàn)艦的目標［2］。下面將介紹美國全電力戰(zhàn)艦發(fā)展歷史、現(xiàn)狀，未來的發(fā)展方向和應對于高能量和高功率的需求而面臨的技術挑戰(zhàn)。

1 電力艦船的發(fā)展歷程

電力推進作為船舶推進方式之一，已經(jīng)有近百年歷史，經(jīng)歷了二戰(zhàn)前的新興期，二戰(zhàn)后到70年代末的蕭條期和80年代后的蓬勃發(fā)展期。二戰(zhàn)之前，電力推進曾出現(xiàn)過一段流行期，多采用直流推進技術，主要用于工程船舶及潛艇上［3－4］。運煤船“朱比特”號(1913年)是電力推進技術的第1個主要測試平臺。隨后作為技術示范，在第一艘航空母艦“蘭利”號(1922年)上使用了汽輪機，并采用電力驅(qū)動馬達。在“朱比特”號退役2年后，使用汽輪機和電力驅(qū)動馬達來推進4個轉(zhuǎn)動軸的戰(zhàn)列艦“新墨西哥”號(1918年)下水。在當時，電力驅(qū)動比其他方式能提供更好的能源利用效率?！靶履鞲纭碧柺敲绹＼姷牡?艘全電力艦船，但它不是綜合電力驅(qū)動。二戰(zhàn)后，由于遭到了重量限制的國際威脅，重量更輕的齒輪機械驅(qū)動模式是海軍設計新型戰(zhàn)斗艦的首選，電力推進在整個船舶推進領域中的發(fā)展受到限制。20世紀80年代以來，隨著電力電子技術的迅速發(fā)展，大功率交流電機變頻技術日益成熟，電力推進技術得到迅速發(fā)展，其應用領域已擴展到旅游船、水面戰(zhàn)艦、各種工程船和油貨輪等，顯示出廣闊的市場前景。

2 全電力戰(zhàn)艦發(fā)展現(xiàn)狀

最近30年間，艦船功率需求已形成從推進功率占主要地位，到高能武器和探測器變?yōu)榕炆献畲蟮墓β氏恼叩内厔?，而且該上升趨勢有望繼續(xù)。美國海軍海上系統(tǒng)指揮部的預先發(fā)展水面機械計劃(ASMP)一直集中于發(fā)展艦船推進、電力和控制系統(tǒng)，其目的是在滿足艦船各方面性能要求的同時，大大減少采購費用和全壽命周期費用［5］。

作為技術投資的結(jié)果，美國海軍有3個全電力戰(zhàn)艦的試驗平臺:“馬丁島”號(LHD－8)兩棲攻擊艦(2006年)，“劉易斯和克拉克”號(T－AKE－1)系列航行補給艦(2006年)和“朱姆沃爾特”(DDG－1000)導彈驅(qū)逐艦(2014年)，如圖1所示。

“馬丁島”號(LHD－8)是黃蜂級兩棲攻擊艦系列的最后一類，它和蒸汽推進的“硫磺島”級(LHD－7)完全不同，“馬丁島”號以燃氣渦輪機(LM2500)作為主發(fā)電機，和日常用電柴油發(fā)電機組合，統(tǒng)一進行電力分配。當艦船以低于13 kn的速度行駛時，采用5 000馬力的感應電機驅(qū)動;當艦船以13 kn至全速行駛時，采用LM2500燃氣渦輪機作為電力汽輪機驅(qū)動。采用該混合電力驅(qū)動方式后，全年可以節(jié)省200萬美元，并可減少對中東石油的依賴性。T－AKE和DDG－1000都采用了全綜合電力系統(tǒng)，二者的不同之處在于:T－AKE是根據(jù)商業(yè)用途建造和組裝的，其全壽命周期費用更低;DDG－1000則出于軍事目的建造，其全艦裝機容量高達78 MW，將于2014年下水。

圖1 當前的綜合電力艦船F(xiàn)ig.1 Today's integrated electric ships

3 海軍下一代艦船開發(fā)目標和面臨的挑戰(zhàn)

雖然美海軍第一代電力驅(qū)動和“綜合平臺”取得了一定成效，當代海軍和下一代海軍仍面臨如下挑戰(zhàn)或者說是機遇:① 減少對石油的依賴性;② 滿足功率增長的需求;③理解并控制費用。

美海軍助理海軍部長(研究、開發(fā)和收購)(ASN RD＆A)在2007年11月特批成立了電力艦船辦公室(Electric Ships Office，ESO)。ESO將和美國海軍研究局(ONR)共同投資下一代綜合電力系統(tǒng)(NGIPS)，并在ONR已開發(fā)成熟的產(chǎn)品中注入先進的技術，以迎接上述3個挑戰(zhàn)。下面結(jié)合ONR現(xiàn)有成熟產(chǎn)品和技術，簡要介紹美海軍綜合電力技術的研究方向。

3.1 混合電力/機械驅(qū)動

DDG－51戰(zhàn)艦編隊的推進器由4個20 MW的LM2500燃氣渦輪發(fā)動機(GTM)驅(qū)動，在每個軸承各有2個GTM，并通過組合減速齒輪與螺旋推進器軸承相連接。另有3個提供日常服務的燃氣渦輪發(fā)電機(SSGTG)，每個3 MW，用以提供艦船的全部電氣負載用電。標準的操作流程是至少啟動2個SSGTG，第3個SSGTG作為某一SSGTG維護或傷亡時備用。

提高推進器和發(fā)電站效率的改進方法是采用混合電力驅(qū)動(Hybrid electro-mechanical drive，HED)。HED將電力機械綜合入推進系統(tǒng):在推進模式，電力機械既能作為推進馬達(在低推進速度)運行，也能作為發(fā)電機運行(高速度);在發(fā)電機模式，馬達能將電力功率饋入配電系統(tǒng)，以便將能量提供給艦船推進功率系統(tǒng)(PDSS)或位于其他螺旋軸上電力馬達。實現(xiàn)上述HED的概念可以有如下4種配置［6］:

1)基本混合電力驅(qū)動(EPS);

2)帶有4 MW的SSGTG的升級基本HED(EPS);

3)帶有艦船推進功率系統(tǒng)的EPS(EPS+PDSS);

4)電力推進+PDSS+4 MW SSGTG。

在EPS模式中，HED提供2個螺旋軸承的推進動力，小型SSGTG供應電力供應，使得大容量的燃氣渦輪主引擎(GTM)能專注于推進。EPS采納利用了HED的燃油經(jīng)濟性，并具備附加發(fā)電潛能，以便提供容量給未來的武器和傳感器。在PDSS結(jié)構(gòu)中，通過HED推進系統(tǒng)向艦船日常用電系統(tǒng)提供電力。這種模式允許“單發(fā)電機工況”，這時僅僅1個SSGTG在工作，而不是2個。PDSS模式能使SSGTG充分加載，因此能顯著改進引擎的燃油消耗。EPS和PDSS的組合改進引擎的燃油消耗的效果更為明顯，省油率超過10%，并有進一步提升的潛力。

3.2 帶能量存儲的單發(fā)電機工況

DDG－51戰(zhàn)艦編隊的標準發(fā)電模式通常是至少運行2臺SSGTG，減少了由于1臺GTG故障而導致日常供電失電的危險。雖然該模式保證了電力供應的穩(wěn)定性，但SSGTG偏離了設計的最佳工作點，犧牲了效率，并增加了每個SSGTG的工作時間。在單個發(fā)電機(SGO)負載低于50%的低強度工況下，燃氣渦輪每單個循環(huán)的特定燃油消耗量急劇增加，這給通過最小化引擎工作時間以改進燃油消耗提供了潛在可能。計算得到，在DDG－51系列艦中SGO的使用將帶來大約7 600～8 500 bbl/ship/yr的潛在的燃油節(jié)約。

為了保證能給重要負載提供持續(xù)的電力，要求在持續(xù)的航行中電力供應的瞬時轉(zhuǎn)換不會造成電力供應中斷。GTG的設計性能為在60 s內(nèi)從啟動到滿載，這就需要能量存儲模塊(EMS)。EMS需要一定的尺寸以維持1 min內(nèi)關鍵艦船負載供電;同時也需要設計成高能量密度模塊，以便允許靈活地重復安裝或配置。不同負載的優(yōu)先等級不同，這種分等級為負載提供電力的控制策略屬于電力供應質(zhì)量(QOS)的概念。

3.3 密集電能轉(zhuǎn)換

密集電能轉(zhuǎn)換技術使能容量(EC)工程是美國海軍研究局發(fā)起的關鍵開發(fā)模塊和技術。EC技術與下一代綜合電力系統(tǒng)核心產(chǎn)品有關，這些類核心產(chǎn)品有:多功能電能轉(zhuǎn)換器、雙向電能控制模塊、電能管理控制器(高級能量管理)等。該項目預期在2012年完成，其產(chǎn)品成熟度預期能達到TRL6。

多功能電能轉(zhuǎn)換器的目標在于改進與高能固態(tài)轉(zhuǎn)換設備相關的3項關鍵度量標準——能量密度、電能質(zhì)量和轉(zhuǎn)換效率。雙向電能控制模塊開發(fā)致力于以上述3項關鍵度量標準為基礎，在海軍分布式電力系統(tǒng)中添加提供雙向能量流的能力。雙向電能流被認為是下一代電力系統(tǒng)的關鍵能力，能增加操作有效性、系統(tǒng)生存能力和動態(tài)能量管理。能量管理將研究電能管理概念，使下一代電力系統(tǒng)與雙向能量流相適應，并提供能量從源到多個高能負載運動的穩(wěn)定、快速方法。

3.4 近期先進武器和傳感器

上述電力電子技術開發(fā)的主要驅(qū)動力是先進武器和傳感器的引入。先進武器和傳感器相關技術與電力技術本身共同革新，模糊了武器和電力系統(tǒng)的區(qū)別。電磁軌道炮和自由電子激光器早在10年前就已經(jīng)出現(xiàn)，其他合成高能的武器和傳感器系統(tǒng)，如激光武器系統(tǒng)(LaWS)、空中和導彈防御雷達(AMDA)是最近引入的。這些系統(tǒng)將汲取高達兆瓦級的功率，因此更需要綜合電力系統(tǒng)。LaWS是基于固態(tài)光纖技術的自防御系統(tǒng)，該系統(tǒng)于2006年在Sandia國家實驗室和海軍水面作戰(zhàn)中心展示，2009年原理樣機通過測試，并正在從演示驗證和原理樣機階段迅速向可配置能力轉(zhuǎn)化，預計2016年可以上戰(zhàn)場。

AMDA作為瞄準未來海軍彈道導彈防御(BMD)能力的武器而開發(fā)。其主動定相陣列對雷達和艦船電力設計提出了挑戰(zhàn)。首先，大量分布式固態(tài)放大器需要提供異常清潔的能源;其次，為了提供足夠的探測范圍，這些設備需要高功率供給。AMDA將在未來的DDG－51編隊服役，在正常工況下將汲取大約2.5 MW的功率，預期2010年能實現(xiàn)原型化。

4 海軍后下一代艦船開發(fā)目標和挑戰(zhàn)

海軍當前和下一代艦船致力于減少對石油的依賴性、滿足更大的裝艦功率需求、理解并控制艦船費用。不同于減少能源或運行費用，美海軍后下一代目標在于達到上述目標時所作的技術努力:給出創(chuàng)新海軍原型(INPs)，包括自由電子激光器(FEL)、電磁軌道炮(EMRG)和電力艦船;為了提升競爭力、控制預算和技術更新而提供開放商業(yè)結(jié)構(gòu)模型。

4.1 創(chuàng)新海軍原型

ONR認為對提供高超音速、定向能量武器和高脈沖及持續(xù)服務雷達和傳感器的需求終有一天會得到理解，并一直致力于預先瞄準新技術挑戰(zhàn)。ONR已經(jīng)對海軍后下一代FEL INP投資。在戰(zhàn)場環(huán)境中，在FEL上艦之前，首先要克服一些障礙和挑戰(zhàn)。這些障礙和挑戰(zhàn)包括激光束的質(zhì)量、需要維持的極端真空和溫度參數(shù)、在艦船受海洋而產(chǎn)生的擺動、傾斜、偏航等沖擊狀態(tài)確保平滑的、均衡的激光束的穩(wěn)定性和清晰度。海軍研究委員會(NCSB)贊成EMRG INP下一階段的開發(fā)計劃。EMRG的技術問題包括脈沖形成網(wǎng)絡(PFN)的電力供應、軌道生命力和重復速率等。

4.2 開放商業(yè)結(jié)構(gòu)模型

PC的USB接口就是開放結(jié)構(gòu)(OA)。通過簡化特定的輸入/輸出(I/O)參數(shù)和規(guī)范USB接口，所有的外圍設備可以被任意PC使用，只要該PC有1個USB接口，并且該連接符合可與USB連接的指定的“接口”規(guī)范。美海軍也將采用該方法采購電子組件和系統(tǒng)。電力艦船結(jié)構(gòu)由包括發(fā)電、配電、變電、存儲和負載在內(nèi)的幾個模塊組成。這些模塊兩兩之間存在接口。一旦接口的位置固定下來，接口的I/O規(guī)范也就能由海軍下發(fā)了。工業(yè)部門之間將產(chǎn)生競爭，并因此增進競爭、供應能力和技術更新。

5 結(jié)語

我國艦船綜合電力系統(tǒng)的研究從“九五”預研開始起步，并取得了一定的進展，我海軍第一艘采用電力推進的軍輔船已經(jīng)進入技術設計階段。但是綜合電力系統(tǒng)的研究和實施尚有很多困難，屬于多個學科綜合、交叉而形成的新研究領域，是新一輪艦船技術競爭的制高點。我們應借鑒國外研究方向，大力開展關鍵技術和設備的研制工作和技術儲備，推進我國艦船的發(fā)展。

［1］馬偉明.艦船動力發(fā)展的方向——綜合電力系統(tǒng)［J］.海軍工程大學學報，2002，14(6):1 －5.MA Wei-ming.Integrated power systems——trend of ship power development［J］.Journal of Naval University of Engineering，2002，14(6):1 －5.

［2］PETERSEN L J，HOFFMAN D J，BORRACCINI J P，et al.Next generation power and energy:maybe not so next generation［J］.Naval Engineers Journal，2010，122(4):59 －74.

［3］欒勝利.船舶電力推進技術的發(fā)展［J］.船電技術，2009，29(4):46－49.LUAN Sheng-li.Development of electric propulsion technology for ships［J］.Marine Electric ＆ Electronic Engineering，2009，29(4):46 －49.

［4］羅偉，孫朝暉，方斌.船舶綜合電力系統(tǒng)研究的新進展［J］.艦船科學技術，2009，31(12):105 －109.LUO Wei，SUN Zhao-hui，F(xiàn)ANG Bin.The new progress in integrated power system research on shipboard［J］.Ship Science and Technology，2009，31(12):105 －109.

［5］DOERRY N.Next generation integrated power systems for the future fleet［C］.IEEE Electric Ships Technology Symposium，Baltimore，Maryland USA，2009，73 －78.

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