在早些年，筆者參加了我國某艦船電力推進系統配套單位的技術交流會，這是筆者第一次實際接觸我國艦船電力推進技術的發展水平，技術特點，以及未來方向。在會上，他們的技術總負責人的一句話讓筆者記憶深刻，他說，我國艦船電力推進系統，經過追趕，已接近西方國家先進水平。彈指一揮間，現在我們的電力推進系統實際已經追上，甚至局部超越了西方國家先進水平，這得益於我國在艦船中壓直流綜合電力系統關鍵技術上取得了突破。
西方具有代表性的電推艦
艦船綜合電力系統技術特徵概述
艦船綜合電力系統由發電、輸配電、變配電、推進、儲能、能量管理6個分系統組成。艦船綜合電力系統的6個分系統均有多種技術方案，不同方案的技術性能存在較大差異。按照各分系統的標誌性技術特徵，可將艦船綜合電力系統劃分為一代艦船綜合電力系統和二代艦船綜合電力系統。
艦船綜合電力系統的組成框圖
一代艦船綜合電力系統
一代艦船綜合電力系統，泛指世界各國目前正在廣泛應用的船綜合電力系統。具有代表性的如美國的DDG1000，英國的“伊麗莎白女王”級航母等所採用的綜合電力系統。該系統的技術特徵為：發電分系統採用中壓交流工頻同步發電機組；輸配電分系統採用中壓交流工頻配電網絡；變配電分系統採用中壓交流工頻變壓器或中壓交流供電的直流區域配電裝置；推進分系統採用先進感應電動機及其配套的基於IGBT/IGCT電力電子功率器件的推進變頻器；無儲能分系統；能量管理分系統採用基本型能量管理系統，以實現全系統的監控和基本的能量調度功能。
美國的AESD電力試驗艦
二代艦船綜合電力系統
二代艦船綜合電力系統，則是隨著電工材料、電力電子器件、控制技術和計算機技術的飛速發展，各國開始研製的新型艦船綜合電力系統。該系統的技術特徵為：發電分系統採用高速集成中壓整流發電機組；輸配電分系統採用中壓直流配電網絡；變配電系統採用中壓直流供電的直流區域配電裝置；推進分系統中推進變頻器，採用基於組件高度集成的推進變頻器或基於寬帶隙半導體材料功率器件——碳化硅的推進變頻器，推進電機採用永磁或高溫超導電機；儲能分系統採用超級電容器儲能、集成式慣性儲能或複合儲能；能量管理分系統採用智能化的能量管理系統，以實現全系統數字化控制和智能化管理功能。
36.5兆瓦的高溫超導電機
相較於中壓交流系統和高頻交流系統，中壓直流系統所具有的優勢：
一是，消除了原動機轉速和母線頻率之間的相互影響。原動機可以和發電機直接連接，無需使用減速齒輪或增速齒輪，發電機的轉速可以突破3000r/min 的限制，更容易匹配高轉速的燃氣輪機，提高了系統的效率和功率密度，降低了設備的噪聲振動水平。
船用燃氣輪機的轉速普遍在3000r/min以上
二是，系統的集成度更高。由於取消了大容量的推進變壓器和配電變壓器，其功率變換設備能在更高的頻率下運行，減少了變換設備的變壓器體積和重量，相對於傳統的交流系統組網技術，可以節省30%的體積和40%的重量。
三是，沒有電流的趨膚效應。趨膚效應是指：當導體中有交流電或者交變電磁場時，導體內部的電流分佈不均勻，電流集中在導體的"皮膚"部分，也就是說電流集中在導體外表的薄層，越靠近導體表面，電流密度越大，導體內部實際上電流較小。結果使導體的電阻增加，使它的損耗功率也增加。而採用了中壓直流電網，沒有電流的趨膚效應，提高了電纜的傳輸效率，從而可以用更小直徑的電纜，減輕了電網的重量。
趨膚效應
四是，不同類型發電機組可以並聯穩定運行。為了提高系統運行的靈活性，適應艦船各種不同航行工況的需求，發電系統的單元電站一般由大容量發電機組和小容量發電機組構成。大容量發電機組和小容量發電機組的工作頻率可能不同，造成發電機組無法實現不同頻率發電機的並聯運行。而採用直流電網，則可通過快速精確的勵磁控制來彌補原動機調速特性差的不足，從而系統地解決了功率等級以及調速特性差異極大的不同類型發電機組並聯運行的問題。
某型艦艇的多電站電力系統
我國的一代半艦船綜合電力系統
我國艦船原動機性能落後國外，尤其是大檔燃氣輪機可選機型少、調速性能落後於國外。如果跟蹤模仿發達國家中壓交流綜合電力技術路線，將使得不同類型原動機帶動的發電機組因功率等級和調速性能差異大而難以並聯穩定運行，嚴重製約了我國綜合電力系統的發展。為此，我國另闢蹊徑，採用二代綜合電力系統的網絡結構，為一代綜合電力系統分系統設備供電，構成一代半艦船綜合電力系統。該系統既解決了我國燃氣輪機技術性能落後的問題，又使得其具有中壓直流系統的優勢，可以說是一次偉大創舉。鑑於世界各國的第二代艦船綜合電力系統還在研製中，所以可以說在現階段，我國的一代半艦船綜合電力系統是獨步全球的。
新型艦艇裝備電力推進將成為主流趨勢
作者：小船人的夢想 2020年3月6號
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