舰船动力发展的方向_综合电力系统_马伟明 (1)

文章编号:100025188(2004)012000120011

舰船动力发展的方向———综合电力系统

3

马伟明

(海军工程大学,武汉430033)

1　舰船综合电力系统概述

1.1　舰船综合电力系统定义

综合电力系统(Integrated Power System ,

IPS )涉及到用“电力集成”的技术思想来研究舰

船电能的产生、输送、变换、分配及利用电能实现舰船电力推进和高能武器发射,其典型结构如图1所示

。

收稿日期:2003-09-10

3本文是作者在第五届国际船舶电工技术学术会议(IMECE ’

2003China )上的大会特约报告。

作者简介:马伟明(1960-),男,教授,博导,中国工程院院士。

IPS 由发电模块、电能调度及智能管理模块、区域配电模块、电力推进模块、高能武器电力变换模块和环形供电网络等若干个模块组成。发电模块经环形电网向全船各区域配电系统供电;电能调度及智能管理模块对全船各区域配电系统实行电能分配及智能监控;区域配电模块将电力输送到各个电力区的负荷中心,然后再分配到用电设备,采用区域配电可使发电机的运行频率不受用电设备对频率的严格限制,实现发电机和整流设备成本、体积和重量的最佳化、集成化;电力推进模块用以实现舰船电力推进;高能武器电力变换模块为激光武器、电磁炮、电热化学炮等高能武器提供物质基础。每个模块都是

高度集成化的完整系统。1.2　IPS 技术的地位和特点

(1)IPS 技术是舰船动力系统技术的一次重大

变革

传统的舰船由动力系统与电力系统共同构成动力平台。动力系统是指为舰船运动提供动力的系统,一般由常规热机和其他机械设备构成;而电力系统是指为舰船提供电能的系统,电能只是作为一种辅助能源,与舰船的推进没有直接联系。两个系统的设计、制造、使用和管理均是相对独立进行的。将上述两个系统结合构成IPS 则是近年来形成和发展起来的新的技术思想,它强调以“电能”作为舰船动力系统的主要能量形态。目前,无论是在民用船舶,还是在军用舰艇,IPS 技术愈来愈显示出强劲的发展势头,对舰船动力平台的设计具有划时代的意义,代表了舰船动力系统未来的发展方向。

第25卷　第1期2004年3月 上海海运学院学报J OURNAL OF SHAN GHAI MARITIM E UN IV ERSIT Y

Vol.25　No.1

Mar.2004

(2)IPS技术是现代舰船动力系统技术的一次跨越式发展,是全面解决舰船动力平台问题的最佳途径

IPS技术开始于上世纪90年代中期,将研究的领域拓展到全动力系统,从电能的产生分配、管理调度、功率变换、舰载设备用电直到电力推进系统各个方面进行全局优化和系统研究。各模块之间的有机结合形成系统的总体。用隔离某个模块单独研究的方法,是不能全面解决舰船动力平台问题的。例如舰船电力推进技术的研究,就不能离开系统电能的产生、分配和管理模块而独立进行。系统各模块间有着密切联系,对战斗舰船来说,这种联系则更为紧密。IPS技术强调系统各模块间的相互协调,用系统优化的思想来研究各模块的关键技术,为综合解决影响舰船动力系统发展的瓶颈问题提供了一条最佳的技术途径。

(3)IPS技术是21世纪的新兴军事科技研究领域

IPS技术是多个学科综合、交叉和渗透而形成的新的研究领域。其主要学科基础为电气工程和控制科学与工程。与其相关的学科有:信息与通信工程、计算机科学与技术、仪器科学与技术、动力工程与工程热物理、材料科学与工程、机械工程等。IPS 技术将是国内外舰船领域研究的热点,也必将成为新一轮舰船技术竞争的制高点。

2　开展舰船IPS技术研究的重要意义

(1)采用舰船IPS技术是未来使用舰载高能武器系统的必由之路

激光武器、电磁炮、电热化学炮等新概念高能武器应用于舰船是舰载武器装备发展的必然趋势,此类高能武器系统的使用需要特殊的大功率电能支持。在今天和可预见的将来,“支持舰载系统的电力需求将持续呈几何级数增长”。如何合理地控制能量的配置使用,既保证推进时的充足动力,又能提供战斗状态下的高能电力,科学地分配、控制动力系统中推进、武器装备和其他设备电力,成为制约高能武器能否在舰载条件下使用的一个瓶颈技术问题。传统的动力平台无法从根本上解决这些问题,而IPS 方案由于其系统特有的技术优势,成为解决上述问题最为行之有效的技术途径,这也是世界各海军强国争先发展IPS技术的深层背景。因此,开展舰船IPS技术研究具有现实和潜在的巨大军事意义。

(2)采用IPS技术能简化舰船动力系统结构,降低舰船噪声能级,提高舰船的生命力和综合作战能力

传统的动力系统中,舰船推进由大型主机通过一系列复杂轴系完成,而供电系统则是另外一个相对独立的系统。在IPS中,主动力系统与供电系统合并,舰船驱动依靠电力,大大压缩了各种热机的数量,“主机推进,辅机发电”的概念将成为历史;采用集成化发电技术、环形电网和区域配电方式,减少了舰船特种装置所需发电机组、变流机组的种类和数量,这有利于简化舰船动力系统的结构和布置,显著提高战斗破损情况时系统的生命力,同时也增强了舰船在高威胁环境下的生存能力和作战效能,弱化了舰船的噪声特性,使舰船可以采用更加灵活机动的方式,从而对舰船作战方式产生积极的影响。

(3)舰船IPS技术有利于舰船总体设计的优化

动力系统在舰船总体设计中占有十分重要的地位。传统的动力系统设计方法在发供电、电力推进和舰载设备用电各系统之间是相互割裂的,不利于总体设计的优化。而IPS的设计是将系统各部分联系起来,统一研究,既着重某个部分的关键技术的研究,又强调系统之间的兼容性,为舰船设计提供总体优化的基础。首先,应用舰船IPS技术可以实现动力装备的灵活布置方式,使舰船总体结构更加合理;其次,为解决舰船速度选择和推进系统设计之间存在一个制约和平衡的问题提供了条件。研究表明,舰船在接近最高航速时其一半的推进动力大约只能增加最后10%的航速。例如,一艘设计为30kn最高航速的舰船,其50%的推进动力被用于增加最后3kn的速度,达到27kn的航速大约只需50%的推进动力。实际上,电力推进系统作为IPS的重要模块之一,其近年来的迅速发展已经充分证明了对舰船总体设计的积极影响。

3　国内外研究现状

IPS是近年来国外舰船电气工程领域提出的新概念。在现役舰船中,全面体现这一新技术思想的几乎没有,只有部分舰船采用了过渡型的混合电力推进的形式。在民船方面,20世纪80年代后期以来,新建造的客轮、渡轮和破冰船约有30%采用了电力推进,近年来也有一些货船、集装箱船和油轮采用了电力推进。在军用船方面,电力推进主要以柴电联合动力装置的形式被用于潜艇的动力系统;一些军用辅船和极少量水面战舰也采用了电力推进,如美国1991年建造的水声监测船(T-A G OS19)、英国建造于20世纪80年代末的23型护卫舰。

随着IPS研究的不断深入以及舰船电力设备技术的进步,普遍采用IPS设计方案成为未来舰船动

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力系统发展的趋势。目前,美国、英国以及北约组织的有关机构都在积极从事这方面的研究和规划。

英国海军计划将IPS技术用于未来的新型护卫舰和轻型航空母舰上。这种新型护卫舰排水量为5 000t,航速30kn,其电力系统将使用WR221燃气轮机作为原动机,每台燃气轮机驱动一台带有绝缘选通双晶体管变换器的(横向磁通)永磁电动机。该型护卫舰预计在2008～2010年开始服役,建造数量为20～25艘;采用IPS的轻型航母计划在2010～2012年服役。英国已经成立了专门机构负责协调IPS的研发和采购,其中永磁电机、电力电子变流器的研发工作已展开。

美国海军拟将IPS用于其未来的一系列战舰。最新型号的“阿利?伯克”级(DD G2512Ⅱ2A)导弹驱逐舰,有可能成为美国海军采用IPS的第一型水面战舰。此外,美国海军还准备将IPS用于其21世纪新一代水面舰艇(The Twenty2First Century Surface Combatant,SC221)。目前看来,IPS已经成为美国海军未来各种水面舰船推进和动力的基本设计方案,其应用范围有可能进一步扩展到航母、辅助舰船及核潜艇。为了节省电力系统的研发费用,美国海军正在研发组成电力系统的各种模块,通过这些模块的综合集成使所构成的电力系统具有最大的通用性。

北约组织的有关机构(海军武器装备集团第6舰船第4小组,即N G6/SG4)也对IPS用于4000t 级反潜护卫舰的可行性进行了系统的论证研究,提出了4种设计方案及其2种变型方案。研究表明, IPS对于未来护卫舰大小的舰船来说,“是一种可行的和耐久使用的解决方案”。该研究机构建议,对电力推进舰船的船体优化设计,包括特性信号和生命力以及有关电气设备进行更广泛的研究,制定运用IPS技术的舰船研发计划。

在IPS中要研发的一些关键设备方面,美国、英国等国家的研究现状如下。

(1)原动机方面。当前国际上对电力推进原动机的开发主要集中在WR221燃气轮机上。目前英、美两国已经接近完成WR221燃气轮机的开发。WR221燃气轮机是由美国海军财政支援、美国西屋公司与英国罗尔斯?罗伊斯公司共同研发的舰用中冷回热气轮机,功率为29000马力。WR221计划在1998年～1999年完成其最后3000h的验收试验,计划在2001年作为IPS的原动机装备到“阿利?伯克”级改进型(DD G2512Ⅱ2A)导弹驱逐舰上。WR2 21研究计划的一个主要目标是使采用该动力装置的舰船的燃油消耗量与美国海军现在的采用燃气轮机作动力的水面舰船相比降低约27%。目前的试验证实已取得大于21%的改进。WR221在设计上充分考虑了美海军动力选型所优先考虑的因素(如发动机能力、可购买性、可持续性等),以及美国国防部对WR221船用燃气轮机的各项要求。这些要求包括:油耗低;维持费用小;满足抗冲击、电磁兼容等军用规范;尺寸不超过现在使用的船用燃气轮机的安装底座;全寿命费用、维修性、可靠性均比现在使用的船用燃气轮机好;重量比、噪声和振动指标均应满足军用标准要求;低排放等。

(2)发电机和电动机方面。如永磁推进电动机。美国1994年研制成功巡逻艇用2.2MW的永磁推进电动机,现在在研制功率为9.2MW的永磁电动机样机,转速150r/min。它是采用钕-铁-硼永磁体的轴向气隙横向磁通电机,下一步准备研制19 MW的永磁推进电动机,在水面舰艇上采用IPS。英国1996年已经研制成功2台2.1MW的永磁推进电动机,用于海魂号轻型隐身护卫舰的设计模型。目前计划从研制3MW横向磁通永磁电机样机开始,然后研制16～24MW永磁电机。德国西门子公司1998年研制成功U2212型潜艇用1.76MW 的永磁推进电动机,现已研制成功5MW/150 r/min的永磁电动机。俄罗斯已经研制成功了3.5 MW潜艇用永磁推进电动机,正在研制5MW永磁推进电动机系统。

(3)配套的新型电力、电子器件。美国海军研究局使用氢氧化物、集成电路、电力———半导体、电力2电子技术对模块化电力电子标准组件进行设计和制造。该研究计划还包括开发先进的控制系统;采用宽带隙半导体材料(如炭化硅)代替硅,以提高电力电子标准组件的运行温度和电压。在研究计划中,将发展三代电力电子标准组件。第一、二代作为样机,用在直流区域配电系统中。如果价格合适,则考虑用在改进型DD G251级导弹驱逐舰上。第三代电力电子标准组件的设计目标,是使采用的电力转换器和中压固态转换开关可达到在高压设备上使用的要求。

我国在常规潜艇上采用由中高速柴油机拖动的12相交流整流型充电发电机给直流推进电动机供电,已实现了电力推进;在核潜艇上采用交直流电力集成双绕组发电机供电系统进行混合电力推进。此外,广州造船厂引进德国西门子公司技术,在民用船舶上采用了电力推进系统,其3台发电机组成的船舶电站通过主电网直接向交流永磁推进电动机和其

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第1期 马伟明:舰船动力发展的方向———综合电力系统

他用电设备供电;我国烟台-大连的火车渡轮设计拟采用瑞典ABB公司的永磁电力推进系统。

4　舰船IPS的关键技术

4.1　高功率密度集成化发电技术

舰船作战需求对电力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,集成化发电技术是实现这一要求的关键技术途径,在IPS 技术体系中占有十分重要的地位。集成化要求改变了传统的技术思想,实现原动机、发电机、变流装置、励磁控制和保护等环节的一体化。目前国内外尚未建立电力集成的相关理论体系。

(1)　集成化新型发电理论

①高功率密度多相集成式整流发电机的设计理论及运行分析与控制;

②多相整流发电机系统的稳定性;

③高功率密度交直流电力集成双绕组发电机的设计理论及运行分析与控制;

④交直流电力集成双绕组发电机系统的稳定性;

⑤高功率密度大量高速多相集成式异步整流发电机供电系统的设计理论及运行分析与控制。

(2)　集成化发电系统结构集成技术

①集成化发电系统的结构分析,主要研究电磁力、机械应力和振动特性等结构参数对系统性能的影响机理;

②集成化发电系统的结构优化,通过机理分析,确定系统的重要技术参数,如电机系统的最大转速、最高频率和最佳相数等。

(3)　集成化发电系统热传导机理和新型散热技

①集成化发电机系统的电热传导机理,如系统电损耗、温升特性和由电热而产生的热应力等;

②新型散热技术,如蒸发冷却技术用于集成化发电机和推进电机。

(4)　集成化发电机系统中的兼容性技术

①电磁兼容性研究;

②总体兼容性研究。

4.2　舰船电力推进技术

(1)　大功率电力推进电动机技术

①交流永磁推进电动机的结构性能分析及设计方法;

②带有变频调速的多相交流电动机理论与性能分析;

③直流推进电动机采用蒸发冷却系统后的换向性能、损耗及动静态性能。

(2)　电力推进系统监测与控制技术

①直流推进电动机最优调速控制技术;

②多相永磁交流同步电动机的变频调速系统;

③多相交流电动机变频调速控制策略及控制技术。

4.3　环形网络区域配电及智能化的电能管理技术

优质的电能必须经过网络和监控才能高效安全地利用,环形电网结构、区域配电思想和智能化管理是实现这一目标的先进技术途径。

(1)　环形电网拓扑结构及其综合保护技术

①研究功率总线、通讯与控制总线技术,探索环形电网的最佳拓扑结构;

②环形电力系统网络结构的电动力稳定性和热稳定性;

③环形电力系统网络的综合保护技术。

(2)　区域配电系统结构及其综合保护技术

①区域配电系统结构;

②保护方式、保护准则、保护特性的研究;

③新型保护装置的研究。

(3)　供电系统稳定性理论

AC/DC式环形电网运行稳定性分析及电力系统镇定技术。

(4)　电力系统的综合监控和智能化的电能管

理技术

①独立供电系统电能调度和分配准则;

②状态的综合监控和智能化管理技术。

4.4　大容量电能变换技术

舰船IPS采用根据不同用电设备分布的区域和所需电制进行区域供电的方式,每一供电区域与主电网相连,但又相对独立,例如通讯、惯导和指控等敏感设备同属一个供电区域,而电力推进、高能武器等则各为一个区域,这样的供电区域划分,减少了变流装置数量,也有利于整个系统的电磁兼容。

(1)　中压大容量变流装置的结构及电力软开

关技术

①寻求兼容性好、效率高的新型变流装置结构,用于各种电能变换;

②新型电力软开关技术(满足EMC性能的控制技术)。

(2)　带有储能环节的脉冲电能变换技术

①高能武器用脉冲电能变换装置的作用机理;

②超大容量电能储存与变换技术

(3)　新型功率变换装置的控制策略

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(4)　集成化功率变换模块标准化接口技术

综上所述,IPS的核心思想是“模块化、集成化”,采用综合电力技术能实现舰船动力系统的小型化、高可靠性、高功率密度、优良的经济性能。其集成技术包括设备级集成和系统级集成。

设备级集成是指形成系列化、标准化的功能模块,在这方面,除智能化的电能管理模块的集成可采用计算机、微电子的发展方向外,其他电力设备的集成,关键在于降低损耗,发展新型散热技术和集成中的EMC技术。

系统级集成是指构成整个动力平台,关键技术在于实现各系统之间的标准化和智能化。其标准化指接口标准化,数据通讯、检测、显示和控制的标准化和电能传输接口的标准化,前者采用现场总线技术(通讯、控制),后者采用电力总线技术。而智能化使整个复杂系统能进行简单化的操作,做到“功能复杂、使用简单”。

5　电力集成发电技术

发电模块是舰船IPS的重要组成部分。海军工程大学在电力集成发电模块取得了一系列开创性成果。如,已研制成功了12相交流整流型充电发电机系统,成为IPS中一种成熟的发电模块。还研制成功交直流集成双绕组发电机,成为又一种高性能的交直流发电模块。正在研制具有高功率密度、大容量高速异步发电机整流供电模块,该项研究将显著提高IPS的集成化程度和性能。

在舰船等独立系统中,设备繁多,空间狭小,供电系统的体积、重量受严格限制。为了实现舰船供电系统的小型化、高功率密度和高可靠性,我们提出了电力集成的技术思想。首先研制的是12相发电机整流供电系统,在此基础上又研制成功了交直流双绕组发电机电力集成供电系统。

这种电力集成供电系统由于整流环节的存在,是非线性的。它的设计理论、故障保护、整流装置的状态监测,特别是这类系统特有的稳定性,是国内外均没有解决好的难题。

(1)设计理论。关于这类发电机,国内外没有相关技术和经验可供借鉴,也没有相应的理论体系支撑。因此,设计出结构合理的发电机并建立相应的理论体系,是解决问题的基础。

(2)系统运行稳定性。这类整流发电机带反电势负载或者多机整流并联带任意负载时,有可能产生一种固有低频功率振荡而造成系统失效,特别是隐极发电机,几乎无一例外地会发生固有振荡,如图2所示。日本、德国等西方国家也发现了这一现象,但没有找到其振荡产生的机理及解决措施,而是通过试验选用合适的凸极电机来构成该类供电系统

。

(3)突然短路冲击电流和冲击转矩的确定。由于整流装置的非线性,现有计算方法误差大,国内外大多是通过反复破坏性试验来确定其最大短路电流和冲击转矩。

(4)多相整流元件的故障实时诊断。交直流发电机易发生故障的部件主要是整流元件。当整流元件发生故障时,电机将因局部过载而损坏,因此需要实时在线诊断整流装置的故障。国内外(包括美国、德国等)传统的方法是在每个整流元件支路中串入电流互感器,检测支路电流来判别其故障。对于3相整流系统,只有6个整流元件,这种方法实现并不困难。对于大功率多相整流装置,由于整流元件多,电流大,采用检测电流的方法具有明显缺点:电流传感器多,信号线多。对于整流装置集成在电机内部的结构型式,此方案无法采用。

我们将这种集成系统作为一个整体,采用理论分析、数字仿真、大量模拟试验方法,综合运用电机、自动控制、电力电子、电力系统及计算机等多学科的理论和技术,对上述问题进行了长期的应用性研究,并逐一攻克。

5.1　12相交流整流发电机电力集成技术

5.1.1　12相交流整流发电机的电力集成原理

将12相交流发电机与12相整流装置(AC/ DC)、励磁系统和闭式循环的海水冷却器集于电机一体,共用一套冷却系统,将电机设计与AC/DC变换巧妙地结合,其结构原理如图3所示。

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第1期 马伟明:舰船动力发展的方向———综合电力系统

5.1.2　12相交流整流发电机电力集成技术的实现

(1)电机设计。提出了一套完整的12相隐极式

和凸极式同步发电机电磁设计程序和电磁参数计算程序。设计制造了多种不同结构的12相发电机,通过大量的试验研究,验证了所提出的电磁设计方法是正确的。经过分析比较,发电机定子绕组采用4Y 移15°绕组,其电路原理如图4

。

(2)数学模型和参数。我们查明了12相发电机

互移15°电角度的4个Y 绕组之间及其与转子绕组之间复杂的电磁耦合关系,建立了12相发电机完整的数学模型,提出了描述12相发电机行为特征的电磁参数最小集合。

查明了12相发电机单Y3相绕组电磁参数与12相4Y 绕组合成参数的组合关系,在此基础上,得

到了通过单Y 、双Y 及4Y 绕组的适当试验,测量12相发电机电磁参数的方法。

编制成功12相发电机整流供电系统仿真软件包,并进行了系统仿真研究。

上述工作为系统设计及动静态性能定量分析提供了理论基础。

(3)系统稳定性。通过大量的试验、分析和仿

真,查明了固有振荡的机理,即由于转子绕组磁链守恒作用,电流扰动引起的整流桥交流侧电压变化量有可能超过直流侧电压变化量,从而影响整流桥的关断与导通,形成低频功率振荡。我们提出了系统的稳定判据,工程上可简化为:

x ′d x ′q

>1

5影响稳定性的主要因素是交直轴瞬变电抗配置

是否恰当。解决该问题主要有2种途径:①设计电机时合理配置参数:对于凸极电机,采取措施使

x ′d /x ′q >1/5;隐极电机设计时不可能像凸极电机

那样容易满足稳定条件,为此我们发明了在转子上设置交轴稳定绕组的隐极电机,如图5所示。②对于已制成的不能稳定运行的电机,可从控制方面解决:根据反馈控制的基本原理,利用振荡信号来消除振荡。将据此发明的带电流微分自适应控制策略和系统时间常数合理匹配的稳定装置,加入原励磁控制系统中,就能有效地抑制固有振荡,如图6所示

。

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上　海　海　运　学　院　学　报 第25卷

(4)短路冲击电流及冲击转矩。对于直流侧突然短路,我们巧妙地将一个高阶强非线性系统转化为多个低阶线性系统求解,再作非线性合成,得出直流侧突然短路的冲击电流及其产生的冲击转矩。具体来讲:12相整流装置直流侧突然短路,对交流侧而言,可等效12相交流绕组突然对称短路,从而可

求出各3相整流桥交流侧各相短路电流的表达式,再考虑整流元件的单向导电性,可得到各3相整流桥直流侧电流i dci (i =1,2,3,4)的表达式,最后将它们按一定的相位关系合成,便可得到直流侧短路电流的峰值,见图7。此方法可以推广到n 相整流发电机系统

。

还查明了12相整流系统直流侧突然短路时冲击电流和转矩分别出现于短路发生后约T/2和约

T/4时刻,而且它们的数值实际上与短路初始角无

关。这一重要发现明确了12相整流发电机只需做一次短路试验即可确定保护装置的整定值,而按照传统做法则要做多次短路试验,这对电机寿命是很不利的。

(5)多相整流装置的故障诊断。我们提出了仅

根据整流装置输入、输出电压波形进行实时在线诊断整流元件所处状态的新原理。具体做法是,实时采样整流装置的输入、输出电压波形,通过设置2个信号地,经变换得到各整流元件的电压波形,分析整

流元件正常导通与故障状态(直通和断路)时电压波形的差异,提出了整流元件断路和直通的特征函数及相应的特征值。

断路特征函数

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第1期 马伟明:舰船动力发展的方向———综合电力系统

f oi(t)=(d u i/d t)2 u iΦ0 0 u i>0

直通特征函数f si(t)=u i(t)。其中:i=1,2,…, N;u i(t)为第i个整流元件电压,N为整流元件总数。

反映整流元件状态的特征值:

λ

oi

=∫T0f oi(t)d t,　λsi=∫T0f si(t)d t

T为交流电压变化的周期。

根据发电机电压波形和整流元件特性,选择一个恰当的常数s。若λoi>s,则第i个整流元件处于断路故障状态;若λsi=0,则第i个整流元件处于直通故障状态;若λsi>0且λoi

利用上述整流元件状态的特征值,可以很方便地对多相整流装置进行故障在线实时诊断。据此原理研制成功的12相整流装置故障在线实时诊断装置,未曾发生误判或漏判。

5.1.3　12相交流整流发电机工程化应用

在攻克了上述难题的基础上,我们成功研制出具有完全自主知识产权的12相发电机整流供电系统,其稳定性、可靠性、电磁兼容性、经济性等优于发达国家同类产品,已批量装备我国新一代潜艇。此项成果确立了我国多相发电机整流供电系统理论和技术的国际地位,实现了我国舰艇电力推进方式的跨越式发展,可推广应用于电力机车牵引、石油钻井、邮电通信等民用领域。

5.2　交直流双绕组发电机电力集成技术

5.2.1　交直流电力集成技术思想

在设备繁多、空间狭小、重量受严格控制、交直流电制共存的舰船等独立系统内,如何同时提供高品质、大容量的交直流电力一直是一个受到密切关注的重大难题。一般来说,独立系统中3相交流发电机是基本电源,不同电压、不同频率的供电电源都可由此交流电源变换得到,见图8。其途径有两条:传统的方法是采用交直流发电机机组经相应的配电设备分别供电,但因其体积大且超重,在体积重量受严格限制的独立系统中难以采用;另一途径是采用电力电子变流装置(AC/DC或者DC/AC),但在主电网容量有限而变流容量又较大的情况下,大容量变流装置实现较难,可靠性低,电磁干扰大。

设想通过1台电机,既产生交流电,也产生直流电,即把整流变换及励磁控制与传统的电机设计巧妙地结合,形成交直流发电机。该发电机具有两套定子绕组,同时输出3相交流和经内部整流后的平稳直流,形成交直流电网。独立系统中交、直流两种基本电源共存,电气上相互隔离,交流电源对交流负载和升降压变压器供电,直流电源给直流负载和直流斩波器供电。系统所需要的变频电源或其他中频电源,则由直流电源经逆变器获得,其原理见图9。该系统可单机交直流供电、多机交流并联供电及直流并联或串联供电,将交直流供电进行电力集成,实现系统小型化、大容量、高品质的目的

,从而使前面所说的难题得到较好的解决。这种电力集成新技术也正是21世纪应该大力发展的新技术。

5.2.2　技术难点

交直流电力集成技术的难点在于研制交直流发电机。由上所述,这种发电机相比12相整流发电机而言,集成度更高,系统更加复杂,虽然12相发电机中稳定性、短路保护、故障诊断等相关技术可供借鉴;但因这种发电机特有的复杂性,必须对其设计理论、稳定性、励磁控制、电磁兼容性、短路保护等关键难题给予解决。

5.2.3　交直流集成技术的实现

在某独立系统中,主要供电系统是交流电网,而直流负载容量约占总负载容量的40%。该系统对供电品质要求高,体积重量又受到严格限制。为此,我

8上　海　海　运　学　院　学　报 第25卷

们开展了m 相/n (m =3;n =3,6,9,12,…

)交直流电力集成技术的研究。

(1)交直流发电机设计。将3相交流绕组与n 相

整流绕组嵌放在同一定子铁心槽内,共用一套转子和励磁,3相主绕组给交流电网供电,n 相绕组经不可控整流给直流电网供电。整流装置放在电机通风道内,与电机共用同一冷却系统,使系统的集成度进一步提高。电机对外仅引出交流3相及直流正负共5根端线。对n =6,9,…做了分析比较,换相电流及其产生的EM I 幅值,虽然均能满足直流电网供电品质要求,但是从减小换相电流及其产生的EM I 幅值看,12相整流换相电流较小,由此引起的交流侧电压波形畸变及EM I 也较小,而电机制造又不困难,因此我们选定3相交流和12相整流结构形式的交直流发电机,其电路原理如图10

。

(2)数学模型和参数。该电机定子上有3相和

12相两套绕组,虽然两套定子绕组没有电路联系,

但是共处于同一磁场中,共用一套励磁系统,存在着复杂的电磁耦合关系。即使不考虑转速变化及交流励磁机、励磁调节器和负载的动态方程,系统的阶数也高达14阶,而且,AC/DC 变流环节的存在,使系统为强非线性。

我们在分析各绕组分布特点及其相互耦合关系的基础上,提出了描述该电机行为的最小参数集合,建立了相应的数学模型。该模型的特点是可以借助3相电机的物理概念来理解交直流发电机各电磁参

数的物理意义,因而,对于利用该模型进行分析计算所得出的结果,也就易于理解和便于应用。分析表明,3相和12相绕组的漏电抗尤其是互漏抗,对电机

性能有很大影响。为此,应用电机电磁场的理论和方法,对复杂的绕组端部漏抗进行了详细计算。

运用12相发电机参数测量方法,测取了该类电机参数。

(3)系统稳定性。两台交直流发电机直流侧不

并联时,系统类似于普通3相发电机并联系统,其稳定性的研究已很成熟。交直流侧同时并联供电时,我们发现交流网并联有利于整流并联系统的稳定。稳定性最差的工况是交流网既不并联也不带负载,因为此时系统相当于两台整流发电机并联供电,它会产生固有振荡问题。因此,问题的关键是如何解决12相整流发电机的稳定性。而这一难题可用12相整

流发电机稳定性技术予以解决。

为此,我们所设计的交直流发电机为隐极式,采用了交轴稳定绕组技术,能确保在任意工况下都不出现固有振荡。

(4)励磁调节与直流侧电压浮动。由于交直流

绕组处在同一磁路上,共用1套励磁调节器,为了减小两电网的相互影响,简化系统控制,只保持交流电压不变,而直流电压是浮动的,但其浮动范围必须满足对电网供电品质的要求。从减小直流电压浮动范围考虑,应使两套绕组耦合紧密;但从减小直流网电流换相对交流网产生的电磁干扰来看,则希望两套绕组电磁耦合越弱越好。设计交直流发电机时,为了兼顾这些相矛盾的要求,在满足直流电压浮动范围的前提下,尽可能减弱两套绕组的电磁耦合程度。为此,12相绕组采用2/3节距,而3相绕组则采用5/6节距。

(5)电磁兼容。严重干扰系统设备正常工作的

EM I 问题,集中表现为非线性电力设备在供电系统

中产生大幅值差模、共模传导干扰。准确预测和有效

抑制其传导干扰是国内外至今尚未解决的技术难题。

在电机设计中,我们采取优选定转子槽数、槽形、主绕组分布和节距及斜槽、全阻尼等措施,使交流输出电压尽可能正弦化。同时,在保证直流电压浮动范围满足要求的条件下,尽可能减弱两套绕组的耦合作用,使整流电流换相过程产生的电磁干扰,通过磁场传递到3相交流绕组的影响最小。另外,4个3相整流桥在直流侧并联,可使换相电流幅值降低

到1/4,再设法降低12相绕组的换相电抗(主要是单Y 绕组的超瞬变电抗尤其是漏电抗),可使换相重迭

角进一步减小,有利于减弱电流换相对交流电网电压波形的影响。

同时为了抑制整流电流换相过程中较高的

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第1期 马伟明:舰船动力发展的方向———综合电力系统

d u/d t和d i/d t产生的传导干扰,建立了适合于传导干扰分析的系统数学模型,编制了相应的EM I预测软件,利用该软件优化了整流元件RC阻容吸收组件和在整流桥输出端增设差模和共模干扰抑制组件等技术措施,较好地解决了EMC问题。

(6)交直流短路冲击电流及冲击转矩。对于3相突然短路,已有成熟的分析和试验方法。对于直流侧突然短路,等同于12相发电机直流侧突然短路,其分析研究方法如前所述。

我们采用同样的方法,并计及两套绕组间的耦合关系,还求得了交直流侧同时突然短路的电流和转矩的解析式。结果表明,交直流侧同时突然短路与交直流侧分别突然短路相比,冲击电流要小一些,但冲击转矩最大。5.2.4　交直流电力集成技术获得成功

在攻克了上述难点的基础上,研制成功了集同轴无刷励磁系统、励磁调节器、12相整流装置及3相、12相绕组于一体的转子上带有交轴短路稳定绕组的交直流电力集成新型发电机(见图11),以此为核心构成了新型交直流同时供电的独立电力系统。与交直流分别供电的两台发电机组相比,该机组的体积重量和工程造价都减小40%以上。两台工程样机通过了工厂型式试验及与原动机配机试验,对单机交直流供电,双机交流并联供电、直流并联或串联供电等各种工况下的稳态和动态性能进行了全面的严格考核,全部达到甚至超过规定的指标(见表1),实现了该系统小型化、经济性好、高可靠性和优良的电磁兼容性。

表1　3相/12相交直流发电机主要性能

内 容要求试验结果说 明交流电压波形畸变率(VHD)/%

单次谐波最大幅值/%

直流电压脉动系数/%

交流电压调整率/%

直流电压浮动范围/%

突加(卸)规定负载时

交流电压跌落(升高)/%

电压恢复时间/s

电磁电容性

运行稳定性

双机交直流侧都并联交流有功功率分配差度/%交流无功功率分配差度/%直流功率分配差度/%

发电机效率/%

≤4

≤2

≤2

优于±1

优于±6

≤14

≤1

满足国军标

G JB151A-97

任意工况下均稳定

优于±10

≥94

交流满载时0.5

交直流满载时0.9

交流满载时0.33

交直流满载时0.43

空载时0.26

交直流满载时0.8

±0.41

±5.64

11.04(11.8)

0.56(0.6)

满足

稳定

2.7

3.9

3.0

交流满载时94.86

交直流满载时95.24

美国军标

MIL2G23124D要求:带线性负载时≤1

美国军标

MI L2G23124D要求:带线性负载时≤0.3

美国MILSTD461D

01上　海　海　运　学　院　学　报 第25卷

上述工作,开创了交直流电力集成新技术研究的新局面,必将推动独立电力系统技术的发展。5.3　高速异步发电机电力集成技术

进一步提高发电模块功率密度的一个有效的技术途径是:提高发电机的转速,使发电机与高速原动机直接相连,从而消除减速机构带来的体积大、振动噪声高等不利因素。但是高速发电机(直流发电机和同步发电机)均受转子机械强度的限制,容量难以增大。

异步发电机结构简单,功率密度比同容量的同步发电机和直流发电机都大许多,其机械强度高,特别是转子采用鼠笼式或实心结构的型式,可以在高速下运行。但是传统的异步发电机只能采用并联电容器来实现负载变化时的励磁调节稳压功能,其励磁系统体积大且控制复杂

。

综合考虑以上因素,我们提出了双绕组异步发电新原理。其中:一套定子绕组作为功率绕组,用来给直流负载供电;另一套定子绕组作为补偿绕组提供因负载去磁反应而减小的励磁磁势,从而保持整流桥直流侧电压不变。其基本工作原理是:在空载运行时由端电容自励建立空载额定电压,当负载运行时,通过控制器调节逆变器输出电压和频率,提供一定的超前无功励磁电流,以补偿因电枢反应引起的去磁磁势。且正常工作时补偿绕组主要用来提供补偿励磁所需的无功成分,而其中的有功成分将主要用来补充线路和控制系统的损耗。

该技术方案的优点在于:异步电机机械强度高、带整流负载时功率因数高、电压脉动率不受转速波动影响、采用电力电子变流技术可解决励磁控制复杂的难题。

总之,舰船IPS是舰船动力系统发展的新方向,它所带来的革命性变化完全可以与从帆船时代进入蒸汽机时代、以及核动力舰船的诞生相提并论。

(责任编辑　廖粤新)

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