船舶综合电力系统

浅析船舶综合电力系统

1.引言

船舶综合电力系统是船舶动力的发展方向，是造船技术发展史上的又一个革命性的跨越，其主要特点是将推进动力与电站动力合二为一。该项技术正在逐步成熟、完善。以美、英、法为代表的发达国家率先引入综合电力系统这一概念，并积极开展研究、试验和应用到船艇。

2.综合电力系统概述

综合电力系统的思想基础是降低未来船舶的总成本，优化船舶总体、系统和设备的组成。其设计理念是突出系统化、集成化和模块化。在船舶平台上的具体实现途径是将全船所需的能源以电力的形式集中提供，统一调度、分配和管理。

美国海军提出的综合电力系统主要包括发电、配电、电力变换、电力控制、平台负载、推进电机、能量储存等七个模块。其中，发电模块将其它形式的能量转化为电能，经全船环形电网向各区域配电系统供电；电力控制模块对配电模块实行电能分配和监控；配电模块将电力输送到电力负荷中心，再分配到各用电设备；电力变换模块将一种形式的配电模块转化为另一种形式的配电模块；推进电机模块用于船舶推进；平台负载模块是一个或多个配电模块的用户；能量储存模块用于储存电能，维持整个供电系统的稳定。

采用综合电力系统的船舶与传统船舶比较，具有的主要优势为：

便于采用分段和模块化建造，使用维护费用低，经济性好；噪音低，可提高船舶的安静性和舒适性，提高舰艇的战斗力和生命力；调速性能好，控制方便，倒车简便、迅速，提高船舶的机动性；布置灵活、设计方便、可靠性高，可维修性好、生命力强；便于实现自动化，减少船员；适用性强，可广泛采用各种电子设备和先进的推进技术，对于舰艇而言，可以使用诸如激光武器、电磁炮等高能武器。

3.综合电力系统的发展现状

近十来年，船舶的电力推进技术已进入应用阶段。目前，不同类型的船舶，如一些科考船、破冰船以及邮轮采用了电力推进系统。推进电机采用直流、交流同步电动机或交流感应电动机。研究报告显示，虽然商船的综合电力推进系统提高了船的建造费用，但其运行和支持费用，及其生命周期里的整个费用却降低了。上世纪九十年代，一些商船业公司，如ALSTOM、ABB、SIEMENS等，已形成了企业内部的商船业电力推进标准。有人统计，八十年代后期建造的1000吨以上的商船中采用柴－电推进的约占25％，到九十年代中期，此类船舶中有35％以上采用电力推进，且该比例正在呈逐年上升的趋势。据统计，到2000年，全世界商船电力推进的装机总容量约为4200MW。

美国海军于1980年建立了综合电力驱动计划，希望通过将船舶日用电力系统和推进电力系统合而为一，进一步提高战船的性能。1990年后，美国海军将注意力转到提高船舶的能购性上，研究计划转为综合电力系统(IPS：Integrated Power System)项目。针对当时水面战斗舰艇(SC-21，现转型为DD（X）)的概念设计，美海军完成了费用和效能评估。2002年4月29日，美国海军宣布英格尔斯造船公司、诺斯罗普格鲁曼船舶系统公司为DD(X)的设计主承包商，设计承包合同总价款为28亿多美元，执行期至2005财政年度。DD(X)设计合同的签署意味着美国海军水面舰艇革命性变革的开始。综合电力系统强调的主要技术目标为增加可操作性和支持柔性设计。美海军计划2003年开始，用3年多时间完成11个工程开发模块的建造和试验，并通过充分的陆试和海试去降低技术风险，争取2005年技术定型，2012

年装船。美国超导有限公司2003年3月3日宣称，美国海军研究局已选定该公司作为总承制方，组织力量为电力舰艇设计制造一台36.5兆瓦高温超导推进电动机的原型样机。英国海军计划将综合电力技术用于未来的新型护卫舰和轻型航空母舰上。这种新型护卫舰排水量为5000吨，航速30节，电力系统将使用WR-21燃气轮机作为原动机，采用永磁发电机。该型护卫舰预计在2008～2010年左右服役，建造数量可能为20～25艘；采用综合电力系统的轻型航母计划在2010～2012年服役。

4.采用综合电力系统需要解决的主要关键技术

船舶采用综合电力系统优势明显，并且已成为发展趋势，但实现起来并非坦途，有大量的关键技术需要解决，主要的关键技术为：

（1）综合电力系统总体技术研究

由于综合全电力系统涉及电力工程各个分支专业，如原动机、发电机、电动机、调速、电力电子技术，电力管理等等。许多不同专业的各个设备的研制应当相互协调，功能相当且接口一致，为满足系统和总体的需求，需要全面、综合、系统、深入地开展研究，对各子系统提出要求，确保这一复杂工程有序、顺利的开展。

综合电力系统各个模块是否运行良好并相互协调以发挥系统最佳效能,是事关整个系统优劣和良好运行的关键。需要开展构成综合电力系统的各个模块，以及各模块集成技术研究。主要包括：发电模块关键技术研究，包括原动机的选择和新型原动机的研制，研制高功率、高能量密度的交流或直流发电机，全船环形电网关键技术研究等；配电模块关键技术研究主要包括区域配电模式研究等；电力变换模块关键技术研究主要包括大容量电能变换技术研究，中、高压电网的安全性研究等；电力控制模块关键技术研究主要包括电力系统智能化综合监控与管理技术研究等；推进电机模块关键技术研究主要包括现有推进电机应用于系统研究，新型推进电机及其应用于系统的可行性研究等；能量储存模块关键技术研究：对于未来的全电力船舶，电力系统是全船的基础，也是唯一的能量来源，提高电力系统的供电可靠性及供电品质，是保障船舶安全稳定运行的前提。当电力总线为某一设备提供电功率时，为避免对其它电气设备的影响，可使用中间储能设备来维持总线的稳定性。因此应开展新型储能技术，如超导储能技术、蓄电池储能技术、飞轮储能技术等研究以及能量管理模式研究等；系统集成技术研究：系统的集成的核心在于系统的综合优化和系统的控制与管理，因此应开展包括系统模块化及综合优化技术、系统综合智能监控技术、系统稳定控制技术、系统保护技术、系统综合智能管理等技术的研究。

推进电机是综合电力系统的重要组成部分。美、英海军目前采用感应推进电机，正在研制永磁电机，下一步将研制超导电机。电力推进的一个主要研究内容就是推进电机交流化，其核心是电力变换器与交流推进电机的技术组合。未来电力船舶对推进电机单机容量的需求日益增大，直流推进电机因受极限功率的限制，已不能满足要求。

随着电力电子技术、现代控制理论技术的发展，交流电力推进系统取代直流电力推进系统势在必行。

永磁推进电动机与传统推进电机相比，具有体积小、重量轻、高比功率、效率高、噪声低、易于实现集中遥控、可靠性高、可维性好等优点。高温超导电机由于体积和重量的大幅度降低，电机制造成本大为减少，与传统电机相比，其成本可降低25-40%；电机振动和噪声非常小，并且电机的转动惯量小，能较快传递力矩；电机的尺寸和重量可分别减少到传统电机的1/3到1/5。目前国际上6500马力的高温超导电机已研制成功，大功率超导电机即将商品化。

（2）综合电力系统适装性技术研究