艦船電力系統(tǒng)國內外最新進展與發(fā)展趨勢

唐劍飛 桂永勝

（中國艦船研究設計中心， 武漢 430064）

1 引言

現(xiàn)代艦船在向大型化、全電力推進化發(fā)展的同時，艦船電力系統(tǒng)的地位也從輔助系統(tǒng)變成主動力系統(tǒng)。其系統(tǒng)容量呈幾何上升趨勢，而且網絡拓撲結構也更加復雜。為了適應這種發(fā)展趨勢，一些新技術新思路隨之出現(xiàn)。

2 艦船電能變換裝置向高功率密度、模塊化和高性能方向發(fā)展

艦船綜合電力系統(tǒng)中大功率電能變換裝置需求的電力半導體器件，目前主要以有絕緣柵雙極性晶體管（IGBT）和集成門極換向晶閘管（IGCT）為主。高壓IGBT和IGCT器件的電壓、電流定額已分別達到6500 V/600 A和6000 V/6000 A。在10 MW以下功率等級，IGBT因其驅動簡單、開關特性好而具有更強的競爭力[1]。

以碳化硅為代表的寬禁帶半導體材料可以顯著降低器件損耗，大大提高器件耐壓和結溫，滿足綜合電力系統(tǒng)對功率密度的需求，因而發(fā)展前景看好。目前基于碳化硅材料的二極管器件已接近實用水平，國外研究表明，由于其反向恢復電流大大降低，與基于常規(guī)材料的可控器件搭配使用可以顯著提高裝置的功率密度。

功率器件的運用技術是提升電力變換裝置功率密度和可靠性的重要手段。美國弗吉尼亞理工大學的電力電子系統(tǒng)研究中心（CPES）在美國海軍的支持下，在中小功率電力電子裝置與系統(tǒng)的集成化方面做了大量工作。在國內，浙江大學和西安交通大學在小功率變換器拓撲的標準化和集成的理論和方法等方面也進行了一些開創(chuàng)性的研究工作。但是，在基于現(xiàn)有商用器件的二次集成以及器件的極限運用等方面，還有待繼續(xù)深入的研究。

艦艇綜合電力系統(tǒng)所需要的電能變換裝置盡管種類繁多，但大多已有成熟的原理與技術作為支撐。在裝置與系統(tǒng)的構建方面，最為革命性的變化趨勢是進一步向 PEBB（電力電子集成模塊Power Electronic Building Block）概念靠攏。PEBB概念使得具有開放結構、可熱插拔、可擴展的模塊化電力電子系統(tǒng)成為可能。由于其集成化的特點，對功率密度的提高也很有幫助。目前，在美國海軍研究局（ONR）資助下，直流區(qū)域配電技術已經在艦船上得到應用。DRS技術公司為美國海軍DDG 1000艦提供的“綜合持續(xù)作戰(zhàn)電源”（IFTP）系統(tǒng)代表了直流區(qū)域配電技術的最新進展。該系統(tǒng)采用可熱插拔的模塊化電力電子裝置，具有良好的可擴展性，并且在負載變化、局部故障或遭遇戰(zhàn)損時可以實現(xiàn)配電網絡的重構，從而實現(xiàn)極強的持續(xù)供電能力。

控制技術方面，基于經典控制理論的多環(huán)路數(shù)字 PI/PID控制器已在電力電子裝置與系統(tǒng)中得到成熟應用，其性能還有改進的空間，尤其是將狀態(tài)空間概念用于指導這些控制算法的設計時，可大幅提高其極限能力。基于現(xiàn)代控制理論（狀態(tài)空間、非線性控制）與自適應數(shù)字信號處理的新型數(shù)字控制方法可以處理更復雜的電能變換控制過程，大擾動下的穩(wěn)定性、動態(tài)特性更好，可以對更多的系統(tǒng)變量實施更全面的控制，同時不增加、甚至減少傳感器的數(shù)量，是新一代高性能電能變換控制技術的發(fā)展方向。

鑒于PEBB已成為未來艦船綜合電力系統(tǒng)中電力電子裝置與系統(tǒng)的標準構建模式，因此這些裝置與系統(tǒng)的控制軟件設計上也要充分考慮控制任務垂直分解和模塊化、標準化問題。目前，IEEE電力電子學會已設立專門的專家組研究基于PEBB的電力電子系統(tǒng)的控制與保護框架結構，相信在不久的將來會提出這方面的一些國際標準。

基于PEBB思想構建的電力電子系統(tǒng)必然存在硬件上的分層結構，因此不同層面的控制系統(tǒng)之間如何實現(xiàn)高速高可靠的通訊也成為一個至關重要的問題。由于通用的通訊總線技術并不能很好滿足該需要，一些國外研究機構，比如弗吉尼亞理工大學，已在研究專門針對基于PEBB的電力電子系統(tǒng)的光纖環(huán)形網絡及其PESNet協(xié)議。

3 直流區(qū)域供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性是綜合電力系統(tǒng)研究的重點

直流區(qū)域配電技術已成為艦船綜合電力系統(tǒng)的發(fā)展方向。隨著高能武器和先進探測設備的飛速發(fā)展，艦船用電設備的日益增加對艦船電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性造成越來越嚴重的影響，引起了國內外研究機構的高度關注[2]。

直流區(qū)域配電技術已經在國外艦船上得到應用。DRS技術公司為美國海軍DDG 1000艦提供的“綜合持續(xù)作戰(zhàn)電源”（IFTP）系統(tǒng)代表了直流區(qū)域配電技術的最新進展。該系統(tǒng)采用可熱插拔的模塊化電力電子裝置，具有良好的可擴展性，并且在負載變化、局部故障或遭遇戰(zhàn)損時可以實現(xiàn)配電網絡的重構，從而實現(xiàn)極強的持續(xù)供電能力。

斷路器配合、新型固態(tài)限流裝置等方面是解決電力系統(tǒng)可靠性的有效途徑。早在1974年，美國電力研究院（EPRI, Electric Power Research Institute）剛剛成立不久，故障限流技術就被列為該組織重點優(yōu)先發(fā)展的研究課題。目前，日本也成立了“故障電流抑制用限流技術調查專門委員會”。歐洲各國在故障限流方面也做了很多的工作。

我國開展新型短路限流技術的研究工作始于上世紀90年代初，雖比國外發(fā)達國家略晚，但也取得了一系列的科研成果：如諧振短路限流技術、超導限流技術成果、新型固態(tài)限流技術和快速斥力開關技術等[3]。

4 艦船用交流變頻調速系統(tǒng)及其控制技術快速發(fā)展

隨著電力電子技術、交流電機調速控制技術以及電機設計制造技術的突破和提高，艦船用交流變頻調速系統(tǒng)得到了迅速發(fā)展和廣泛應用。特別是近期隨著變頻電源的小型輕量化和噪聲、電磁兼容問題的逐步解決，潛艇艙室輔機傳動由直流傳動向交流傳動的過渡已經開始大面積展開。鑒于交流電機在成本、可靠性、功率密度等方面的突出優(yōu)勢，在可預見的將來，交流傳動必然成為潛艇艙室輔機的主流傳動模式[4]。

在艦船電力推進系統(tǒng)中，中壓大功率推進變頻器是關鍵技術之一。到目前為止，中壓變頻器還沒有像低壓變頻器那樣具有近乎統(tǒng)一的拓撲結構。其原因，一是中壓大電流的電力電子器件仍然難以滿足要求，實際應用中需要采用器件或低功率單元的串并聯(lián)技術；二是許多在低壓通用變頻器中可以接受或很容易解決的問題，卻在中壓變頻器中成為非常突出且難以解決的問題。針對以上問題，國外大公司各有高招，在利用現(xiàn)有功率器件的基礎上提出了多種拓撲結構。綜合各公司的方法，推進變頻器的拓撲電路類型可總結歸納為多管串聯(lián)的兩電平變換電路，多電平變換電路，多相/多重化幾大類。

Alstom公司采用嚴格控制IGBT溫度、控制開關的同步以及設計均壓電路等措施，第一個實現(xiàn)了多管串聯(lián)技術，并將該技術用于25 MW的變頻器中。該公司為美國海軍全電力推進系統(tǒng)研制的19 MW變頻器就應用了8個IGBT的串聯(lián)技術。ABB公司生產了第一臺基于PEBB的變頻調速裝置ACS6000。后者采用IGCT三電平結構，輸出電壓等級3-3.3 kV，單臺輸出功率3-9 MW，美國海岸警衛(wèi)隊的破冰船的 2-3.5 MW 主推進系統(tǒng)裝備了ABB的Azipod（吊艙）推進系統(tǒng)，采用了ACS6000調速裝置。

多相系統(tǒng)是國外電力推進發(fā)展的一個重要特點，無論是美國的IPS計劃、英國的IFEP計劃，還是德國、荷蘭、俄羅斯的電力推進設計方案都采用多相變頻器驅動多相電機的系統(tǒng)。多相化變頻器的拓撲結構主要有：多重三相變頻器結構和多相H橋結構兩大類。25 MW超導同步電動機船舶推進系統(tǒng)就是采用多重三相變頻器的方式，Alstom公司為美國海軍研制的19 MW的PWM變頻器，也是采用多相H橋結構。該變頻器是有史以來最大的PWM調速變頻器，用于15相先進感應電動機的推進系統(tǒng)中。

對上兆瓦級的電力推進來說，采用多臺逆變器并聯(lián)可使開關器件的電流應力大大減小，同時也大大提高系統(tǒng)的靈活性、可靠性和可維護性。目前，我國引進 ABB公司的吊艙推進系統(tǒng)就采用了逆變器并聯(lián)結構。

國內對于大功率交流調速除了在大型軋鋼機主傳動和礦井提升機方面進行了一些研究外，在船舶電力推進領域的研究才剛剛起步。近年來國內的各大軍事研究機構和科研院所開始致力于這方面的研究。國內對于矩陣變換器的研究也處于起步階段，距離大功率艦船推進實際應用的目標還有一定距離。

5 基于多智能體的艦船電力系統(tǒng)監(jiān)控與能量管理成為研究熱點

艦船能量管理可對艦船電能進行集中統(tǒng)一調度、管理、控制，是艦船綜合電力系統(tǒng)的核心控制部分之一。隨著艦船電力系統(tǒng)容量成幾十倍的增長和電網結構的復雜化、負載多樣化，對全船電能進行集中管理的要求更高，能量管理需要完成的功能也更趨復雜[5]。

上世紀90年代以來，對于多智能體系統(tǒng)的研究已經成為人工智能研究的熱點。國際上關于多智能體系統(tǒng)的研究雖然時間不長，但發(fā)展相當迅速，其應用已經擴展到工業(yè)、商業(yè)、娛樂、醫(yī)療等相當廣泛的各個領域。

將多智能體應用于艦船能量管理的研究國外尚無報道，但國外已在軍事領域采用了多智能體系統(tǒng)，并取得了一定的成果。他們將基于智能體的建模與仿真（ABMS）技術應用于作戰(zhàn)仿真，從底層入手，將作戰(zhàn)基本單元抽象為智能體，構建多智能體系統(tǒng)，以二維或三維細胞自動機為工具，通過智能體的相互作用來研究作戰(zhàn)系統(tǒng)的整體突現(xiàn)行為。第一個將作戰(zhàn)視為復雜系統(tǒng)而開發(fā)的多智能體系統(tǒng)是ISAAC。它由美國海軍分析中心（CAN）從事數(shù)學和計算機建模工作的 Andy Ilachinski博士于 1997年研制成功。它的出現(xiàn)在國際上引起了較大反響并帶動類似系統(tǒng)的開發(fā)。澳大利亞軍事學院開發(fā)的在沿海環(huán)境下基于智能體的概念研究系統(tǒng)CRO-CADILE，澳大利亞維多利亞大學和新南維爾士大學合作開發(fā)的“通過生命仿真得到的可所見的智能體戰(zhàn)場行為”系統(tǒng)RABBLE，美國軍方委托圣達菲Bios Group開發(fā)的“自適應搜索管理系統(tǒng)”ACME，美國海軍研究生院開發(fā)的“基于智能體的非戰(zhàn)爭小規(guī)模作戰(zhàn)軍事行動的仿真”系統(tǒng)，美國海軍戰(zhàn)場研發(fā)司令部NWDC與Argonne國家實驗室的復雜適應系統(tǒng)仿真中心合作，共同開發(fā)的TSUNAMI系統(tǒng)等，都是多智能體在軍事領域的應用。

多智能體在國內的研究開始時間相對較晚，目前大部分還處于理論研究階段，與國外有比較大的差距，在艦船綜合電力能量管理中的體系結構及應用研究更是空白。但是，由于多智能體在解決復雜大系統(tǒng)問題上有其突出的優(yōu)勢，其應用領域正在不斷擴展。據(jù)相關文獻顯示，國內已相繼開展了一些將多智能體應用于陸地電力系統(tǒng)的研究，并在電壓控制、繼電保護等方面取得了一定的進展。

多智能體技術在繼電保護領域得到了應用，把一個微機保護裝置看成由多個智能體組織而成的智能保護，通過對各種保護原理的動作結果進行綜合，以提高保護的可靠性；根據(jù)故障類型和保護背側系統(tǒng)阻抗值來切換保護定值使保護定值最佳；利用對采集數(shù)據(jù)的諧波計算提高故障區(qū)域的判斷準確性，并給出了智能保護的實現(xiàn)方案。

雖然多智能體尚未應用于艦船能量管理，但國內對艦船能量管理的理論研究已經開展，這些研究有助于我們進一步了解該系統(tǒng)的特點，為本課題的研究提供理論依據(jù)。

在艦船能量管理中多智能體間網絡通訊的高精度時間同步和流量控制的研究，國內也尚未開展，但針對網絡控制，國內外均已有相關研究。

總的來說，國內對多智能體的研究已經取得了一定進展，并開始應用到軍事領域。但將多智能體應用于艦船能量管理的研究還屬空白，對艦船能量管理多智能體體系結構及應用研究，和艦船能量管理信息網絡高精度時間同步與流量控制研究有待開展。

6 結束語

本文介紹的幾種技術將推動艦船綜合電力系統(tǒng)的發(fā)展，在這個系統(tǒng)中將廣泛采用模塊化、系列化、標準化產品，并對艦船的能源進行綜合管理，從而使整個系統(tǒng)的可靠性更高、生命力更強。

[1]呂飛, 汪光森. 大功率電能變換裝置軟件鎖相環(huán)的應用. 船電技術，2008(6).

[2]謝楨, 葉志浩. 基于直流區(qū)域配電的艦船綜合電力系統(tǒng)智能保護方式研究. 船電技術,2009(1).

[3]陳波, 付立軍. 基于直流區(qū)域配電系統(tǒng)的網狀網絡.船電技術,2007(4).

[4]李新星, 趙國文. 交流變頻調速技術在船舶電力推進系統(tǒng)中的應用. 廣東造船，2007(2).

[5]朱亮, 黃怡. 多智能體開發(fā)系統(tǒng)SWARM 在電力系統(tǒng)中的應用. 高電壓技術，2008(3).