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现代舰船电力技术研究

时间：2022-12-31 16:40 所属分类：科技论文 点击次数：

　　摘要：本文阐述了高速发展的电力技术与现代舰船的电力保障需求，剖析了电力技术的现代舰船双极微电网和算法理论构建研究，给出了电力技术的现代舰船供电系统和输电系统实践应用，研究指出电力系统能有效服务现代舰船的高质量发展。

　　关键词：电力技术;舰船;电力系统

　　0引言

　　自20世纪70年代以来，一些具有代表性的电力电子设备首先部署在地面网络中，技术成熟后逐渐应用于船舶等海上交通工具。电气工程系统一方面促进了船舶能量转换方式和设备更新，另一方面从根本上弥补了原有船舶动力推进不足的问题，使舰船动力推进的优势得到了进一步的提升。20世纪80年代中期，国外研制出第三代集成功率电力电子器件，后被称为第二次电子革命的先驱，其集成了不同性能级别的驱动、保护、检测和性能单元，更加的舒适可靠[1]。

　　1综合电力系统的发展状况

　　通过电力技术，电网可以得到更有效的管理，电网的整体质量也可以得到改善。电力技术是利用电子元件来控制系统，从而减少系统中的故障数量，确保更有效的运行。发电是电力技术的主要应用，它可以用来控制和监测电力系统，从而减少系统中的故障，减少人工操作成本，降低事后维修的难度。目前，综合电力系统分为两类：第一代-中压交流系统和第二代-中压直流系统。目前世界上广泛使用的船用综合电力系统可以看作是第一代综合电力系统技术：以中压交流系统为主，没有储能子系统，存在设备体积和重量大、系统效率低、功率连续性差等缺点;第二代综合电力系统采用中压直流系统。中压直流技术消除了主驱动速度和母线频率之间的相互影响，不需要大功率齿轮箱和变压器，克服了系统频率限制，提高了系统效率和功率密度，降低了设备噪音和振动水平，并大大减少了设备尺寸和重量。第二代IME系统极大地提高了舰艇的机动性和可靠性，并使高功率密度的武器和设备得以运送。诚然，电子部件的更新不可避免地导致设备的更换，全控设备的引入给变频器带来了新的活力，其中电力设备的检测和控制系统也取得了显著的研究成果[2]。

　　2现代舰船的电力保障需求

　　综合能源系统包括六个子系统——发电、输电和配电、电力转换和分配、推进、储能和能源管理，并实现了船上能源的综合利用，使船舶能源技术从工程化向电气化过渡，实现了船舶能源的精确和高效管理，为获得广泛的可再生能源提供便利，有助于提高船舶的能源效率。船舶综合能源系统是船舶发展的一个主要趋势，被认为是继人力、风力、蒸汽和核能之后的船舶能源的第三次革命。电力推进系统目前被应用于民用、近海和军用船舶，最常用于需要高灵活性、特殊性能、大型辅助发动机和有限的主发动机安排的船舶。与传统的推进方式相比，全电力推进的优势在于低噪音、舱室利用效率高、经济性和可操作性。传统船舶的推进系统是机械式的，即动力由燃气轮机或柴油机产生，通过齿轮箱、离合器和传动轴提供给艉轴推进器。机械传动在车架上占用了大量的空间和重量，而且传动过程复杂，在低功率水平下使用不符合成本效益。采用全电力推进技术，船舶利用燃气轮机和柴油机发电，将部分电力储存在能源库中，并将其余的能量传输给船舶的推进系统(通过逆变器)、武器系统和生活区。全电力推进技术使船舶能够科学地控制自己的能量。例如，在不使用高能武器和强大的雷达时，可以关闭一些燃气轮机和柴油机以节省燃料，而在执行反潜战任务时，可以关闭噪音较大的柴油机。

　　3现代舰船电力技术的理论研究

　　3.1电力技术的现代舰船双极微电网构建

　　随着对直流电源需求的增加，交流微网电源的投资成本急剧上升，可靠性问题日益突出。舰船用电增加了电网的直流负荷，为提高电能利用率，越来越多电气设备采取更为节能的接管变频技术。为了提供这些直流负载，交流微网络必须配备大量转换器将交流转换为直流，这大大增加了交流微网络的投资成本，并影响了性能质量。为了充分利用分布式发电的经济效益并获得高质量的网络连接，创建了连接有机生产、交流/直流负载和储能的微网络。在网络运行时，微芯片可以被视为“网络中的网络”，是一个具有连接器和游戏特性的可控单元;如果主网络出现故障或计划的孤岛运行出现故障，微网络必须退出网络模式，并采取适当的控制措施使其在孤岛上工作。目前，并网发电的微网络主要是交流微网络，它的高渗透性和复杂的动态行为会导致舰船的许多问题，如安全稳定运行、继电保护、网络连接控制、分布式发电机之间的协调控制以及性能质量分析和控制。

　　3.2电力技术的现代舰船算法研究

　　1)增强算法在舰船多波束测向系统的实际应用中，算法的选择和应用会对多波束测向系统测向精度造成影响，通过增强算法研究的方法，可以让因此类误差所造成的测向精度影响得到规避，可以让此类误差得到减少，进而提升舰船多波束测向系统精度。如针对此主瓣干扰情况，就可以利用阻塞矩阵来预处理接收数据，在得知主瓣的干扰方向后，可以有效构造阻塞矩阵，如果主瓣干扰相对较强、信号相对较弱，那么可以在利用舰船多波束测向系统进行测向工作时，利用初次测向得出主瓣干扰的具体角度，通过这种算法可以让主瓣干扰误差得到减小，进而提升舰船多波束测向系统的测向精度。舰船多波束测向系统精度的提升对于舰船侦察设备侦察效率具有重要意义。当前雷达等无线电技术已经在多种武器装备中得到广泛应用，电子对抗在现代战争、信息化战争中占有重要地位。电子侦察中的无源测向技术可以对威胁进行告警，并对威胁方向予以标明，使辐射源信号得到分选与识别，让干扰机干扰方向得到有效引导，对舰船的武器设备应用效果的提升具有重要意义。2)修正误差在舰船多波束测向系统中，对于测向工作误差来说，只能对其做到尽可能地控制，很难对此类误差做到完全规避，也就是说，有效修正误差是具有重要意义的。以固定误差的修正为例，在设计天线与各个接收通道工作完成之后，可以测量系统中的幅频特性，利用造表的方法在数据处理计算机中设置固定误差校正表，在计算中对误差进行及时修正，让舰船多波束测向系统误差得到有效减少，进而达到提升舰船多波束测向系统精度的目的。通道幅度特性不同引起误差、系统噪声存在误差、波束轴角指向偏差引起误差、波束宽度变化误差、量化误差与环境误差是对舰船多波束测向系统测向精度造成影响的主要因素，通过精心设计系统、增强算法研究及有效修正误差的方法可以有效提升舰船多波束测向系统精度，对误差进行有效消除。

　　4现代舰船电力技术的实践应用

　　4.1电力技术的现代舰船供电系统实践应用

　　晶闸管逆变波形的产生是强大电力技术的成功应用。西德AEG公司于1967年开始研究，于1973年全球石油危机期间开始生产该产品，其主要优点是用重油和多余的发动机功率发电，可以节省能耗。西门子后来开发了该产品，目前，两家公司已生产100多套产品，最高性能为2000千瓦。发电机的主开关电路接收晶闸管元器件，系统具有较高的可靠性[3]。1)舰面供电电源。与传统的供电方式相比，舰载直升机舰面供电电源减少了日常维护的成本和自身体积、重量，降低了音频结构的噪音，具有高可靠性、高耐久性。我国水面舰艇和英国45型驱逐舰等外国水面舰艇成功地将其应用于舰对机水面服务系统[4]。其原理图如图1。2)船用不间断电源。由于舰船的工作环境较为恶劣，常年在海上运行难免会遇到雷雨、暴风等天气，恶劣天气会增加舰船发电、供电、输电设备的故障率，因此，船用不间断电源极其重要。当舰船正常供电系统因恶劣天气或其他故障无法正常供电时，船用不间断电源通过逆变零切换转换向负载继续供应船用交流电，负载维持正常工作并保护负载软、硬件不受损坏，由此体现船用不间断电源是舰船电力系统重要组成部分。

　　4.2电力技术的现代舰船输电系统实践应用

　　1)输电线路。SVC静止无功补偿装置的使用可以追溯到上世纪70年代，主要用于输电线路补偿。对于高性能的输电网络，SVC静止无功补偿装置的主要任务是调节电压，提高能源系统的稳定性。高压直流输电在输送相同功率时，有功损耗小;能限制系统的短路电流;调节速度快，运行更加可靠。中国大多主要使用的发动机单元是静态混合系统。在新能源紫铜发电环节使用电子技术代替生成器，可以有效地提高静态兴奋的自我调节能力，并且可以显著提高性能系统效率。实际发电中通过控制水源头压力以及固定时间内的实际水流量对整体发电效率产生直接影响。2)变频输电。(1)多电平变频器。与传统电压变频器相比，美国SPCO公司开发的新型多电平逆变器，使用MTO无刷直流电机在几个中间电平之间切换参考电压，然后通过带谐振开关的IGBT开关将其作为PWM电压源输出，目前已得到广泛应用。(2)矩阵变频器。9个开关器件组成3x3矩阵的电路被称为矩阵式变频电路或矩阵变换器。每个开关都是矩阵中的一个元素，采用双向全控型开关，给出了应用较多的一种开关单元。矩阵变频器不通过中间直流环节而直接实现变频，效率较高。

　　5结语

　　目前，几乎所有国家都用全控设备取代了半控设备，用高频脉冲波长调制取代了传统的三相六冲程异常值。由于电力技术在现代舰船输电系统中的应用时间较短，需不断改进和研究其运行情况，以确保可变负载发动机具体运行中存在的和潜在的问题，从而实施更有效的控制。根据能量变化实现实际发电，发电机组中的模块不能很好的协同工作，存在无功能量损失等问题。适当调节变负荷发动机的运行速度，有助于发电机组的电能生产工作，提高能源系统的整体运行质量。

　　参考文献：

　　[1]林广宏,李赫.基于全寿命保障的舰船交互式电子技术手册应用技术研究[J].船舶,2021(01):28-34.

　　[2]杨英楠,庄新伟,韩金良.舰船电子设备节点模块级硬件故障诊断方法研究[J].舰船电子工程,2021(03):150-152,161.

　　[3]吴昊.舰船电子设备可靠性增长方法研究[J].舰船电子工程,2021(05):130-134.

　　[4]刘振冲,严传续.舰船电力系统智能化发展趋势探究[J].船舶,2019(01):136-140.