郭晓亮 全电力战舰讲解

研究适用于大型舰艇电力系统的中高压多相交流发 电机整流集成发电技术；
研究交直流电力集成多绕组发电机发电技术，主要 有：不同交直流容量比的交直流电力集成双绕组发电机、 交流双电压双绕组发电机以及交流双频率、双电压双绕 组发电机；
研究高功率密度和高品质舰艇集成发电技术，如高 速异步整流发电机技术、舰船电机蒸发冷却技术。
全电力战舰综述——优点
• 原动机可以随意安排位置，不再因为要考虑齿 轮箱而有许多要求与限制 • 推进与日常所需电力由一套公用发电设备提供， 不需要专门的日用电供电站 • 电能能够很容易被叠加 • 具有较小直径的推进电动机能够被放置在更接 近船尾，使螺旋桨的轴长减小 • 不需要齿轮箱和变螺距控制器，机械噪声减小 • 高可靠性，高效率
• 综合电力系统是将舰船发供电与推进用电、舰 载设备用电集成在一个统一的系统内，从而实 现发电、配电与电力推进用电及其他设备用电 统一调度和集中控制，其典型结构如图：
舰船综合电力系统——研究意义
• 有利于优化舰船总体设计 • 有利于简化舰船动力系统结构 • 有利于提高舰船的隐蔽性 • 对舰船作战使用产生重大影响 • 为未来舰载高能武器系统使用提供电力保障
舰船综合电力系统——关键技术
• 电力集成技术：
要实现综合电力系统，首先完成各电力模块的集成 （包括发电模块、电能变换模块、推进模块、电能智能 化管理模块等），再实现全系统的集成。在集成中，必 须解决损耗与散热、电磁兼容等难题。电力集成技术主 要学科基础为电机、电气工程、控制工程，与其密切相 关的学科有：信息与通信工程、计算机科学与技术、仪 器科学与技术、动力工程与工程热物理、材料学与工程、 机械工程等。
舰船综合电力系统——关键技术
• 高功率密度的交流或直流发电模块化技术 • 智能化管理的环形电网区域配电及监控管理技 术 • 电力推进电动机及其变频调速技术 • 大容量电能的静止变换技术 • 独立电力系统的电磁兼容技术 • 电力集成技术
舰船综合电力系统——关键技术
• 高功率密度的交流或直流发电模块化技术：
舰船综合电力系统——关键技术
• 电力推进电动机及变频调速技术：
舰船电力推进系统主要包括推进电动机技术和系统 监测与控制技术。 需要开展的研究内容有：大功率电力推进电动机技 术如交流永磁推进电动机的结构性能及设计、电力推进 系统监测与控制技术（直流推进电动机最有调速控制技 术、多相永磁交流同步电动机的变频调速系统、多相交 流电动机变频调速控制策略及控制技术）。
舰船综合电力系统——关键技术
• 独立电力系统的电磁兼容技术：
舰船设备分布密集，电力系统容量有限，系统内的 电磁兼容问题十分突出，直接关系到系统和用电设备的 可靠安全运行，这也是决定综合电力系统成败的关键。 需要开展的研究有：电力集成化模块中的电磁干扰 研究、舰船直流电力系统电磁兼容研究、舰船交流电力 系统电磁兼容研究、舰船壳体及电缆屏蔽网形成的地电 网对电力系统电磁兼容性能的影响研究、整个综合电力 系统电磁兼容性研究。
智能电网——舰船智能电网的应用
• 智能检测控制
• 依赖先进的分布式传感测量和宽带信息通信技术，进行 电气设备信息的无缝连接、高度集成和互动共享，实现 先进的三维、动态、可视化电网电镀和高级能量管理 • 通过优化计算分析进行有效的实时潮流控制和负荷监控， 为操作人员提供智能决策和综合调控方案 • 集成保护和重构体系，提高紧急情况下电力系统使用管 理水平，优化快速地恢复系统运行，避免人为吴操的发 生 • 与其他系统和部门之间进行有效信息交换，完善和提高 电力用户需求相应和需求侧管理，达到资源和设备的优 化利用
舰船综合电力系统——关键技术
• 智能化管理的环形电网区域输配电及监控管理 技术：
采用环形电网区域配电系统取代干馈式配电系统， 必须为各类舰船研究设计适当数量和容量的发电模块， 确定输配电方式，适时地根据全船符合工况调控各发电 模块运行方式。 主要研究内容：舰船电站设计和应用研究，环形区 域电力系统中多电站并联运行特性研究，电力系统状态 监测与集中控制，环形电网区域配电系统各种保护准则。
全电力战舰综述——新概念武器
• 舰载电热化学炮：使用电能大脉冲启动和控制 能量推进剂的燃烧，使用电能和化学能组合的 混合式推进过程 • 舰载电磁炮：以电能为动力、采用电磁发射技 术使弹丸获得高速的发射装置 • 舰载高能激光武器：利用定向发射的激光束直 接摧毁目标的光束武器
舰船综合电力系统——概述
Hale Waihona Puke Baidu
智能电网——舰船智能电网的应用
• 智能综合保护
• 根据网络结构、系统状态和故障类型在线实时修改保护 设备动作整定数值，满足继电保护可靠性、快速性、选 择性、灵敏性要求 • 引入陆地电网的差动保护和方向保护技术，改善发电机 保护、母线保护和基本网络保护的选择性 • 设计先进的故障电流限制器，迅速识别故障并限制电流， 改善断路器切断容量不足的问题 • 与电力变换模块相结合，集成电能转换、检测控制、故 障限流及保护于一体
舰船综合电力系统——研究意义
• 对舰船作战使用产生重大影响：
其一，综合电力系统可以实现推进和舰载武备系统 之间的电能分配的集中控制，特别是采用环形电网加区 域配电系统的供电模式，提供了电能合理流动的物理途 径，这对进一步提高舰载武器装备的可靠性是十分有利 的。它为舰船战斗使用提供了更大的选择范围，增强在 高威胁环境下的生存能力和作战效能。 其二，综合电力系统采用电力推进方式，既弱化了 舰船的噪声特性，又使舰船可以采取更加灵活的机动形 式，对作战方式产生积极的影响。
舰船综合电力系统——研究意义
• 有利于优化舰船总体设计：
电力系统在舰船总体设计中占有十分重要的地位。 传统电力系统设计将发供电、电力推进和舰载设备用电 各系统之间相互割裂，不利于总体设计得优化，而综合 电力系统的设计思想是系统化、模块化和集成化，它将 系统各部分联系起来，统一研究，为舰船总体设计提供 了总体优化的基础。 它可以节约舰船的有限空间，提高空间利用率，增 加舰船燃料和弹药的携带量，增强舰船的续航能力和战 斗力；可以优化装备的空间布置，如灵活布置原动机， 增加舰船的稳定性，提高舰船的适航性、抗沉性等性能； 可以增强动力系统的防护能力等。
智能电网——定义
• 智能电网的定义：
将先进的传感测量技术、信息技术、通信技术、计 算机技术、自动化技术和原有的输配电基础设施高度集 成而成的新型电网。
智能电网——舰船智能电网的特征
• 传统舰船电网特征
• • • • • • • • • 采用三相不接地系统 电制为低压或中压等级，系统小 抗干扰能力差 负荷数量和种类多，所需电力接口多样 电网结构相对简单 潮流控制方式单一 电网与负荷之间没有通信 保护装置事先离线整定 实际操作依赖人工
结语
• 随着世界各国对舰载新型武器研究和未来战争 对舰船作战性能要求的不断提高，新型全电力 战舰已经成为未来海军的必经之路，而舰船综 合电力系统作为核心技术，必然要进行更加深 入的研究和实践。 • 智能电网是未来舰船电力系统的发展趋势，随 着我国舰船的型号、吨位和数量不断增加，对 电力系统的要求越来越高，开展智能电网技术 研究是舰船发展的必然和需求。
舰船综合电力系统——关键技术
• 大容量电能的静止变换技术：
主要研究大容量变流器的拓扑结构形式、新型电力 电子器件的使用、数字控制策略研究，关键是开发配套 的新型电力电子器件。 美国海军研究局使用氢氧化物、集成电路、电力半 导体、电力电子技术对模块化电力电子标准组件进行设 计和制造；采用宽带隙半导体材料代替硅，以提高电力 电子标准组件的运行温度和电压。
智能电网——舰船智能电网的应用
• • • • • 智能发电及电力变换 智能规划与重构 智能综合保护 智能检测控制 智能综合电力
智能电网——舰船智能电网的应用
• 智能发电及电力变换
• 利用先进的电机结构设计和超导技术较小设备尺寸重量， 减低费用和噪声，提高舰船结构布置设计灵活性 • 集成化新型发电理论与发电系统结构，改善热传导特性 和冷却技术 • 提高系统电压等级至中压水平，式配电专制和配电缆小 型化，降低工作电流和短路电流 • 通过谐波综合治理和电磁兼容控制，保证供电电力品质
智能电网——舰船智能电网的应用
• 智能综合电力
• 将日常配电系统与全电力推进系统、高能买宠物其发射 系统等有效组合以减小舰船设备总体尺寸重量 • 采用模块化、系列化、标准化产品，降低建造阶段的采 购费用 • 综合管理舰上能源，减少能源消耗及机器磨损，能量分 配及设备的操作控制更加灵活 • 通过先进的点击设计和电力电子调速控制技术灵活高效 低控制舰船航行状态 • 利用电容飞轮等储能技术装置提供瞬时高能脉冲
智能电网——舰船智能电网的应用
• 智能规划与重构
• 规划设计合理而灵活的供配电电制和网络结构形式，发 展交直流混合供电和区域配电系统，根据当前舰船工况、 系统运行状态以及符合优先等级，利用约束条件和目标 函数优化选择供电路径，保证系统稳定运行 • 快速隔离故障和自我恢复，具有智能化自愈性能，提供 全面、优化、系统的故障恢复决策，重新构建配电网络， 保障舰船的生命力和战斗力 • 精确检测大家舰船的武器，并对舰船造成损伤的位置进 行预测，在遭受打击前进行重构操作，减小对电力网络 和电气设备的潜在损坏
舰船综合电力系统——研究意义
• 为未来舰载高能武器系统的使用提供电力保障：
国内外研究表明，舰船在接近最高航速时，其一般 的推进动力大约只能增加最后10%的航速。例如，一艘 设计为30kn最高航速的舰船，其50%的推进动力被用于 增加最后3kn的速度，达到27kn的航速只需大约50%的 推进动力。 在支持舰载系统的电力需求持续呈几何级数增长的 今天和可预见的将来，舰船电站装机容量需求将从现在 的几千kW达到几万甚至10万kW的规模，电力系统中大 容量电能的产生、变换以及电力推进与其他设备、武器 装备的动力分配与控制成为一个重要课题。可以肯定地 说，采用综合电力系统方案是一种行之有效的技术途径， 它既保证推进时充足的动力，又能提供战斗状态下的高 能电力。
舰船综合电力系统——研究意义
• 有利于提高舰船的隐蔽性：
传统的舰船直接推进系统中，连接主机和推进器的 齿轮箱等传动装置形成了将主机噪声直接向水中传播的 主要导体。 对于电力推进舰船，螺旋桨轴系与推进电动机相连， 推进电机与主机之间只存在电缆构成的柔性链接，取消 了变速齿轮箱系统，切断了主机向外界传播噪声的一个 重要途径。同时集成化发电及环形电网区域配电方式， 减少了舰船特种装置所需要的发电机组、变流机组种类 和数量。这些对于弱化舰船噪声特征、提高作战舰船的 生存力具有重要意义。此外在电力推进舰船中，机械动 力设备的减少，以及主机布置的灵活性有利于提高舰船 的隐蔽性。
舰船综合电力系统——研究意义
• 有利于简化舰船动力系统结构：
传统的舰船动力系统中，舰船推进是由大型主机完 成，而供电系统则是另外一个相对独立的系统。综合电 力系统的推进形式为电力推进，将主动力系统与供电系 统合并，大大压缩了各种热机的数量；同事由于电能的 优势，易实现集成和灵活控制，使各系统高效效率运行， 必将大大简化舰船动力系统的结构。
智能电网——舰船智能电网的特征
• 舰船智能电网特征
• 宏观上讲，舰船智能电网是精细管理，以坚强网架为基 础，以通信信息平台为支撑，以智能控制为手段，包含 发电、输电、变电、配电、用电等各个环节，事先电力 流、信息流、业务流的高度一体化融合，电网坚强可靠、 经济性高、透明开放、友好互动。 • 微观上讲，舰船智能电网进一步优化了电网控制，构建 结构扁平化，功能模块化，系统组态化，是一种荣幸体 系结构，通过集中与分散相结合，灵活变换网络结构、 智能重组系统结构、最佳配置系统效能、优化电网服务 质量，实现与传统电网截然不容的电网构成理念和体系。
全电力战舰
舰船综合电力系统
报告人：郭晓亮 指导老师：周凯
目录
• 全电力战舰综述
• 舰船综合电力系统
• 智能电网在舰船电力综合系统中的应用
全电力战舰综述——概念
• 全电力舰船（AES）： 传统舰船的动力系统和电力系统是相对独 立的，动力系统通常由常规的热机和其他机械 装置构成，电力系统一般是作为辅助能源，与 舰船推荐并没有直接的关联。全电力舰船是将 电力系统与推进系统相结合的舰船。