舰船综合电力推进技术的发展现状研究

第２４卷第３期（总第１４１期）　船　舶　Ｖｏ１．２４　Ｎｏ．３　２０１３年６月　ＳＨＩＰ＆ＢＯＡＴ　Ｊｕｎｅ，２０１３　［船舶电气与通信］　舰船综合电力推进技术的发展现状研究　朱炜１李辉辉２　（１．海军驻上海沪东中华造船（集团）有限公司军事代表室　上海２００１２９；　２．中国船舶及海洋工程设计研究院　上海２０００１１）　【摘　要］详细阐述舰船综合电力推进系统及技术的内涵和特点，分析以美、英两国海军为代表的国外海军综合电力推进技术　发展现状以及其涉及的推进电动机、变流器等关键技术，同时指出我国在发展综合电力推进技术过程中存在且急需解决的一　些关键性问题。　［关键词］综合电力推进；系统组成；国内外发展比较；关键技术　［中图分类号】Ｕ６６４．１４　［文献标志码］Ａ　［文章编号］１００１—９８５５（２０１３）０３一ｏｏ６４一Ｏ５　Ｏｎ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｓｈｉｐ　ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ＺＨＵ　Ｗｅｉ　Ｕ　Ｈｕｉ—ｈｕｉ　（１．Ｎａｖｙ　Ｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｖｅｓ　Ｏｆｉｆｃｅ　ｏｆ　Ｈｕｄｏｎｇ—ｚｈｏｎｇｈｕａ　Ｓｈｉｐｂｕｉｌｄｉｎｇ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｓｈａｎｇｈａｉ　２０００　１　１，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｍａｒｉｎｅ　Ｄｅｓｉｇｎ＆Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｃｈｉｎａ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　２０００１　１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ　ｉｎ　ｄｅｔａｉｌ　ｔｈｅ　ｍｅａｎｉｎｇｓ　ａｎｄ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ｅｌｅｃｔｉｒｃ　ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｎｄ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｉｔ　ａｎａｌｙｚｅｓ　ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ｅｌｅｃｔｉｒｃ　ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　ｆｏｒｅｉｇｎ　ｎａｖｙ，ｒｅｐｒｅｓｅｎｔｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ＵＳ　ｎａｖｙ　ａｎｄ　ｔｈｅ　Ｒｏｙａｌ　Ｎａｖｙ，ａｎｄ　ａｌｓｏ　ｔｈｅｉｒ　ｋｅｙ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｓｕｃｈ　ａｓ　ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ　ｍｏｔｏｒ　ａｎｄ　ｃｏｎｖｅｒｔｏｒ．Ｍｏｒｅｏｖｅｒ，ｉｔ　ｐｏｉｎｔｓ　ｏｕｔ　ｔｈｅ　ｅｘｉｓｔｉｎｇ　ａｎｄ　ｕｒｇｅｎｔ　ｋｅｙ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｄｕｒｉｎｇ　ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ　ｔｈｅ　ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ｅｌｅｃｔｉｒｃ　ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｎ　ｏｕｒ　ｃｏｕｎｔｒｙ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ；ｓｙｓｔｅｍ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ；ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ａｔ　ｈｏｍｅ　ａｎｄ　ａｂｒｏａｄ；　ｋｅｙ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　由共同的发电机组供电，实现能源综合利用和统一　０　引　言　管理。满足所有负荷如推进系统、日用负载、通信导　航负载以及舰载武器需要的一种全电力系统。舰船　舰船电力推进已有１００多年的历史．传统的电　综合电力推进系统由于其固有的优势已成为舰船动　力推进是一种由原动机带动发电机发电．经变频器　力系统发展的趋势。同时也是海军高新技术装备发　供电给推进电动机，从而驱动螺旋桨的推进方式，受　展的重要方向。　多种因素影响电力推进技术经历了一个曲折的发展　过程［　］。　１综合电力推进系统　自２０世纪８０年代以来，随着电力、电子以及变　频调速等技术的迅速发展，综合电力推进系统的概　１．１发展历程　念应运而生。舰船综合电力推进系统（又称综合电　舰船推进的发展经历了从机械传动到电力推进　力系统）是指将电力系统和推进系统有机结合起来．　再到综合电力推进的过程。　［收稿日期］２０１２—０６—２１；［修回Ｅｔ期］２０１２—０８—２７　【作者简介］朱炜（１９７９一），男，博士，工程师．研究方向：机电一体化。　李辉辉（１９８１一），男，硕士，工程师，研究方向：船舶总体。　朱　炜．等：舰船综合电力推进技术的发展现状研究　１８３８年，俄国科学家雅柯宾首次用直流电机和　蓄电池，应用于一艘小船的动力试验，形成“电力推　进”的概念。１８６０年，世界上第一艘以蓄电池为动　力．电动机直接驱动的电力推进潜水艇投入使用。　１９０８年，美国建造的第一艘以直流电力推进作为主　动力的消防船，开创了舰船电力推进技术应用的先　河。进人２０世纪，大部分潜水艇都采用电力推进方　式．常规潜水艇在水面航行时由柴油发电机组给蓄　电池充电；在水下由蓄电池供电，电动机驱动航行；　核潜艇则采用原子能发电、电动机驱动的推进方式。　“兰利”号（ＣＶ一１）是美国海军第一艘由运煤船　改装的往复蒸汽机交流电力推进航母。据统计，二　战期间。仅美国就建造了３００多艘柴油机一发电机一　电动机驱动模式的战舰和军辅船；战后，电力推进因　受装置本身大而笨重、效率低、成本高及其他技术条　件的限制。未能得到广泛应用，大型水面舰船均采用　蒸汽轮机和燃气轮机推进，用柴油发电机做辅机　使用。中小型舰船则大部分以柴油机作原动机机械　推进。　自２０世纪８０年代以来，舰船综合电力推进系　统的应用发生了根本性变化。一方面是各国对军舰　的作战能力、舒适性和操纵性等的要求进一步提高；　另一方面．随着电力电子器件、交流电机、变频设备　及其控制技术的快速发展，兆瓦级以上的各种交流　电机调速变换器已获得成功应用．成本也大大降　低。满足各种需求的综合电力推进系统成为越来越　经济的一种选择，也成为一种必然的发展趋势￣３－４］。　进入９Ｏ年代后。美国提出并开始了新型舰船综合　电力系统（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｙｓｔｅｍ，ＩＰＳ）的研发；英　法两国提出并开始了综合全电力推进（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　Ｆｕｌｌ　Ｅｌｅｃｔｉｒｃ　Ｐｒｏｕｌｓｉｏｎ，ＩＦＥＰ）的计划；同期，荷兰也　提出了全电力船（Ａｌｌ　Ｅｌｅｃｔｉｒｃ　Ｓｈｉｐ，ＡＥＳ）的概念。　１．２相关概念　舰船综合电力推进技术是在传统机械式直接推　进的基础上逐步发展起来的。这项技术的出现，将　使未来军用舰船的发展出现“革命性”的变化．由此　也衍生出许多不同的概念［５］。　综合全电力推进的概念由英、法海军提出。主要　强调舰船推进和１３用负载由同一发电系统供电；综　合电力系统的概念由美国海军提出，主要强调由同　一电源向推进系统及全船所有其他电力负载供电，　不必再配置单独的发电设备：全电力舰的概念由荷　兰等国海军提出。主要强调除推进用电和１３常用电　外，充分使所有非电动辅助机械以及武器装备全部　实现电气化：电力战舰（Ｅｌｅｃｔｉｒｃ　Ｗａｒｓｈｉｐ）则强调在　电力舰船的基础上，采用大功率探测设备、激光及电　磁炮等高能武器。　从上述概念中不难发现。其基本内涵都是在强　调“统一供电”的同时综合考虑系统集成、全寿命周　期成本、标准化等问题。现阶段仅能实现“推进和日　用负载由同一发电系统供电”和“变频调速电力推　进”，距离实现“全电力舰船”还有一定差距，因此目　前在概念上把这种技术统称为“综合电力推进”也是　较为合适的。　１．３　系统组成及研究意义　综合电力推进系统主要包括发电模块、区域配　电模块、电力变换模块、能量管理模块以及推进等模　块，每个模块都是高度集成的完整系统。其典型结构　见图１。　甓　詈ｈ　区域配电ｌ　　ＩＩ区域配电ｌ　＼／　ｌ区域分配鼻　　能武器电　电能调度、　推进模块（包括　普换模块　分配、管理　推进电力模块　智能化模块　和推进电机）　能ｉｘ　域配电ｌ詈　ｌ区域配电Ｉ嚣力Ｉ　　ｌＷＨＧｎｈ　ｌ区域分配券　　图１　综合电力推进系统示意图（Ｇｉ为发电机）　开展综合电力推进系统的研究的意义主要有：　（１）有利于优化舰船总体设计；　（２）有利于简化舰船动力系统结构；　（３）有利于提高舰船的隐蔽性；　，　（４）为未来使用舰载高能武器系统提供电力　保障：　（５）对未来舰船作战方式产生重大影响。　１．４综合电力推进的优势　与机械推进方式相比．综合电力推进系统具有　诸多优势。　１．４．１　经济性好　根据美国海军的相关报道，驱逐舰采用全电力　推进，在３０年全寿命期间将比机械推进节省１６％　以上的燃料费。其原因在于：　（１）低速航行时，可用较少的发动机提供相同　的净功率。　（２）低速航行时，能够使原动机在高功率点　６５　第２４卷第３期（总第１４１期）　２０１３年６月　船　舶　Ｖｏ１．２４　Ｎｏ．３　ＳＨＩＰ＆ＢＯＡＴ　Ｊｕｎｅ，２０１３　运行。　进电机等各个环节都有一定的冗余．其中任何一台　柴油机故障都不会影响推进器的工作。通过合理布　局和控制分配等保护保护手段．使系统具有很强的　抗故障能力，提高了舰船的生命力。　（３）系统省去了舰船的辅助装置和战斗系统所　需的单独发电机组。　（４）在双体船、三体船等非常规船型上使用时，　系统易于实现自动化，且减少了人员配置，降低了培　训费。布置的灵活性使得舰船的结构得以优化，可　减少舰船的排水量；同时也改善了舰船的生产效率．　有利于模块制造，降低了生产费用；航行时．只让保　持最小数量的原动机运行，减少了原动机的总运行　２国内外综合电力推进技术发展状况　从２Ｏ世纪８Ｏ年代起，综合电力推进技术进人　快速发展阶段。民用船舶市场已突破特种船舶的局　时间，节省了维护费用和燃油总消耗。　１．４．２提高舰船战斗力　（１）由于减少了原动机数量，特别是取消了大　型传动轴承和齿轮箱的使用，可腾出有效空间以装　载更多货物或武器；并且，由于选用了高中速柴油　。机，便设备体积大大减小，占用船体空间也更少。　（２）能为未来的激光、电磁等高能武器提供足　够的电力。　（３）操纵性大大改善。推进器由电机控制，能在　全速范围内实现无级调速，较机械传动大大提高了　对指令的响应速度。　（４）续航力得到提升，不仅降低了耗油量。同时　可装载更多的燃油，即使同样的燃油也可提供更大　的续航力　（５）对于柴油机和燃气轮机，一般都是一个方　向运转，在实际使用过程中，为达到低速稳定性和操　纵性，现代舰船多采用可调距螺旋桨。但这种方式　不便维修且需耗费大量的燃料；电力推进则可通过　转换电源的极性或相位。快捷实现反向运转．从而提　高舰船的操纵性和灵活性。　（６）由于突破了将发动机、推进器、传动轴系布　置在一条直线上的传统设计模式。用电缆完全取代　机械连接，原动机可以布置在任何地方，使全舰系统　和设备布置更加灵活，可降低舰船排水量。　１．４．３增强舰船生命力　（１）降低了噪声，提高了隐蔽性。由于原动机可　以布置在水线以上，从而可以降低水下辐射噪声：且　由于取消了传动轴和齿轮箱，因此大大降低了振动　噪声，与机械推进相比。在宽频带可降低ｌ５～２０　ｄＢ．　在窄频带降低更多：　（２）操作人员可选择最合适的发动机组合形式。　确保每台发动机都以最佳效率工作，避免发动机的　低负载运行：　（３）采取集中供电的方式，且从发电机组到推　６６　限，综合电力推进技术被广泛应用在集装箱船、ＬＮＧ　船、海洋浮式平台和豪华游轮等船舶上。国际三大　综合电力推进系统集成公司（ＡＢＢ、阿尔斯通、西门　子）的综合电力推进成套装置装船总量以每年２０％　以上的速度递增。　２．１国内综合电力推进技术发展状况　综合电力推进系统由于初期投资较高，在民用　运输船市场应用较少。但进入２１世纪以来．我国民　船电力推进技术的发展还是在工程船和公务船市场　取得了长足进步。２００２年广船国际为ＣＯＳＣＯ建造　的１８　０００　ｔ半潜船“泰安口”号是我国第一艘自行建　造的海洋工程大型特种船舶，该船采用２套ＳＳＰ吊　舱电力推进系统；２００５年江南造船建造的“海监８３”　号是我国自行设计的采用紧凑型吊舱装置的全电力　推进系统的船舶；２００６年投入试运行的烟大火车轮　渡也采用电力推进；同年ｌＯ月，天津新港造船厂建　造的我国首艘采用全电力推进系统的火车滚装船　“中铁渤海１号”顺利交工。　近几年，中国船舶及海洋工程设计研究院设计　的半潜重载船、起重船、物探船大部分采用了全电力　推进系统，如“华海龙”号、“海油２７８”号、“海油７２０”　号等。但由于国内船用设备的研发能力不足，民船　电力推进系统绝大多数都是由国外系统集成设计．　综合电力推进技术的发展仍处于一种被动跟进状　态。可喜的是我国某大学的综合电力推进系统已通　过样机试验，初步具有装船能力。　２．２国外综合电力推进技术发展状况　西方国家早在２０世纪８０年代中期就开始相关　技术的研发，美、英、荷兰等国海军都制定了发展　ＩＰＳ、ＩＦＥＰ及ＡＥＳ的研发计划和战略规划。经过２Ｏ　多年的发展，西方国家正逐步突破一些关键技术．进　入了舰船综合电力推进系统的工程应用阶段，其中　最具代表性的就是美国海军的ＤＤＧ一１０００型驱逐　舰和英国海军的４５型驱逐舰。　第２４卷第３期（总第１４１期）　２０１３年６月　船　舶　Ｖｏ１．２４　Ｎｏ．３　ＳＨＩＰ＆ＢＯＡＴ　Ｊｕｎｅ，２０１３　现未来舰船在总体上发生的根本变化。而采用综合　电力推进系统则是未来舰船发展的核心。　２．３国内外的发展差距分析　发达国家的舰船综合电力推进技术研究比我国　早２０多年，无论是在基础理论还是在工程实践中都　积累了丰富的经验。我国同他们的差距主要表现在　系统集成设计能力、关键产品设备存在代差以及试　验验证能力严重缺乏等方面，其原因主要有：　（１）高端专业技术人员匮乏，基础研究还未得　到足够重视：知识产权保护不力造成企业不敢大力　投入，上级部门也缺乏发展思路和规划研究．造成技　术的发展缓慢：　（２）科研技术力量分散，成果无法应用到实船，　形成整体和全局的弱势：　（３）没有统筹好基础科研和相应的环境建设。　３综合电力推进关键技术　从作战舰船宏观发展进程上看．综合电力推进　技术的应用当前处于全面发展的阶段，对应其工程化　实现．我国需要大力解决的关键技术及设备主要有：　３．１　系统集成设计技术　综合电力推进系统的设计涉及多个学科领域．　是多种技术的综合应用．舰船的作战需求也对系统　提供电能的要求不断提高，高品质和高功率密度是　最关键的性能。因此需要对构成系统的各个模块及　模块之间的集成技术进行研究．以达到系统的最优　化设计。　３．２系统主要设备及相关技术　未来电力舰船对电力的需求日益增大，研究以　提高功率密度为目标的主要设备设计技术也是必不　可少的，包括动力装置（高效柴油机、燃气轮机、燃料　电池电站、发电机组等）、配电装置、驱动装置（推进　电动机、可适应多种中压电制的大容量变流变频器、　移相变压器等）推进装置、控制装置以及用于电磁探　测、电磁武器和电磁弹射的大容量储能装置等。　３．３供电、配电和电能管理技术　优质的电能必须经过网络和监控才能高效安全　地利用，集成化供电、环形电网结构、区域配电思想和　智能化的电能管理是实现这一目标的先进技术途径。　３．４舰船综合电力推进系统适装性技术　综合电力推进系统也对舰船总体设计提出新的　６８　要求，特别是中压输电技术、电磁兼容技术等舰船的　适装性问题，并提出对舰船安全性、可靠性等新要求。　４　结　论　舰船综合电力推进系统是需求牵引和技术推动　的产物，它涵盖从ＩＰＳ、ＩＦＥＰ及ＡＥＳ到电力战舰的　多种概念，代表一个不断发展的新技术领域。　综合电力推进已成为２ｌ世纪舰艇全面提升战　斗力、操纵性、可靠性、维修性、保障性、安全性等问　题的关键，大力开展舰船综合电力推进技术研究，是　我国海军发展战略的迫切需求。为此必须充分发挥　研究院（所）、院校等多方面力量，加快综合电力推进　关键技术（总体设计技术、系统控制与调速技术、大　功率变频技术、高压大容量电力集成技术等）研究的　步伐，通过必要的设备和技术引进，努力缩短与先进　水平的差距，实现我国舰船的跨越式发展。　［参考文献］　［１］汤建华，赵乌恩，杨子龙．船舶综合电力推进技术发展　思路研究［Ｊ］．舰船科学技术，２０１０，３２（５）：１３４—１３８．　［２］芮江，由大伟．舰船综合电力推进技术的现状和发展趋　势［Ｊ］．舰船科学技术，２０１０，３２（４）：３－６．　［３］ＣＨＵＮＧ　ＩＬ—Ｙｏｐ　Ｃ，ＬＩＵ　Ｗｅｎｘｉｎ，ＳＣＨＯＤＥＲ　Ｋ，ｅｔ　ａ１．　Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ａ　ｂｉ－－ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ　ＤＣ－ＤＣ　ｃｏｎｖｅ￣ｅｒ　ｍｏｄｅｌ　ｉｎｔｏ　ａ　ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ａ　ｓｈｉｐｂｏａｒｄ　ｍｅｄｉｕｍ　ｖｏｌｔａｇｅ　ＤＣ　ｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．Ｅｌｅｃｔｉｒｃ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｙｓｔｅｍｓ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ，　２０１１，８１：１０５１－１０５９．　［４］　ＭＥＣＲＯＷ　Ｂ　Ｃ，ＪＡＣＫ　Ａ　Ｇ．Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ｔｒｅｎｄｓ　ｉｎ　ｅｌｅｃｔｉｒｃ　ｍａｃｈｉｎｅｓ　ａｎｄ　ｄｒｉｖｅｓ［Ｒ］．Ｅｎｅｒｇｙ　Ｐｏｌｉｃｙ，２００８，３６：４３３６－　４３４１．　［５］ＤＯＥＲＲＹ　Ｎ　Ｈ＿Ｎｅｘｔ　ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ｐｏｗｅｒ　ｓｙｓｔｅｍｓ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｆｕｔｕｒｅ　Ｆｌｅｅｔ［Ｊ］．Ｎａｖａｌ　Ｓｅａ　Ｓｙｓｔｅｍｓ　Ｃｏｍｍａｎｄ，　２００７：１－２２．　［６］ＤＡＬＴＯＮ　Ｔ，ＭＣＣＯＹ　Ｒｅｃｅｎｔ　ＵＳ　ｎａｖｙ　ＩＰＳ　ｓｈｉｐ　ｄｅｓｉｇｎｓ：　ａ　ｒｅｔｉｅｃｔｉｏｎ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｐａｓｔ　ｗｉｔｈ　ａ　ｌｏｏｋ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｆｕｔｕｒｅ［Ｃ］，／　ＡＳＮＥ　Ａｄｖａｎｃｅｄ　Ｎａｖａｌ　Ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ　Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ，Ｗａｓｈｉｎｇｔｏｎ　ＤＣ：［ｓ．ｎ．］，２００８．　［７］冀路明，徐定海，陈新刚．发展综合全电力推进技术是　现代舰船发展的客观要求［Ｊ］．船舶，２００２（２）：５３—５５，６３．　［８］　叶国泉，沈林涛．吊舱式电力推进装置的首次成功应用　［Ｊ］．船舶，２００７（６）：４３—４７．　［９］林耿菁，闫大海，符道．综合电力推进：现代船舶的动力　革命［Ｊ］．中国船检，２００４（５）：１２—１４．