相对英美的交流全电舰，我国直流全电舰系统简介

摘要:

一.美、英等世界海军强国自上世纪80年代开始进行综合电力系统的理论探索与关键技术研究。美国海军建立了舰船综合电力系统陆基试验站，于2001年完成了全尺寸综合电力系统陆上演示验证试验[4, 5]。英、法两国于2003年建立了电力战舰技术演示验证试验场，与45型驱逐舰的研制紧密结合。2009年7月，英国45型驱逐舰服役，成为世界上首艘采用综合电力系统的水面主战舰船[6]。2013年10月，美国DDG 1000驱逐舰下水。这些舰艇的下水与服役表明美国和英国等世界海军强国已经在主战舰船上实现了交流综合电力系统的工程化应用
二.我国舰船综合电力系统的研究基础相对薄弱，与国外相比，在工程化应用方面还有较大差距。目前我国在综合电力技术方面领先的是海军工程大学舰船综合电力技术重点实验室（以下简称“实验室”），该实验室联合国内相关科研院所开展综合电力关键技术攻关，完成了我国一代半舰船中压直流综合电力技术关键技术验证试验，取得了突破，为舰船综合电力系统的工程化应用提供了技术支撑

三.1） 消除了原动机转速和母线频率之间的相互影响。原动机可以和发电机直接连接，无需使用减速齿轮或增速齿轮，发电机的转速可以突破3 000 r/min的限制，提高了系统的效率和功率密度，降低了设备的噪声振动水平；
2） 取消了大容量的推进变压器和配电变压器，其功率变换设备能在更高的频率下运行，减少了变换设备的变压器体积和重量；
3） 没有电流的集肤效应，也不用传输无功功率，因而减轻了电缆的重量；
4） 对原动机的调速性能要求低，调速性能、容量、频率差异大的不同类型发电机组可以并联稳定运行。
四.我国舰船原动机性能落后国外，尤其是大档燃气轮机可选机型少、调速性能落后于国外。如果跟踪模仿发达国家中压交流综合电力技术路线，将使得不同类型原动机带动的发电机组因功率等级和调速性能差异大而难以并联稳定运行，严重制约了我国综合电力系统的发展。为此，海军工程大学舰船综合电力技术重点实验室于2003年在世界上首先提出中压直流综合电力技术路线，采用二代综合电力系统的网络结构，为一代综合电力系统分系统设备供电，构成一代半舰船综合电力系统，开展了舰船综合电力技术基础研究与关键技术攻关。在设备层面，研制了高功率密度燃气轮机发电模块和柴油机发电模块、中压直流输电模块、高转矩密度推进模块、直流区域配电模块；在系统层面，先后攻克了一代半舰船综合电力系统的电网结构理论、系统模型与仿真、并联机组功率均分、系统稳定性分析与控制、系统分层协调保护、系统接口设计以及高功率瓶颈技术，完成了一代半中压直流综合电力系统集成和性能试验

1） 综合分析燃气轮机、柴油机的调速特性和发电机的调压能力，提出了采用中压交流整流型发电技术方案，有效克服了传统交流发电机组并联需要电压的频率、相位和幅值相同的苛刻条件，使得发电机组并联时间由传统交流系统的数十秒缩短至百毫秒级。
2） 在电压下垂和双闭环反馈控制的交流整流发电机励磁控制策略的基础上，提出了采用柴油发电机机组电流负前馈的励磁控制方法。经试验验证，该控制方法改善了燃气轮机发电机组和柴油发电机组并联运行时的暂态功率均分度，降低了双机并联突加负载时柴油发电机输出电流的超调量，以加载后电流超调最大值与稳态电流值之比作为超调量的评价指标，引入该负前馈控制后，超调量显著下降。

三.1） 消除了原动机转速和母线频率之间的相互影响。原动机可以和发电机直接连接，无需使用减速齿轮或增速齿轮，发电机的转速可以突破3 000 r/min的限制，提高了系统的效率和功率密度，降低了设备的噪声振动水平；
2） 取消了大容量的推进变压器和配电变压器，其功率变换设备能在更高的频率下运行，减少了变换设备的变压器体积和重量；
3） 没有电流的集肤效应，也不用传输无功功率，因而减轻了电缆的重量；
4） 对原动机的调速性能要求低，调速性能、容量、频率差异大的不同类型发电机组可以并联稳定运行。
四.我国舰船原动机性能落后国外，尤其是大档燃气轮机可选机型少、调速性能落后于国外。如果跟踪模仿发达国家中压交流综合电力技术路线，将使得不同类型原动机带动的发电机组因功率等级和调速性能差异大而难以并联稳定运行，严重制约了我国综合电力系统的发展。为此，海军工程大学舰船综合电力技术重点实验室于2003年在世界上首先提出中压直流综合电力技术路线，采用二代综合电力系统的网络结构，为一代综合电力系统分系统设备供电，构成一代半舰船综合电力系统，开展了舰船综合电力技术基础研究与关键技术攻关。在设备层面，研制了高功率密度燃气轮机发电模块和柴油机发电模块、中压直流输电模块、高转矩密度推进模块、直流区域配电模块；在系统层面，先后攻克了一代半舰船综合电力系统的电网结构理论、系统模型与仿真、并联机组功率均分、系统稳定性分析与控制、系统分层协调保护、系统接口设计以及高功率瓶颈技术，完成了一代半中压直流综合电力系统集成和性能试验

1） 综合分析燃气轮机、柴油机的调速特性和发电机的调压能力，提出了采用中压交流整流型发电技术方案，有效克服了传统交流发电机组并联需要电压的频率、相位和幅值相同的苛刻条件，使得发电机组并联时间由传统交流系统的数十秒缩短至百毫秒级。
2） 在电压下垂和双闭环反馈控制的交流整流发电机励磁控制策略的基础上，提出了采用柴油发电机机组电流负前馈的励磁控制方法。经试验验证，该控制方法改善了燃气轮机发电机组和柴油发电机组并联运行时的暂态功率均分度，降低了双机并联突加负载时柴油发电机输出电流的超调量，以加载后电流超调最大值与稳态电流值之比作为超调量的评价指标，引入该负前馈控制后，超调量显著下降。

五.系统的试验研究
实验室设计并构建了燃气轮机发电机组和柴油发电机组并联，且给推进分系统和直流区域配电分系统供电的最小中压直流综合电力系统，完成了设备和分系统的性能试验，完成了系统额定效率、系统稳态电能品质、系统动态性能、推进功率限制、系统连续运行、系统故障保护、能量管理、系统电磁兼容、振动噪声、动态磁场、超导限流等试验，试验结果达到了设计的技术指标要求。

六,下一代直流全电舰展望

随着舰船功能需求和综合电力技术的不断发展，系统的容量越来越大，可达数百兆瓦，这给中压直流断路器带来了巨大的挑战。同时脉冲负载将装备舰船，脉冲负载因功率超大、时间极短、容量可达吉瓦级、负载容量大于发电容量，系统基本处于短时重复非周期暂态极限运行状态，其能量密度、功率密度和对于系统的冲击都极其巨大，因此需要给该类型负载配备合适的储能系统。配有储能系统和脉冲负载的舰船综合电力系统的电磁暂态与机电暂态耦合紧密，脉冲负载对系统的冲击大，系统能量调控具有多时间尺度特性，系统的运行特性将由简单的周期稳态运行向周期稳态与非周期暂态相结合的运行方式转变，系统数学模型呈现时变、强非线性、阶次高、刚性强的特点，其数值仿真计算方法收敛困难。舰船综合电力系统的这些特点需要在系统层面进一步研究下列关键技术

直流全电舰是好，但输岀入电缆直径也倍增除非一体机，舰最讲究可操作，安全，可靠，稳定…………性

直流全电舰是好，但输岀入电缆直径也倍增除非一体机，舰最讲究可操作，安全，可靠，稳定…………性
） 没有电流的集肤效应，也不用传输无功功率，因而减轻了电缆的重量；

是马老板的手笔吧，漂亮

牛牛的45型工程设计存在缺陷；况且这全电战时损管上的弱点怎么处理？

这年头谁还用直流啊，转换起来费劲得要命

“综合电力系统被誉为船舶动力的第三次革命。”马伟明告诉记者。

他介绍说，自20世纪末以来，随着各国海洋开发和海防建设的快速发展，船舶电能需求大幅增加，并对船舶动力的机动性、安静性和燃油经济性等性能要求显著提高。同时，石油资源日益短缺，环境污染不断恶化，各国正积极倡导发展绿色船舶，促进可再生能源在船舶动力中的应用。船舶采用综合电力系统，不仅实现了船舶推进系统和电力系统的集成，而且更容易实现全船能量的精确高效控制以及多种再生能源的灵活接入，降低船舶动力对传统化石燃料的依赖度。

“综合电力系统技术也是交通行业的通用技术。近年来，综合电力系统研究取得突破性进展，不仅使船舶动力从机械化走向电气化、信息化和智能化，还被推广应用于全电化特种车辆、多电飞机、轨道交通、新能源发电等军民通用技术领域。大力发展综合电力系统，将带来巨大的军事、经济和社会效益。”马伟明说。

在国外，船舶综合电力系统首先应用于军事领域。“美、英等西方发达国家自上世纪80年代开始进行综合电力系统研究，近年来已经实现中压交流综合电力系统的工程应用。”马伟明介绍说，2009年7月服役的英国45型驱逐舰，是世界上首艘采用中压交流综合电力系统的水面主战舰艇。此外，英国CVF航母、美国DDG1000驱逐舰、法国“西北风”级两栖攻击舰等均采用了中压交流综合电力系统。

本世纪初，国外开始在民用船舶中应用综合电力系统。“以中压交流和低压交流两种电制形式为主，如美国‘亚特兰蒂斯’号科考船、‘海洋绿洲’号邮轮、荷兰‘蓝色马林鱼’号半潜船等。”马伟明说。

根据国外船舶综合电力系统的发展情况，马伟明将综合电力系统分为第一代和第二代。

他表示，第一代综合电力系统技术成熟，但存在设备体积和重量偏大、系统效率偏低、供电连续性不高等缺点；第二代综合电力系统采用中压直流电制，突破了系统频率限制，降低了对原动机调速特性的要求，大幅减小了设备体积和重量，提高了系统效率和供电连续性，但技术发展尚未成熟。

马伟明介绍说，我国综合电力系统的发展以“十五”为起点，通过初期探索，形成了系统概念方案、主要设备和全系统的目标图像，明确了综合电力系统的技术发展路线，即军用舰船要求装机容量大、功率密度高、适装性好，应优先采用中压直流综合电力系统；民用船舶要求建造成本低，现阶段宜优先采用中压交流或低压交流综合电力系统。

“‘十五’至‘十一五’，我们构建了综合电力系统的基础理论体系，先后攻克了系统网络结构、集成化发电、先进感应推进等数十项关键技术。”马伟明表示，“十二五”以来，我国在综合电力系统研究方面更是取得不少进展。例如，海军工程大学舰船综合电力技术国防科技重点实验室提出一二代混合的综合电力系统技术方案，牵头并联合国内船电行业优势单位，构建了中压直流综合电力系统，同时完成全系统联调试验，使我国成为世界上首个实现中压直流综合电力系统的国家。

导体中的交变电流在趋近导体表面处电流密度增大的效应。在直长导体的截面上，恒定的电流是均匀分布的。对于交变电流，导体中出现自感电动势抵抗电流的通过。这个电动势的大小正比于导体单位时间所切割的磁通量。以圆形截面的导体为例,愈靠近导体中心处,受到外面磁力线产生的自感电动势愈大；愈靠近表面处则不受其内部磁力线消长的影响，因而自感电动势较小。这就导致趋近导体表面处电流密度较大。由于自感电动势随着频率的提高而增加，趋肤效应亦随着频率提高而更为显著。趋肤效应使导体中通过电流时的有效截面积减小，从而使其有效电阻变大。
集肤效应应用
在高频电路中可用空心铜导线代替实心铜导线以节约铜材。架空输电线中心部分改用抗拉强度大的钢丝。虽然其电阻率大一些，但是并不影响输电性能，又可增大输电线的抗拉强度。利用趋肤效应还可对金属表面淬火，使某些钢件表皮坚硬、耐磨，而内部却有一定柔性，防止钢件脆裂。

导体中的交变电流在趋近导体表面处电流密度增大的效应。在直长导体的截面上，恒定的电流是均匀分布的。对于交变电流，导体中出现自感电动势抵抗电流的通过。这个电动势的大小正比于导体单位时间所切割的磁通量。以圆形截面的导体为例,愈靠近导体中心处,受到外面磁力线产生的自感电动势愈大；愈靠近表面处则不受其内部磁力线消长的影响，因而自感电动势较小。这就导致趋近导体表面处电流密度较大。由于自感电动势随着频率的提高而增加，趋肤效应亦随着频率提高而更为显著。趋肤效应使导体中通过电流时的有效截面积减小，从而使其有效电阻变大。
集肤效应应用
在高频电路中可用空心铜导线代替实心铜导线以节约铜材。架空输电线中心部分改用抗拉强度大的钢丝。虽然其电阻率大一些，但是并不影响输电性能，又可增大输电线的抗拉强度。利用趋肤效应还可对金属表面淬火，使某些钢件表皮坚硬、耐磨，而内部却有一定柔性，防止钢件脆裂。

國民楷模 发表于 2016-6-19 19:17
是马老板的手笔吧，漂亮
第一作者付立军，应该是他们一个团队的吧

中压是多少伏？西门子的工业用伺服电机690的，估计这个也就这个电压。直流比交流要好点，起码少了一根电缆

gzgeek 发表于 2016-6-19 21:00
这年头谁还用直流啊，转换起来费劲得要命
现在所有的军舰和潜艇用的电机都是用变频器调速的，变频器的工作过程是交流-直流-交流

云人下天 发表于 2016-6-19 19:11
） 没有电流的集肤效应，也不用传输无功功率，因而减轻了电缆的重量；
只要有电流就会有集肤效应，无功基本是被电容器吸收干净了的，直流的优点是电机低速性能好，调速装置体积小，缺点也很明显：直流电机电刷增加维护工作量。大多数工业场合大功率直流电机正在被交流电机替代

红男爵 发表于 2016-6-19 21:22
中压是多少伏？西门子的工业用伺服电机690的，估计这个也就这个电压。直流比交流要好点，起码少了一根电缆
中船重工武汉712研究所在船舶综合电力推进系统的自主创新中取得了重大进展，研制了以变频器、推进电机、推进变压器、功率管理系统、操纵控制系统为核心的推进系统，实现了单轴推进功率20MW以下船舶电力推进系统的全部国产化。研制的低压690V(2×1000kW)和3300V(2×3000kW)全国产化电力推进系统及设备已实现批量装船。目前，为扩大应用范围、提升产品技术水平、增强产品国际竞争力，712研究所正在开展低压690V、中压3300V电力推进系统及相关核心设备的系列化产品开发。

超CD大 发表于 2016-6-19 21:34
中船重工武汉712研究所在船舶综合电力推进系统的自主创新中取得了重大进展，研制了以变频器、推进电机、 ...
功率大了肯定要高电压的，否则电缆太粗。为什么不再高点呢！6000的用的很广泛的工业上

中国海警1306船，三千吨级别全电推船，于2014年10月14日正式入列国家海洋局北海分局所属的中国海监北海总队。。

军用不太清楚，民用方面的交直逆变器里面的开关国内目前还存在瓶颈。

punkbright 发表于 2016-6-19 21:25
只要有电流就会有集肤效应，无功基本是被电容器吸收干净了的，直流的优点是电机低速性能好，调速装置体积 ...
直流电机最关键的是扭矩大！这个交流电机没法比的！
碳刷如果军用的话那很耐用的。普通工业好点的连续用个一年不成问题

这个交流全电系统也应马上上马加紧研究

红男爵 发表于 2016-6-19 21:40
功率大了肯定要高电压的，否则电缆太粗。为什么不再高点呢！6000的用的很广泛的工业上
福特航母电量大，用高压

直流的，只说一句，该淘汰了。

laojiang 发表于 2016-6-19 22:23
直流的，只说一句，该淘汰了。
马伟明说交流淘汰给民船

直流的，只说一句，该淘汰了。
二代才用交-直-交，一代是交流的。。。

Jason787 发表于 2016-6-19 21:42
军用不太清楚，民用方面的交直逆变器里面的开关国内目前还存在瓶颈。
直流变交流才叫逆变器吧！这个应该用PWM和IGBI/IGCT组的比较多吧！特别是大功率的！

gxyzya 发表于 2016-6-19 21:40
中国海警1306船，三千吨级别全电推船，于2014年10月14日正式入列国家海洋局北海分局所属的中国海监北海总队 ...
这个一个是航速还有个这个应该是吊舱，军舰应该不会用吊舱！功率级别几MW的没什么问题，但几十MW的就难了！

gzgeek 发表于 2016-6-19 21:00
这年头谁还用直流啊，转换起来费劲得要命
元器件进步很大，都是用PWM配合IGBT或IGCT来用的，很多电气化铁路应该都用类似的。

说什么直流电机……这只是直流电力传输系统，驱动电机谁说要用电刷的……

448519529 发表于 2016-6-19 20:47
牛牛的45型工程设计存在缺陷；况且这全电战时损管上的弱点怎么处理？
这个损管其实都一样，电的是形成网络的，那篇文章里也提到过。

直流的，只说一句，该淘汰了。
大言不惭啊。你可以和马伟明交流交流，看看谁能说服谁。

直流不好？笑话！高电压大电流下直流具有非常大的优势。否则国家电网都是一群蠢货，搞什么800kV直流输电？！而且一搞就是上千公里的线路？！

punkbright 发表于 2016-6-19 21:25
只要有电流就会有集肤效应，无功基本是被电容器吸收干净了的，直流的优点是电机低速性能好，调速装置体积 ...
直流和低频电流才能近似看做在导体表面均匀分布

世界各国目前正在开展的广泛工程应用的舰船综合电力系统可以看作一代舰船综合电力系统，适合于吨位较大的舰船。该系统的技术特征为：发电分系统采用中压交流工频同步发电机组；输配电分系统采用中压交流工频配电网络；变配电分系统采用中压交流工频变压器或中压交流供电的直流区域配电装置；推进分系统采用先进感应电动机及其配套的基于IGBT/IGCT电力电子功率器件的推进变频器；无储能分系统；能量管理分系统采用基本型能量管理系统，以实现全系统的监控和基本的能量调度功能。
随着电工材料、电力电子器件、控制技术和计算机技术的飞速发展，世界各国正在积极开展二代舰船综合电力系统的研究，以进一步提高系统性能、降低系统的体积和重量。二代舰船综合电力系统不仅适合于大型舰船，而且可覆盖3 000 t级以下全系列舰船。该系统的技术特征为：发电分系统采用高速集成中压整流发电机组；输配电分系统采用中压直流配电网络；变配电系统采用中压直流供电的直流区域配电装置；推进分系统中推进变频器，采用基于组件高度集成的推进变频器或基于宽带隙半导体材料功率器件——碳化硅的推进变频器，推进电机采用永磁或高温超导电机；储能分系统采用超级电容器储能、集成式惯性储能或复合储能；能量管理分系统采用智能化能量管理系统，以实现全系统数字化控制和智能化管理功能[2, 3]。
美国海军在其下一代综合电力系统技术发展路线图中提出了综合电力系统的3种电网结构体系：中压交流电网、高频交流电网和中压直流电网。在不需要高功率密度的情况下，舰船设计可以采用中压交流电网结构，其输配电网络采用3相60 Hz的中压工频交流电，电压可以选择3种标准电压：4.16，6.9或13.8 kV。高频交流电网具有较高的功率密度，其输配电网络电压频率为60~400 Hz之间的1个固定频率，电压可以采用4.16或13.8 kV。中压直流电网具有更高的功率密度，其输配电网络直流电压可以采用 ±3 000~±10 000 V范围内的标准电压[7]。
中压交流电网结构的技术成熟度最高，技术风险小。由于变压器铁芯的横截面积与工作频率约成反比，采用高频交流电网结构可以减小变压器和滤波器的体积、提高系统的功率密度，但存在发电机组并联困难，系统线路压降大等缺点。

根据我个人的工作经验，直流电网有输送能量高，储能方便。结构简单紧凑的好处，但有个明显的缺点，那就是不好管控。接触器自动开关分断能力差，触点烧损严重。可控硅系统不好应用，比较好的是场效应管，可惜目前功率做不大，一致性也不好保证。至于某些人所谓直流系统被淘汰，完全是胡扯。

海警全电应用测试ok应该上057了
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好像很多人认为直流很落后啊，电网用交流电是因为直流传输难度高，在那个年代搞不定，现在不都在发现直流高压输电技术吗

一群外行的梦魇.......

直流系统用于小功率柴电艇.........滑差调速.

水面舰艇中压6000V 交流 变频调速...交流异步电机...