現(xiàn)代艦船電力技術(shù)研究

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摘要：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。

關(guān)鍵詞：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，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了原有船舶動力推進(jìn)不足的問題，使艦船動力推進(jìn)的優(yōu)勢得到了進(jìn)一步的提升。20世紀(jì)80年代中期，國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別的驅(qū)動、保護、檢測和性能單元，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，確保更有效的運行。發(fā)電是電力技術(shù)的主要應(yīng)用，它可以用來控制和監(jiān)測電力系統(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，沒有儲能子系統(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；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動性和可靠性，并使高功率密度的武器和設(shè)備得以運送。誠然，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了新的活力，其中電力設(shè)備的檢測和控制系統(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)包括六個子系統(tǒng)——發(fā)電、輸電和配電、電力轉(zhuǎn)換和分配、推進(jìn)、儲能和能源管理，并實現(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渡，實現(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)展的一個主要趨勢，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)動機和有限的主發(fā)動機安排的船舶。與傳統(tǒng)的推進(jìn)方式相比，全電力推進(jìn)的優(yōu)勢在于低噪音、艙室利用效率高、經(jīng)濟性和可操作性。傳統(tǒng)船舶的推進(jìn)系統(tǒng)是機械式的，即動力由燃?xì)廨啓C或柴油機產(chǎn)生，通過齒輪箱、離合器和傳動軸提供給艉軸推進(jìn)器。機械傳動在車架上占用了大量的空間和重量，而且傳動過程復(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和柴油機發(fā)電，將部分電力儲存在能源庫中，并將其余的能量傳輸給船舶的推進(jìn)系統(tǒng)（通過逆變器）、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大的雷達(dá)時，可以關(guān)閉一些燃?xì)廨啓C和柴油機以節(jié)省燃料，而在執(zhí)行反潛戰(zhàn)任務(wù)時，可以關(guān)閉噪音較大的柴油機。

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)濟效益并獲得高質(zhì)量的網(wǎng)絡(luò)連接，創(chuàng)建了連接有機生產(chǎn)、交流/直流負(fù)載和儲能的微網(wǎng)絡(luò)。在網(wǎng)絡(luò)運行時，微芯片可以被視為“網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)”，是一個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)故障或計劃的孤島運行出現(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)雜的動態(tài)行為會導(dǎo)致艦船的許多問題，如安全穩(wěn)定運行、繼電保護、網(wǎng)絡(luò)連接控制、分布式發(fā)電機之間的協(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）增強算法在艦船多波束測向系統(tǒng)的實際應(yīng)用中，算法的選擇和應(yīng)用會對多波束測向系統(tǒng)測向精度造成影響，通過增強算法研究的方法，可以讓因此類誤差所造成的測向精度影響得到規(guī)避，可以讓此類誤差得到減少，進(jìn)而提升艦船多波束測向系統(tǒng)精度。如針對此主瓣干擾情況，就可以利用阻塞矩陣來預(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，如果主瓣干擾相對較強、信號相對較弱，那么可以在利用艦船多波束測向系統(tǒng)進(jìn)行測向工作時，利用初次測向得出主瓣干擾的具體角度，通過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向系統(tǒng)的測向精度。艦船多波束測向系統(tǒng)精度的提升對于艦船偵察設(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，電子對抗在現(xiàn)代戰(zhàn)爭、信息化戰(zhàn)爭中占有重要地位。電子偵察中的無源測向技術(shù)可以對威脅進(jìn)行告警，并對威脅方向予以標(biāo)明，使輻射源信號得到分選與識別，讓干擾機干擾方向得到有效引導(dǎo)，對艦船的武器設(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向系統(tǒng)中，對于測向工作誤差來說，只能對其做到盡可能地控制，很難對此類誤差做到完全規(guī)避，也就是說，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)計天線與各個接收通道工作完成之后，可以測量系統(tǒng)中的幅頻特性，利用造表的方法在數(shù)據(jù)處理計算機中設(shè)置固定誤差校正表，在計算中對誤差進(jìn)行及時修正，讓艦船多波束測向系統(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)境誤差是對艦船多波束測向系統(tǒng)測向精度造成影響的主要因素，通過精心設(shè)計系統(tǒng)、增強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向系統(tǒng)精度，對誤差進(jìn)行有效消除。

4現(xiàn)代艦船電力技術(shù)的實踐應(yīng)用

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

晶閘管逆變波形的產(chǎn)生是強大電力技術(shù)的成功應(yīng)用。西德AEG公司于1967年開始研究，于1973年全球石油危機期間開始生產(chǎn)該產(chǎn)品，其主要優(yōu)點是用重油和多余的發(fā)動機功率發(fā)電，可以節(jié)省能耗。西門子后來開發(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)電機的主開關(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，艦載直升機艦面供電電源減少了日常維護的成本和自身體積、重量，降低了音頻結(jié)構(gòu)的噪音，具有高可靠性、高耐久性。我國水面艦艇和英國45型驅(qū)逐艦等外國水面艦艇成功地將其應(yīng)用于艦對機水面服務(wù)系統(tǒng)[4]。其原理圖如圖1。2）船用不間斷電源。由于艦船的工作環(huán)境較為惡劣，常年在海上運行難免會遇到雷雨、暴風(fēng)等天氣，惡劣天氣會增加艦船發(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法正常供電時，船用不間斷電源通過逆變零切換轉(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)實踐應(yīng)用

1）輸電線路。SVC靜止無功補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償。對于高性能的輸電網(wǎng)絡(luò)，SVC靜止無功補償裝置的主要任務(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，有功損耗??；能限制系統(tǒng)的短路電流；調(diào)節(jié)速度快，運行更加可靠。中國大多主要使用的發(fā)動機單元是靜態(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。實際發(fā)電中通過控制水源頭壓力以及固定時間內(nèi)的實際水流量對整體發(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SPCO公司開發(fā)的新型多電平逆變器，使用MTO無刷直流電機在幾個中間電平之間切換參考電壓，然后通過帶諧振開關(guān)的IGBT開關(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個開關(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。每個開關(guān)都是矩陣中的一個元素，采用雙向全控型開關(guān)，給出了應(yīng)用較多的一種開關(guān)單元。矩陣變頻器不通過中間直流環(huán)節(jié)而直接實現(xiàn)變頻，效率較高。

5結(jié)語

目前，幾乎所有國家都用全控設(shè)備取代了半控設(shè)備，用高頻脈沖波長調(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)用時間較短，需不斷改進(jìn)和研究其運行情況，以確?？勺冐?fù)載發(fā)動機具體運行中存在的和潛在的問題，從而實施更有效的控制。根據(jù)能量變化實現(xiàn)實際發(fā)電，發(fā)電機組中的模塊不能很好的協(xié)同工作，存在無功能量損失等問題。適當(dāng)調(diào)節(jié)變負(fù)荷發(fā)動機的運行速度，有助于發(fā)電機組的電能生產(chǎn)工作，提高能源系統(tǒng)的整體運行質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

[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)點模塊級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)展趨勢探究[J].船舶,2019（01）:136-140.

作者:時宣華 單位:江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院揚州分院