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本期为您重磅推荐：来自海军工程大学马伟明院士团队研究成果，欢迎关注！
舰船综合电力系统研究进展与应用建议
马伟明，肖飞，马凡
（电磁能技术全国重点实验室(海军工程大学)，湖北省 武汉市 430033）
DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.240192
舰船综合电力系统是将舰船所有一次能源统一转化为电能，由电力网络为船舶推进、通讯导航、探测、武器、作业设施、日用设备等供电，并实现全船能源综合利用的新型动力系统。综合电力系统具有传统机械推进系统无法比拟的技术优势，不仅可以提升舰船机动性、操控性、声隐身性，优化机舱布局、降低全寿期费用，还是舰船应用高能武器的唯一途径，可大幅提升舰船战斗力并催生新的海上作战样式。为实现我国舰船动力跨越发展，急需开展综合电力系统关键技术研究与工程研制应用。
3.1 综合电力系统分类与特点
按照主网电制和电压等级的不同，综合电力系统可分为低压交流、中压交流、低压直流、中压直流等4类，它们的适用场景与技术特征如表1所示。主网电压等级的选择取决于系统装机容量，装机容量10MW以下系统可选择低压、10MW以上系统宜选择中压。主网电制的选择取决于电源特性：由相同类型电源供电的系统可选择交流电制；由不同类型电源供电的系统宜选择直流电制。
表1 4类综合电力系统的适用场景与技术特征
3.2 综合电力系统工程研制情况
国外综合电力系统工程研制以中压交流系统为主。近年来，中压交流系统已应用于英国45型驱逐舰、英国“伊丽莎白女王”号航母、美国DDG1000驱逐舰等大型舰船，但存在系统体积重量大、发电机组并联条件苛刻、对原动机性能要求高、易失稳等问题。
我国从上世纪九十年代开始研究综合电力系统。海军工程大学2003年在国际上首创中压直流系统技术路线；2003-2010年构建了综合电力系统理论方法体系，突破了关键技术；“十二五”期间研制成功世界首个大容量中压直流综合电力系统。经定量对比分析，我国中压直流系统性能指标显著优于美英中压交流系统，尤其是在功率密度、效率、运行稳定性、保护与重构的快速性方面，具有明显技术优势。
3.3 综合电力系统共性技术突破情况
1）综合电力系统集成设计技术：提出了分布式/环形中压直流输电网、辐射状低压交流配电网拓扑结构，突破了综合电力系统数学建模与动态特性分析、短路保护策略设计、电磁兼容性分析与抑制等技术，保证了综合电力系统全工况范围的安全稳定、电磁兼容运行。
2）大容量直流源及其并联组网控制技术：发明了十二相交流整流发电机，突破了考虑舰用原动机调速特性的发电机集成化设计、柴燃发电机组并联组网控制等技术，实现了柴、燃发电机组的长期稳定并联运行与功率均分。
3）大容量直驱式电力推进技术：突破了直驱式电力推进系统设计、电机高效冷却与旋转密封、先进变频驱动控制等技术，研制成功中压大容量电力推进系统，解决了大容量推进电机整机浸水运行、低振动噪声等核心瓶颈难题。
4）中压直流大电流开断技术：突破了中压直流大电流开断灭弧、短路大电流短时耐受、小电流开断磁吹弧等技术，研制成功4kV直流空气式断路器，解决了中压直流系统的大电流开断难题。
5）大容量电力电子静止电源技术：突破中压大容量隔离型直流电能变换、高性能工频/中频逆变器设计与控制技术，实现了中压直流电能至多种低压交直流电能的灵活高效变换。
6）高密度储能技术：将惯性储能、锂电池储能、超级电容储能等多种储能技术应用于综合电力系统，解决了短时大功率脉冲负载的储用电需求。
7）智能化能量管理技术：突破了信息网络架构设计、电站综合管理、特殊负载管理、能量优化调度、软件国产化等技术，满足了现阶段综合电力系统工程应用需求。
3.4 综合电力系统推广应用与研究展望
1）新能源船舶领域：新能源船舶是内河船舶的发展方向，综合电力系统是实现新能源船舶的最佳动力方案。对于纯电池动力船舶，推荐采用分布式直流综合电力系统；对于混动电力推进船舶，推荐采用电电混合直流综合电力系统。
2）电动及混合动力飞机领域：飞机电推进系统是未来飞机动力系统的发展趋势。纯电动飞机主要应用于通航飞机和无人机，推荐采用分布式电推进系统方案；混动飞机主要应用于大型民航客机，其电推部分现阶段推荐采用主发取电、多能源融合的电推进系统方案。
3）轨道交通领域：综合电力系统的永磁牵引驱动、飞轮储能、综合能源管理等技术，可直接在城市轨道交通中直接应用，实现节能增效。
4）海上能源高效利用领域：针对海上能源岛及岛礁微电网等场景，推荐采用可再生能源就地发电，直流离网供电，然后电解制备绿氢、绿氨、绿甲醇等产物，并通过新能源船舶远距离运输至陆地的技术方案，可解决海上能源远距离输送难题。
引文信息
马伟明，肖飞，马凡．舰船综合电力系统研究进展与应用建议[J]．中国电机工程学报，2024，44(17)：6761-6774．
MA Weiming，XIAO Fei，MA Fan．Research progress and application suggestions of vessel integrated power system[J]．Proceedings of the CSEE，2024，44(17)：6761-6774(in Chinese)．
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责编：陈 娟
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