現(xiàn)代艦船電力技術(shù)的研究與實(shí)踐

時(shí)宣華

現(xiàn)代艦船電力技術(shù)的研究與實(shí)踐

時(shí)宣華

（江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院揚(yáng)州分院，江蘇 揚(yáng)州 225003）

本文闡述了高速發(fā)展的電力技術(shù)與現(xiàn)代艦船的電力保障需求，剖析了電力技術(shù)的現(xiàn)代艦船雙極微電網(wǎng)和算法理論構(gòu)建研究，給出了電力技術(shù)的現(xiàn)代艦船供電系統(tǒng)和輸電系統(tǒng)實(shí)踐應(yīng)用，研究指出電力系統(tǒng)能有效服務(wù)現(xiàn)代艦船的高質(zhì)量發(fā)展。

電力技術(shù) 艦船 電力系統(tǒng)

0 引言

自20世紀(jì)70年代以來(lái)，一些具有代表性的電力電子設(shè)備首先部署在地面網(wǎng)絡(luò)中，技術(shù)成熟后逐漸應(yīng)用于船舶等海上交通工具。電氣工程系統(tǒng)一方面促進(jìn)了船舶能量轉(zhuǎn)換方式和設(shè)備更新，另一方面從根本上彌補(bǔ)了原有船舶動(dòng)力推進(jìn)不足的問(wèn)題，使艦船動(dòng)力推進(jìn)的優(yōu)勢(shì)得到了進(jìn)一步的提升。20世紀(jì)80年代中期，國(guó)外研制出第三代集成功率電力電子器件，后被稱為第二次電子革命的先驅(qū)，其集成了不同性能級(jí)別的驅(qū)動(dòng)、保護(hù)、檢測(cè)和性能單元，更加的舒適可靠[1]。

1 綜合電力系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r

通過(guò)電力技術(shù)，電網(wǎng)可以得到更有效的管理，電網(wǎng)的整體質(zhì)量也可以得到改善。電力技術(shù)是利用電子元件來(lái)控制系統(tǒng)，從而減少系統(tǒng)中的故障數(shù)量，確保更有效的運(yùn)行。發(fā)電是電力技術(shù)的主要應(yīng)用，它可以用來(lái)控制和監(jiān)測(cè)電力系統(tǒng)，從而減少系統(tǒng)中的故障，減少人工操作成本，降低事后維修的難度。

目前，綜合電力系統(tǒng)分為兩類：第一代-中壓交流系統(tǒng)和第二代-中壓直流系統(tǒng)。目前世界上廣泛使用的船用綜合電力系統(tǒng)可以看作是第一代綜合電力系統(tǒng)技術(shù)：以中壓交流系統(tǒng)為主，沒(méi)有儲(chǔ)能子系統(tǒng)，存在設(shè)備體積和重量大、系統(tǒng)效率低、功率連續(xù)性差等缺點(diǎn)；第二代綜合電力系統(tǒng)采用中壓直流系統(tǒng)。中壓直流技術(shù)消除了主驅(qū)動(dòng)速度和母線頻率之間的相互影響，不需要大功率齒輪箱和變壓器，克服了系統(tǒng)頻率限制，提高了系統(tǒng)效率和功率密度，降低了設(shè)備噪音和振動(dòng)水平，并大大減少了設(shè)備尺寸和重量。第二代IME系統(tǒng)極大地提高了艦艇的機(jī)動(dòng)性和可靠性，并使高功率密度的武器和設(shè)備得以運(yùn)送。誠(chéng)然，電子部件的更新不可避免地導(dǎo)致設(shè)備的更換，全控設(shè)備的引入給變頻器帶來(lái)了新的活力，其中電力設(shè)備的檢測(cè)和控制系統(tǒng)也取得了顯著的研究成果[2]。

2 現(xiàn)代艦船的電力保障需求

綜合能源系統(tǒng)包括六個(gè)子系統(tǒng)——發(fā)電、輸電和配電、電力轉(zhuǎn)換和分配、推進(jìn)、儲(chǔ)能和能源管理，并實(shí)現(xiàn)了船上能源的綜合利用，使船舶能源技術(shù)從工程化向電氣化過(guò)渡，實(shí)現(xiàn)了船舶能源的精確和高效管理，為獲得廣泛的可再生能源提供便利，有助于提高船舶的能源效率。船舶綜合能源系統(tǒng)是船舶發(fā)展的一個(gè)主要趨勢(shì)，被認(rèn)為是繼人力、風(fēng)力、蒸汽和核能之后的船舶能源的第三次革命。電力推進(jìn)系統(tǒng)目前被應(yīng)用于民用、近海和軍用船舶，最常用于需要高靈活性、特殊性能、大型輔助發(fā)動(dòng)機(jī)和有限的主發(fā)動(dòng)機(jī)安排的船舶。

與傳統(tǒng)的推進(jìn)方式相比，全電力推進(jìn)的優(yōu)勢(shì)在于低噪音、艙室利用效率高、經(jīng)濟(jì)性和可操作性。傳統(tǒng)船舶的推進(jìn)系統(tǒng)是機(jī)械式的，即動(dòng)力由燃?xì)廨啓C(jī)或柴油機(jī)產(chǎn)生，通過(guò)齒輪箱、離合器和傳動(dòng)軸提供給艉軸推進(jìn)器。機(jī)械傳動(dòng)在車架上占用了大量的空間和重量，而且傳動(dòng)過(guò)程復(fù)雜，在低功率水平下使用不符合成本效益。采用全電力推進(jìn)技術(shù)，船舶利用燃?xì)廨啓C(jī)和柴油機(jī)發(fā)電，將部分電力儲(chǔ)存在能源庫(kù)中，并將其余的能量傳輸給船舶的推進(jìn)系統(tǒng)（通過(guò)逆變器）、武器系統(tǒng)和生活區(qū)。全電力推進(jìn)技術(shù)使船舶能夠科學(xué)地控制自己的能量。例如，在不使用高能武器和強(qiáng)大的雷達(dá)時(shí)，可以關(guān)閉一些燃?xì)廨啓C(jī)和柴油機(jī)以節(jié)省燃料，而在執(zhí)行反潛戰(zhàn)任務(wù)時(shí)，可以關(guān)閉噪音較大的柴油機(jī)。

3 現(xiàn)代艦船電力技術(shù)的理論研究

3.1 電 力技術(shù)的現(xiàn)代艦船雙極微電網(wǎng)構(gòu)建

隨著對(duì)直流電源需求的增加，交流微網(wǎng)電源的投資成本急劇上升，可靠性問(wèn)題日益突出。艦船用電增加了電網(wǎng)的直流負(fù)荷，為提高電能利用率，越來(lái)越多電氣設(shè)備采取更為節(jié)能的接管變頻技術(shù)。為了提供這些直流負(fù)載，交流微網(wǎng)絡(luò)必須配備大量轉(zhuǎn)換器將交流轉(zhuǎn)換為直流，這大大增加了交流微網(wǎng)絡(luò)的投資成本，并影響了性能質(zhì)量。

為了充分利用分布式發(fā)電的經(jīng)濟(jì)效益并獲得高質(zhì)量的網(wǎng)絡(luò)連接，創(chuàng)建了連接有機(jī)生產(chǎn)、交流/直流負(fù)載和儲(chǔ)能的微網(wǎng)絡(luò)。在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行時(shí)，微芯片可以被視為“網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)”，是一個(gè)具有連接器和游戲特性的可控單元；如果主網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障或計(jì)劃的孤島運(yùn)行出現(xiàn)故障，微網(wǎng)絡(luò)必須退出網(wǎng)絡(luò)模式，并采取適當(dāng)?shù)目刂拼胧┦蛊湓诠聧u上工作。目前，并網(wǎng)發(fā)電的微網(wǎng)絡(luò)主要是交流微網(wǎng)絡(luò)，它的高滲透性和復(fù)雜的動(dòng)態(tài)行為會(huì)導(dǎo)致艦船的許多問(wèn)題，如安全穩(wěn)定運(yùn)行、繼電保護(hù)、網(wǎng)絡(luò)連接控制、分布式發(fā)電機(jī)之間的協(xié)調(diào)控制以及性能質(zhì)量分析和控制。

3.2 電力技術(shù)的現(xiàn)代艦船算法研究

1）增強(qiáng)算法

在艦船多波束測(cè)向系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用中，算法的選擇和應(yīng)用會(huì)對(duì)多波束測(cè)向系統(tǒng)測(cè)向精度造成影響，通過(guò)增強(qiáng)算法研究的方法，可以讓因此類誤差所造成的測(cè)向精度影響得到規(guī)避，可以讓此類誤差得到減少，進(jìn)而提升艦船多波束測(cè)向系統(tǒng)精度。如針對(duì)此主瓣干擾情況，就可以利用阻塞矩陣來(lái)預(yù)處理接收數(shù)據(jù)，在得知主瓣的干擾方向后，可以有效構(gòu)造阻塞矩陣，如果主瓣干擾相對(duì)較強(qiáng)、信號(hào)相對(duì)較弱，那么可以在利用艦船多波束測(cè)向系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)向工作時(shí)，利用初次測(cè)向得出主瓣干擾的具體角度，通過(guò)這種算法可以讓主瓣干擾誤差得到減小，進(jìn)而提升艦船多波束測(cè)向系統(tǒng)的測(cè)向精度。艦船多波束測(cè)向系統(tǒng)精度的提升對(duì)于艦船偵察設(shè)備偵察效率具有重要意義。當(dāng)前雷達(dá)等無(wú)線電技術(shù)已經(jīng)在多種武器裝備中得到廣泛應(yīng)用，電子對(duì)抗在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)、信息化戰(zhàn)爭(zhēng)中占有重要地位。電子偵察中的無(wú)源測(cè)向技術(shù)可以對(duì)威脅進(jìn)行告警，并對(duì)威脅方向予以標(biāo)明，使輻射源信號(hào)得到分選與識(shí)別，讓干擾機(jī)干擾方向得到有效引導(dǎo)，對(duì)艦船的武器設(shè)備應(yīng)用效果的提升具有重要意義。

2）修正誤差

在艦船多波束測(cè)向系統(tǒng)中，對(duì)于測(cè)向工作誤差來(lái)說(shuō)，只能對(duì)其做到盡可能地控制，很難對(duì)此類誤差做到完全規(guī)避，也就是說(shuō)，有效修正誤差是具有重要意義的。以固定誤差的修正為例，在設(shè)計(jì)天線與各個(gè)接收通道工作完成之后，可以測(cè)量系統(tǒng)中的幅頻特性，利用造表的方法在數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)中設(shè)置固定誤差校正表，在計(jì)算中對(duì)誤差進(jìn)行及時(shí)修正，讓艦船多波束測(cè)向系統(tǒng)誤差得到有效減少，進(jìn)而達(dá)到提升艦船多波束測(cè)向系統(tǒng)精度的目的。通道幅度特性不同引起誤差、系統(tǒng)噪聲存在誤差、波束軸角指向偏差引起誤差、波束寬度變化誤差、量化誤差與環(huán)境誤差是對(duì)艦船多波束測(cè)向系統(tǒng)測(cè)向精度造成影響的主要因素，通過(guò)精心設(shè)計(jì)系統(tǒng)、增強(qiáng)算法研究及有效修正誤差的方法可以有效提升艦船多波束測(cè)向系統(tǒng)精度，對(duì)誤差進(jìn)行有效消除。

4 現(xiàn)代艦船電力技術(shù)的實(shí)踐應(yīng)用

4.1 電力技術(shù)的現(xiàn)代艦船供電系統(tǒng)實(shí)踐應(yīng)用

晶閘管逆變波形的產(chǎn)生是強(qiáng)大電力技術(shù)的成功應(yīng)用。西德AEG公司于1967年開(kāi)始研究，于1973年全球石油危機(jī)期間開(kāi)始生產(chǎn)該產(chǎn)品，其主要優(yōu)點(diǎn)是用重油和多余的發(fā)動(dòng)機(jī)功率發(fā)電，可以節(jié)省能耗。西門子后來(lái)開(kāi)發(fā)了該產(chǎn)品，目前，兩家公司已生產(chǎn)100多套產(chǎn)品，最高性能為2000千瓦。發(fā)電機(jī)的主開(kāi)關(guān)電路接收晶閘管元器件，系統(tǒng)具有較高的可靠性[3]。

1）艦面供電電源。與傳統(tǒng)的供電方式相比，艦載直升機(jī)艦面供電電源減少了日常維護(hù)的成本和自身體積、重量，降低了音頻結(jié)構(gòu)的噪音，具有高可靠性、高耐久性。我國(guó)水面艦艇和英國(guó)45型驅(qū)逐艦等外國(guó)水面艦艇成功地將其應(yīng)用于艦對(duì)機(jī)水面服務(wù)系統(tǒng)[4]。其原理圖如圖1。

圖1 艦載直升機(jī)中頻電源主電路圖

2）船用不間斷電源。由于艦船的工作環(huán)境較為惡劣，常年在海上運(yùn)行難免會(huì)遇到雷雨、暴風(fēng)等天氣，惡劣天氣會(huì)增加艦船發(fā)電、供電、輸電設(shè)備的故障率，因此，船用不間斷電源極其重要。當(dāng)艦船正常供電系統(tǒng)因惡劣天氣或其他故障無(wú)法正常供電時(shí)，船用不間斷電源通過(guò)逆變零切換轉(zhuǎn)換向負(fù)載繼續(xù)供應(yīng)船用交流電，負(fù)載維持正常工作并保護(hù)負(fù)載軟、硬件不受損壞，由此體現(xiàn)船用不間斷電源是艦船電力系統(tǒng)重要組成部分。

4.2 電力技術(shù)的現(xiàn)代艦船輸電系統(tǒng)實(shí)踐應(yīng)用

1）輸電線路

SVC靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置的使用可以追溯到上世紀(jì)70年代，主要用于輸電線路補(bǔ)償。對(duì)于高性能的輸電網(wǎng)絡(luò)，SVC靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置的主要任務(wù)是調(diào)節(jié)電壓，提高能源系統(tǒng)的穩(wěn)定性。高壓直流輸電在輸送相同功率時(shí)，有功損耗小；能限制系統(tǒng)的短路電流；調(diào)節(jié)速度快，運(yùn)行更加可靠。中國(guó)大多主要使用的發(fā)動(dòng)機(jī)單元是靜態(tài)混合系統(tǒng)。在新能源紫銅發(fā)電環(huán)節(jié)使用電子技術(shù)代替生成器，可以有效地提高靜態(tài)興奮的自我調(diào)節(jié)能力，并且可以顯著提高性能系統(tǒng)效率。實(shí)際發(fā)電中通過(guò)控制水源頭壓力以及固定時(shí)間內(nèi)的實(shí)際水流量對(duì)整體發(fā)電效率產(chǎn)生直接影響。

2）變頻輸電

（1）多電平變頻器。與傳統(tǒng)電壓變頻器相比，美國(guó)SPCO公司開(kāi)發(fā)的新型多電平逆變器，使用MTO無(wú)刷直流電機(jī)在幾個(gè)中間電平之間切換參考電壓，然后通過(guò)帶諧振開(kāi)關(guān)的IGBT開(kāi)關(guān)將其作為PWM電壓源輸出，目前已得到廣泛應(yīng)用。

（2）矩陣變頻器。9個(gè)開(kāi)關(guān)器件組成3x3矩陣的電路被稱為矩陣式變頻電路或矩陣變換器。每個(gè)開(kāi)關(guān)都是矩陣中的一個(gè)元素，采用雙向全控型開(kāi)關(guān)，給出了應(yīng)用較多的一種開(kāi)關(guān)單元。矩陣變頻器不通過(guò)中間直流環(huán)節(jié)而直接實(shí)現(xiàn)變頻，效率較高。

5 結(jié)語(yǔ)

目前，幾乎所有國(guó)家都用全控設(shè)備取代了半控設(shè)備，用高頻脈沖波長(zhǎng)調(diào)制取代了傳統(tǒng)的三相六沖程異常值。由于電力技術(shù)在現(xiàn)代艦船輸電系統(tǒng)中的應(yīng)用時(shí)間較短，需不斷改進(jìn)和研究其運(yùn)行情況，以確保可變負(fù)載發(fā)動(dòng)機(jī)具體運(yùn)行中存在的和潛在的問(wèn)題，從而實(shí)施更有效的控制。根據(jù)能量變化實(shí)現(xiàn)實(shí)際發(fā)電，發(fā)電機(jī)組中的模塊不能很好的協(xié)同工作，存在無(wú)功能量損失等問(wèn)題。適當(dāng)調(diào)節(jié)變負(fù)荷發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行速度，有助于發(fā)電機(jī)組的電能生產(chǎn)工作，提高能源系統(tǒng)的整體運(yùn)行質(zhì)量。

[1] 林廣宏, 李赫. 基于全壽命保障的艦船交互式電子技術(shù)手冊(cè)應(yīng)用技術(shù)研究[J]. 船舶, 2021（01）: 28-34.

[2] 楊英楠, 莊新偉, 韓金良. 艦船電子設(shè)備節(jié)點(diǎn)模塊級(jí)硬件故障診斷方法研究[J]. 艦船電子工程, 2021（03）: 150-152, 161.

[3] 吳昊. 艦船電子設(shè)備可靠性增長(zhǎng)方法研究[J]. 艦船電子工程, 2021（05）: 130-134.

[4] 劉振沖, 嚴(yán)傳續(xù). 艦船電力系統(tǒng)智能化發(fā)展趨勢(shì)探究[J]. 船舶, 2019（01）: 136-140.

Research and practice of modern ship electric power technology

Shi Xuanhua

(Yangzhou Branch of Jiangsu Union Technical Institute, Yangzhou 225003, Jiangsu, China)

TP18

A

1003-4862(2022)09-0078-03

2022-03-02

時(shí)宣華（1973- ），男，本科，實(shí)驗(yàn)師，研究方向：電子電工技術(shù)。E-mail: 1765197304@163.com