054B導彈護衛艦

 

 

艦名/使用國 054B導彈護衛艦/中國
建造國/建造廠 中國/

上海滬東中華造船廠

廣州黃浦造船廠

尺寸(公尺)  
排水量(ton)

滿載近5000

動力系統/軸馬力

整合電力推進系統

燃氣渦輪、柴油發電機組

推進電機

航速(節)

 

續航力(海浬)

 

乘員

 

偵測/電子戰系統

 

聲納

中頻艦首主/被動聲納*1

311型主/被動拖曳陣列聲納*1

水聲對抗系統

射控/作戰系統
艦載武裝

H/PJ-26單管76mm快砲*1

垂直發射短程防空導彈系統

H/PJ-11(1130型)30mm近迫武器系統*1

紅旗-10(HQ-10)短程防空導彈發射器*1(24聯裝)

四聯裝鷹擊-83反艦導彈發射器*2

三聯裝324mm魚雷發射器*2

艦載機

反潛直昇機*2

姊妹艦

 

艦名 建造廠 下水時間 服役時間 備註
         

 


 

在2000年代,中國海軍開始發展055大型導彈驅逐艦,隨後也發展接續在054A之後的新導彈護衛艦,型號為054B,建造工作會晚於055導彈驅逐艦。

054B型導彈護衛艦項目的論證在2000年代末期展開,在2012年初通過了立項的綜合論證審查,隨後展開設計工作。054A並不是以054A設計繼續改良,從一開始下達的「研製任務書」起,054B項目要求的參數與指標就全面超越先前的054A型艦,是一種檔次更高的新船艦,艦體平台也重新設計。

054B是中國海軍第一種採用競標方式選擇設計方案的大型主戰艦; 1990年代後期立項的22型導彈快艇曾在設計階段採用競爭作業,而056輕型導彈護衛艦的每個批次生產作業也採用競標,但設計工作仍由海軍指定特定單 位。054B的設計方案由中船工業與中船重工兩大集團來計競標,中船工業集團採用非傳統的三體船型,而先前長年為中國海軍設計主戰驅護艦艇的中船重工集團 則提出常規的單船體方案,最後中國海軍選擇了較為保守的中船重工方案;爾後中船工業集團以落敗的三船體設計為基礎,推出了衍生型投入外銷市場,在2017 年2月阿布達比國際防衛展(IDEX 2017)中首度公開。

054B的研製、開發、整合工作中引進了055大型導彈驅逐艦首創的許多新方法,著重綜合作戰能力(而不是單一局部考量),作戰系統設計強調偵查、指揮、 打擊、防禦一體化。在系統設計、電子裝備上採用頂層設計、層層分解,以整體的眼光系統架構的集成度與合理性,指揮與控制強調一體化,實現信息傳輸標準化、 通用基準完全共享,各項子系統設備實現小型化、通用化、集成化、標準化。系統與電子裝備的設計過程中體現統通用化、集成化、綜合控制、信息與資源資源充分 共享,精減子系統的數量,淡化個別子系統之間的界限。

在技術上,054B相較於054A最大的改進,包括引進綜合電力推進系統、與055導彈驅逐艦類似的「偵通導抗一體化」集成射頻系統(艦上的偵測、通信、導 航、電子戰等射頻系統整合到綜合集成桅杆內)概念等,而054B中國海軍第一種使用全電力推進的主力水面作戰艦艇(早先中國海軍已經在部分軍用輔助艦船中 使用電力推進,但受限於當時的技術水平,設計與性能相對落後)。綜合電力推進系統中,主機帶動發電機產生電能,透過輸配電系統將功率分配給推進以及艦上所有的用電設備。綜合電力推進系統使得船艦總體布局設計的靈活性大幅增加,傳統推進系統的主機與推進器需要透 過傳動齒輪箱與大軸的剛性連結,只能採用串聯式佈置,佔據空間龐大的主機必須佈置在船艦中部,導致連結推進器的軸系長度跟著增加,而船艦其餘整體結構與系 統佈置只能予以遷就;而採用電力推進後,由於電力推進先天良好的調速能力,再也不需要複雜而龐大的傳動齒輪箱,發電機組只需透過柔性的電纜線將電力輸送給 推進電機,如此推進電機可佈置在艦船艉部就近推進器,大幅縮短了推進軸系的長度,發動機/發電機組也不一定需要在船底中部設置龐大的機艙來安置,可以佈置 在船艦上更適合的位置,進而優化整體的空間佈局、提高燃料和彈藥的攜帶量。綜合電力推進系統省去了傳動系統以及複雜的剛性機械耦合,不僅大幅減低了系統複雜度 以及對平台設計造成的制約,電力推進系統本身各部件也更易於採取模塊化設計,形成標準和系列化,不同種類的艦船依照體積與功率來搭配由不同模塊構成的電力 推進系統,能顯著減少動力與機電裝置的型號,對於節省開發成本以及用戶後勤保障的便利性頗有幫助。戰術性能上,電力推進省略齒輪箱,減少了一大噪音來源, 發電機組可以視情況布置在遠離艦底的位置,並安裝在彈性減震機座上,使得原動機輻射到水中的噪音與震動降低,可以有效降低船艦自噪對於水聲聽音裝備(包含 反潛與魚雷探測)的干擾,顯著增加其工作距離和效率,而較低的整體聲噪也讓反魚雷水聲對抗設備更容易欺騙來襲的魚雷。主機方面,054B可能引進燃氣渦輪,此時中國海軍除了擁有廣泛用於052B/C/D及055導彈驅逐艦上的25MW級(33525馬力) GT25000燃氣渦輪機之外,衍生自空用渦扇10(即「太行」)的QC-70中型艦用燃氣渦輪也在2010年代後期普遍裝用於726A型氣墊登陸載具,單機功率約7.2MW(9655馬力)超過了原054A的16PA6V280STC柴油機(單機功率5702KW,約7646馬力),也可作為054B的主機選項。

除了綜合電力推進、集成的電子與射頻系統之外,054B護衛艦其餘性能如耐波性、船艦流體性能、航行操縱性、降低整體跡訊(包括雷達反射、聲噪、熱信號、磁信 號等)等方面可能也會有突破,同時在控制戰損研究方面(如水下破口、破損剩餘強度、受創後生命力等方面)據信也會增強。054B的排水量比054A增加 數百噸,接近5000噸。

作戰裝備方面,054B的武器配置相對於054A咸信不會有大幅度的變革,但若干次系統會在現有型號上進行改進;例如,垂直發射防空導彈系統可能升級為 HQ-16C,與紅旗-16共用垂直發射器的魚-8火箭助飛魚雷也升級為魚-8A(進一步優化飛行時的實時指令更新機制,提高火箭投擲的精確度),並且納 入後期型054A的改進,包括採用H/PJ-11(1130型)萬發近防砲、311型主/被動拖曳陣列聲納等;此外,也可能納入紅旗-10(HQ-10)艦載末端防空導彈武器系統。由於成本因素, 054B應該不會使用相控陣,而是採用現有382型三維對空搜索雷達的改良型。 此外,054B也會配備較好的反魚雷系統(包含水下干擾、反魚雷火箭彈等),在魚雷來襲時掩護艦隊中的高價值艦艇(如航空母艦),而仍能有較大的存活率。 054B可能配備兩個直昇機庫,搭載兩架反潛直昇機,或者一架反潛直昇機搭配數架無人飛行載具(UAV)。 整體而言,054B會著重於提高反潛作戰能力。

054B在2012年立項之後,到2018年始終沒有動靜,以2010年代中國海軍造艦極快的節奏而言,顯得十分不尋常;反觀2013年立項的075兩棲攻擊艦在2017年已經進入建造階段。054B項目的推遲,第一種可能是因為艦上的綜合電力系統遇到重大的技術難題,導致整個項目被推延;另一種更大的可能性,則是2010年代中國面臨的海上戰略情勢以及外部壓力已經截然不同,使得054B這樣的中型護衛艦的需求降低。到2010年代,由於南海諸島主權爭議等問題,以美國為首的西方國家已經將中國視為海上最主要的威脅,競爭較勁十分激烈(包括美國海軍在南中國海的自由航行活動)。而台灣在2016年由民進黨蔡英文政府當選總統,美國方面則有對華強硬、支持擴大海軍力量的唐納德.川普總統在2017年上任,不僅對中國發動貿易戰,也不斷升高與台灣的互動、挑戰「一個中國」原則,使中國在戰略上面臨嚴峻局勢。面對強大的外部壓力,此階段中國艦隊的建設已經明顯朝向遠洋綜合海空、與美軍對抗的路線,例如2010年代新設計的055導彈驅逐艦並不是先少量建造測試之後再批量生產後續艦,而是一開始就在江南、大連兩個造船廠同時批量建造;首艘航母遼寧號才在2012年剛入列,就立刻開工建造以遼寧號設計為基礎改良而來的002型航母,在2017下水。由此可見,2010年代後半開始,中國海軍優先建設與航空母艦編隊的相關大型遠洋艦艇,054A這樣四千多噸的導彈護衛艦對於航母編隊活動而言,噸位、自持力等都嫌偏低,而排水量沒有明顯放大的054B自然也不適合納入航母編隊;為了配合航母編隊活動,接下來中國海軍應該會全力建造052D、055等較大型的水面作戰艦艇,這可能是054B項目進度遲滯的最主要原因。

 

中壓直流綜合電力系統

中國發展船艦用綜合電力系統的關鍵,是中國科學院院士、海軍工程大學馬偉明少將領導的團隊的努力。在2015年,馬偉明的團隊公布「我國艦船中壓直流綜合電力系統研究進展」以及「艦船綜合電力系統中的機電能量轉換技術」兩篇論文,其中詳細論述了海軍工程大學團對發展船艦綜合全電系統的結構以及未來方向,也提到了馬偉明團隊在發展綜合全電系統過程中的具體工作。在2017年7月29日,馬偉明少將獲得中國國家主席習進平頒授中國軍事體制的最高榮譽──「八一勳章」,而中國中央電視台也隨即播放一系列關於馬偉明少將團隊研究成果的專題影片,其中出現馬偉明團隊在海軍工程大學實驗場的中壓直流綜合電力系統的工程樣機實景的影像,顯示整套系統此時即將實用化。

(上與下)馬偉明的海軍工程大學團隊的中壓直流綜合電力系統的地面測試機組,

後方可以看到疑似推進電動機。

在1990年代後期,英國與美國率先研製了船艦用綜合電力系統(Integrated Electric Propulsion(IEP)或Integrated Power System(IPS)),使用的艦艇包括包括英國Type 45飛彈驅逐艦與伊莉莎白級(Queen Elizabeth class)航空母艦以及美國松華特級(Zumwalt class)陸攻驅逐艦。這些英美最早實現的船艦用綜合電力系統都使用中壓交流電系統,因為過去西方船艦使用交流電系統,引進中壓交流電系統之後比較能相容於既有的交流電艦載設備,而中壓交流輸配電系統也是民間業界的成熟技術。

在2000年代,馬偉明少將將研究重點轉向船艦綜合電力系統,建立了中國第一個艦船綜合電力技術國防科技重點實驗室,研究方向是比中壓交流電綜合系統更新一代的中壓直流綜合電力系統 。美國方面在完成松華特級使用的整合電力系統以及中壓交流電系統之後,同樣也研製中壓直流綜合電力系統;然而中國由於較早開始發展,在實用化的道路上搶先一步;美國方面研製「先進發電模塊」(Advanced Power Generation Module,AGPM,功率25MW,使用12000V直流電)的計畫在2016財年才對業見進行資訊徵詢(RFI),2017到2018財年進行政府/業界的概念研究,2019至2020財年進行設計,2021至2022財年試製樣機(300V直流電縮尺樣機),2023至2024財年進行測試,要等到2025財年以後才有可能實用化。

相較於英美第一代艦載綜合電力系統的中壓交流/中頻交流電網系統(發電機產生的是交流電,母線為交流電,部分區域供電轉換為直流電)相比,中壓直流電網系統的第一個先天優點,就是不同發電機組併聯時的頻率/相位同步工作可大幅簡化。交流電網中,不同發電機組的電網併聯時,必須滿足各發電機組頻率與出口電壓相同、相位和相序一致的苛刻條件;如果無法達到這些條件,輕則產生系統震蕩導致併聯失敗,重則產生大電流,將設備燒毀;即便併聯成功,不同容量類型的機組間也由於功率、轉速的差異,容易產生功率分配不均衡,導致電網運行的經濟性降低、無法充分使用裝機容量,並使系統不穩定。因此,交流電網中,轉速不同的發電機無法直接並聯運行,而不同種類發電機的調速特性差異太大,容易導致並聯運轉時功率分配不均,無法穩定地並聯運行。依照馬院士團隊的論文,燃氣輪機發電機組和柴油發電機組不僅工作頻率不同,且調速性能差異極大,尤其是突加/突卸負載時,主機轉速趨於穩定的時間相差一個量級以上,這使得這兩種發電機組併聯運轉的挑戰極大。中國海軍艦艇主機長年面臨的重大問題,就是可用的原動機性能落後於國外,尤其是大功率燃氣輪機可選機型少且調速性能落後於西方產品(美國GE與英國Rolls Royce的燃氣渦輪技術水平領先全球);不同的交流發電機併聯時,原動機的調速性能是整相位/相序的關鍵因素,如中國仿效英美國家發展中壓交流綜合電力技術路線,將明顯受制於各種可用原動機性能限制,導致各發電機組因功率等級和調速性能差異大、難以穩定併聯運行的問題。反觀直流電網就可併用發電機的勵磁控制和原動機調速控制來調節電網中不同機組的功率調節,對原動機調速性能的倚賴大幅降低,性地解決了不同功率、運轉頻率發電機組併聯時的難題,彌補了中國可用原動機以及調速性能受限的弱點。此外,直流電系統的基本物理特性就決定直流輸電線路只需要2根電纜,比起交流電系統的四根降低一半,減輕了系統中電纜所佔的空間、重量以及會產生的損耗 。

而就先天物理特性上,交流電具有「集膚效應」(Skin effect)以及「大地等效電容」,導致輸電效率降低;「集膚效應」是因為電子首先會流過金屬導體的表面,之後才會從裡面流過,導體內部電流分布將不均勻,又稱為電感電流;交流電或者交變電磁場系統之中,由於電子反覆來回,集膚現象比較明顯。而交流電的傳輸線纜於對大地存在等效電容,傳輸的過程中必出現一部分無效功率(即「電容電流」)。而直流電的「集膚效應」與「電容電流」就微乎其微,輸電效率較高。

然而,相較於技術成熟的交流電網結構,中壓直流電網也有本身的技術難關與風險 。首先,交流電先天上比較容易變壓轉換,直流電則比較麻煩,原動機帶動發電機產生的交流電經過升壓然後整流變成直流高壓,輸送到接受端時必須逆變成交流電然後再降壓,整個轉換過程麻煩得多。此外,中壓直流電網有兩個問題特別顯著:第一,直流電 不像交流電一樣存在自然過零點,這使得負責保護系統的直流斷路器的設計與實現非常困難,特別在直流電網系統為了提高功率密度而採用的一系列設計,使得 直流電系統一旦發生短路時,不但短路電流量巨大,且上升速度很快,這使得直流斷路器各方面的性能要求極高,才能真正有效保護系統。第二,中壓直流供電系統會遇到明顯的靜態穩定性問題,因為船艦上的推進負載(推進電機)具有負增量阻抗特性,容易引起直流電網系統的電壓失穩;系統中電力/電子變流設備級聯時,如果輸入與輸出阻抗不匹配,會引起系統失穩或者系統動態響應性能變差;而未來船艦引進新一代直接能量武器等脈衝式負載之後,這種問題將變得更為嚴重。因此,艦載中壓直流電系統實用化之前,必需開發一系列新的功率管理技術,能有效保障系統穩定性,並能有效偵測系統發生的問題並迅速處理與隔離出問題的部位;當然,直流電網中的各項配套子系統,也有許多與過去常用的艦載交流電系統不同,需要另外發展出對應直流電的版本。

雖然中國的發動機產業長期落後,然而中國的電網建設、輸變電產業卻擁有極強的競爭力,尤其是特高壓和超高壓交/直流輸電技術處於全球領先位置。目前世界上已經運行的800KV以上超/特高壓輸電線路幾乎都在中國,且相關的技術標準幾乎都由中國企業自行制訂。而國際電工委員會(International Electrotechnical Commission,IEC)的高壓直流輸電技術委員會,其秘書處就設在中國國家電網公司。中國在超高壓輸配電工程/建設的成就也引起了美國等國際主要對手的重視;在2010年11月29日,時任美國能源部長的華裔科學家朱棣文(Steven Chu,在1997年獲得諾貝爾物理學獎),在華盛頓對媒體發表題為「能源領域競爭正在成為美國新的衛星時刻」演講時提到,「中國挑戰美國創新領導地位並快速發展的一項重要領域,就是最高電壓、最高輸送容量、最低損耗的特高壓交流、直流輸電」。在一些國外評論者眼中,「超高壓電網」是能源領域最重要的進步之一,而中國則取得了世界領先地位。單單在「十二五」計畫期間,中國在國家電網和南方電網項目的超高壓輸電項目的投資,就達到5300億元人民幣,其中用於直流輸變電體系相關的流換流變壓器、換流閥、控制保護設備及直流場設備等,價值就將近1000億元人民幣。在中國內部龐大的市場以及國家積極的強力推動之下,中國電力產業已經出現一批極具競爭力的相關企業;這樣的背景對於中國海軍發展中壓直流綜合電力系統項目而言,無疑是極為有力的支撐,使之能迅速突破實務上的技術難關(雖然時下中企相關的技術和現成產品未必已經可以直接拿來就用)並朝實用化邁進。

依照馬偉明團對研製的綜合全電系統的系統結構圖,整個中壓直流綜合全電系統被分為發電、輸配電、變配電、推進、儲能、能量管理等六大子系統,其中發電系統是產生能量的原動機,燃燒燃料運轉並轉換成電能;輸配電和變配電系統將發電系統產生的電能轉換與傳輸分配給各種不同的用電設備,包括推進系統和艦上其他用電設備;能量管理系統隨時監控整個系統運作,依照情況分配和調節系統的運轉。而儲能系統(由電池、電容等構成)則相當於電力系統的「蓄水池」與緩衝,這是英美等第一代綜合電力系統中所沒有的特徵,可以在負載低谷時儲存電網中沒有被利用的能量,在負載加大時則由儲能系統將儲存的能量輸入電網,大幅度提高系統運作的效率和穩定性,減少發電系統的無效率運轉浪費;更重要的是,儲能系統可因應某些用電設備需要瞬時大功率輸出的需求,為脈衝式高能量武器系統(如電磁軌道砲、直接能量武器等)提供了上艦的條件。

為了完成中壓直流綜合電力系統的研製,馬偉明的團隊首先建立系統運作的相應數學模型,進行計算仿真,然後提出具體技術方案,接著進行設備試製,在試製過程中突破關鍵的製造工藝與技術瓶頸,然後基於實際設備不斷進行運轉測試與修改。在馬偉明團隊發表的相關論文中,所有解決所有系統主要技術問題的過程,都包括這一連串「模型、仿真、方案、試研、工藝、實驗、測試」的循環,顯示馬偉明團隊真正透過詳細的實作,突破系統集成難關以及相應的製造工藝技術,為系統實用化以及形成作戰能力打通道路,而不是流於紙上形式。依照馬偉明團隊發表的論文,該團隊在實驗室成功搭建測試系統,「完成了設備和分系統的性能試驗,完成了系統額定效率、系統穩態電能品質、系統動態性能、推進功率限制、系統連續運行、系統故障保護、能量管理、系統電磁兼容、振動噪聲、動態磁場、超導限流等試驗,試驗結果達到了設計的技術指標要求」,並且「攻克了幾百千瓦至數十兆瓦級整流發電機的集成優化設計、高效冷卻、輸出電壓精確控制、關鍵加工工藝固化等關鍵技術,解決了時間常數和功率等級有量級差異的燃氣輪機發電機組和柴油發電機組並聯運行難題,提高了我國艦用發電機的單機容量、集成化程度、運行效率和功率密度」,這意味著由燃氣渦輪、柴油機聯合驅動的供電系統的技術難關已經完全解決。

在研製中壓直流綜合電力系統的過程中,馬偉明團隊以及相關協同的企業做出大量工作,突破了先進感應電機(Advanced Induction Motors,AIM)以及配套的推進變頻器等設備的諸多關鍵製造技術;依照馬偉明團隊的論文,這些成果包括「創造性地提出了採用三次諧波注入和蒸發冷卻技術的多套多相繞組大功率推進電機系統方案,突破了非正弦供電電機優化設計、強迫式蒸發冷卻、新型磁脂旋轉密封、大型鼠籠轉子攪拌摩擦焊接、中壓大容量變頻器分布式電路結構設計、高速高性能通信、調速性能優化、故障冗餘控制和減振降噪控制等關鍵技術,研制成功大容量新型感應推進電動機及其配套的變頻調速裝置,實現了我國艦用電力推進系統的高功率等級、高功率密度和高效率,滿足了大型艦船模塊化應用的需求」,而這些電動機設備的技術基本上與美國DDG-1000松華特級驅逐艦使用的設備屬同一世代。

推進變頻器堪稱綜合電力系統的關鍵技術之一,能控制與調節輸出給推進用電動機的功率。這曾經是中國發展電力推進的技術瓶頸,尤其是其核心部件──大功率半導體部件一直是西方對華嚴密封鎖的關鍵技術。然而,隨著中國高鐵、動力車組和電動車輛產業的迅速發展,這方面的主要大功率半導體部件如絕緣柵雙極晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)不僅實現了國產化,也形成包含上下游的完整產業鏈,不僅瓦解了西方對中國的技術封鎖,也為中國推進電機變頻器的發展和持續改進,奠定了良好的基礎。

 

依照馬偉明的海軍工程大學團隊在2015年左右發表、關於中壓直流綜合電力系統相關成果的文件,包括20MW級(含以下)大容量船舶推進變頻調速裝置、船艦綜合電力20MW/4MW級中壓整流同步發電機、大容量脈衝工作逆變器等。

1.20MW級(含以下)大容量船舶推進變頻調速裝置:

推進變頻器測試樣機的機櫃

這是中國國內首次研製的十五相24MVA大容量船舶推進電機用變頻器,採用多套、多相、多電平、分佈式結構。此成果可滿足不同噸位船艦的推進與供電需求,是各類船艦可直接使用的標準化模塊。此系統可用於各類船舶、機車牽引等民間領域,相關成果以經被武漢新能源研究所應用於高壓變頻器。此系統獲得軍隊科技進步一等獎。2015年時在先期小批量生產、進入工程應用階段。

該裝置由三套相同的獨立通道組成,每個通道為新型感應推進電機的五相繞組供電,獨立構成一個櫃體。每個通道主要包括二極管組件、制動單元、逆變單元、輸出濾波裝置、水冷裝置、檢測裝置、控制裝置等設備構成。推進變頻器採用基於動態數學模型的矢量控制方案,此方案採用轉矩及電流內環、轉速外環的閉環控制,將直流電能變換為驅動推進電機所需的變頻交流電能。在此系統中,課題組應用了中壓大容量多相電力電子裝置集成設計技術、分布式硬件及軟件設計技術、全數字化控制和全光纖式系統保護技術、高性能閉環控制技術、推進分系統集中監控技術等十餘項關鍵技術。此系統輸入的額定電壓是4000V直流(DC)、額定輸入電壓是5300A DC,額定輸出電壓是2400V交流(AC)、額定輸出電流是670A,額定輸出功率2~20Hz,體積功率密度1.12MW/立方公尺、重量功率密度1.33MW/ton,效率大於98.6%。

此課題解決了工作電壓高、輸出功率大、開關管應力高等技術難題,可靠度與效率高,且維修容易。此課題採用可切換數據源的高速光纖環網通信網路控制拓樸以及相對應的高性能同步方案,解決了同步誤差累積問題,同步精度達到8ns。此課題提出了一種推進變頻器用載波型寬脈衝調製策略,解決了多節點式分佈式控制中脈寬調製的複雜時序精確控制難題,降低特徵諧波幅值,降低了聲噪與震動,使系統具有良好低速性能。此課題提出了一種考慮三次諧波做功的15相20MW級推進電機轉子磁場定向閉環控制策略,實現轉矩、勵磁、零序電流的獨立解耦控制,提高了推進電機的動靜態性能。提出了針對船艦應用特點的多相無縫切換與冗餘控制策略,滿足各種工況下推進子系統的控制性能要求。

此課題獲得專利四項,申報專利兩項,分別是一種20MW級15相感應推進變頻器、一種15相感應電機三次偕波開環注入方式、基於二級管箝位型三電平單位的集成式多電平逆變電器、一種二級管箝位型三電平單位死區設置電路、大容量電力電子系統高速光纖環網通信網路控制拓樸、二級管箝位型三電平變流器。

2.船艦綜合電力20MW/4MW級中壓整流同步發電機

馬偉明海軍工程大學團隊完成的20MW級中壓整流發電機樣機,結合GT25000燃氣渦。

馬偉明海軍工程大學團隊完成的4MW級中壓整流發電機樣機,結合20V956柴油機。

 

此項成果可直接用於中國海軍大型驅逐艦、護衛艦等新型船艦的綜合電力系統,或者不同噸位的大型水面船艦、核子潛艇、民用船舶、鑽油平台、牽引機車頭、燃氣渦輪發電站、移動式發電站等。2015年時在先期小批量生產、進入工程應用階段。

20MW級中壓整流發電機(實驗機組功率標示為21MW)由燃氣渦輪(實驗中結合GT25000燃氣渦輪)作為原動機,構成船艦綜合電力系統的主電源,是目前中國船艦用主發電機中功率最大者;4MW級中壓整流發電機組(實驗機組功率標示為3.75MW)則與柴油機作為原動機(實驗中結合20V956柴油機),作為船艦綜合電力系統的日常負荷電源,兩者構成一個完整的船艦用電站,滿足艦上所有的推進以及供電需求。20MW級與4MW級中壓整流發電機在2012年9月完成出廠驗收,2013年10月配合全套綜合電力系統完成陸上演示的所有試驗項目,2013年12月通過科技成果鑑定。此種大中容量中壓多相整流發電機演示樣機具有完整的自主知識產權,其製造工藝成熟,在中國國內產製實現性良好,具有高度集成化、高功率密度、高效率等優點,是中國研製船艦綜合電力系統發電子系統的重大突破。

20MW/4MW級中壓整流發電機的主要技術創新包括:提出並實現一種中點可引出的中壓整流同步發電機,滿足中壓直流電網的要求;採用基於分佈式磁路法的多相整流同步發電機的磁路計算方式,建立了考慮原動機轉速特性的發電機系統數學模型,完善了多相整流同步發電機的設計和分析理論體系;通過三維流體場、溫度場以及其耦合仿真分析,實現電析風路流阻匹配設計和轉子小齒軸徑向混合通風散熱方式,解決了大容量多相整流同步發電機轉子散熱和系統集成優化設計難題;提出並實現基於發電機組系統模型的勵磁控制策略優化設計,滿足原動機調速特性差異明顯時對雙機併聯運行的要求;提出適合船艦電機的新型轉子絕緣結構,以及考慮冷熱態差異下的現場高速動平衡等技術,形成一套完整的大容量中壓整流同步電機製造工藝。

20MW級中壓整流發電機的技術指標包括:額定中壓直流電壓/電流,額定輸出功率21MW級,額定轉速每分鐘3000轉,繞組接線形式是4Y移15度電角度,勵磁方式為無刷勵磁,額定效率大於等於97.5%,全系統重量小於43噸。

4MW級中壓整流發電機的技術指標包括:額定中壓直流電壓/電流,額定輸出功率4MW級,額定轉速每分鐘1500轉,繞組接線形式是4Y移15度電角度,勵磁方式為無刷勵磁,額定效率大於等於96.5%,全系統重量小於15噸。

此系統獲得四項國家發明專利,包括帶整流負載的多相同步發電機穩定裝置、帶有轉子交軸穩定繞組的同步發電機、磁性材料鐵損耗自動測量系統、磁性材料旋轉磁化特性測量裝置。

3.大容量脈衝工作逆變器

此技術能將直流電變換成頻率與幅值按照一定規律大範圍變換的交流電,實現對高壓大功率電機的變頻調速控制。2015年時處於試生產、應用開發階段。

此系統可推廣用於工業用電機(軋鋼、風機、水泵、礦業捲揚機等)的高壓變頻調速場合,城市軌道交通與高速列車電力牽引系統中的大容量變頻裝置,電力系統中的高壓直流輸電、柔性交流輸電、無功補償等裝置,新能源領域的風力發電、光伏逆變器等裝置,新能源發電儲能調節並往裝置等。將該技術推廣至民用領域,可促進大容量逆變器的發展,帶動製造大容量電力電子裝置的大型企業的技術發展,填補國內產業相關空白,打破國外技術封鎖,推動相關技術產業化進程。

此技術立足於當前電力電子器件的發展水平,以IGBT功率器件的盡限應用和可靠性為理論依據,透過採用器件級的串並聯技術、電路級的多電平技術和裝置級的並聯技術,實現短時數百兆伏安的電能從直流到交流的變換。採用優化的結構設計和系統集成技術實現裝置的高功率密度和高可靠性,採用優化的空間矢量脈寬調製(Pulse Width Modulation,PWM)控制策略和全數字控制系統設計,實現對輸出波形質量的優化控制。基於PC104處理器實現全數字實時電機控制算法和多台逆變器之間的協調控制,採用高速串行環網通信及以太網通訊接口實現與全系統之間的集成。 

大容量脈衝工作逆變器的技術特點包括:基本模塊結構為二級管箝位三電平單位半橋單元,採用電容母排、傳輸母排、單元母排多集互聯的主回路,解決了高壓大變流逆變裝置模塊集成的難題,實現了回路雜散電感、減輕了器件開關應用;吸收電容電極採用複合式引出方式,減少吸收電容等效串聯電感,減少了IGBT關斷大電流時有源箝位的持續時間,解決了IGBT關斷時的動態過電壓難題;採用基於雙環網的序列周邊排線(Serial Peripheral Interface Bus,SPI)串行通信的多台逆變器併聯控制方案,解決了直交流電同時併聯的動力調節逆變器均流控制難題,實現了併聯運行逆變器的冗餘控制;採用基於SPI通信、無需處理器的逆變器運行狀態監控方式,運用此方式實現了對裝置運行狀態的監控,便於進行維護檢修;提出單相多電平逆變器矢量PWM調製策略,通過動態實時優化開關矢量選擇,減少功率器件開關次數,透過優化開關矢量選擇,解決無中點連接的多電平逆變器電容電壓均衡控制的難題與一般民用通用逆變器相較,此一大容量脈衝工作逆變器優勢包括:功率密度高,裝置模塊化集成化程度高;裝置容量等級達20MA,比較適合短時(2~3秒)工作場合,通過合理的散熱可擴展至長時間工作模式。

大容量脈衝工作逆變器的技術指標包括:直流側電壓為2 x 2000V(DC),電流為2200A(DC);最大輸出電壓3100V(RMS),輸出電流6000A(RMS);最大電流7500A(RMS),輸出頻率0~106Hz,效率98.5%。輔助電源為一般市電(220V AC/50Hz),功率2KW;不斷電系統(UPS)電源亦為220V AC/50Hz,功率600W。工作環境條件為溫度攝氏18~41度,濕度小於95%,有凝露;儲存溫度為攝氏-27~70度。外型尺寸小於1900mm x 1200mm x 2000mm (寬、深、高),重量小於2600kg;防護型式為IP23防濺式;維護空間為兩面維護,後維護空間0.5m,前維護空間1m;接口要求是光纖、電纜上進上出,水管路採用後進後出,採用帶有換熱器的閉式風冷系統。

此系統獲得四項發明專利,包括一種電力電子分佈式數字控制系統、一種大功率特種變頻驅動裝置、一種電流電壓檢測裝置、電磁發射運行軌跡驅動方式。

飛輪/複合儲能技術

一般而言,有三種儲存電能的方式適合用於船艦,包括超級電容、蓄電池和飛輪儲能(美國海軍的電磁彈射器(EMALS)就採用飛輪儲能),這些儲能方式的特性與長短處互異。超級電容的能量密度(儲存總電能)較低,但功率密度(單位時間釋放供應的電能)很高,可在瞬時釋放出大功率能量;蓄電池則完全相反,能量密度較高但功率密度低,能夠存儲較多的電能,但無法在短時間內大量釋放,只能緩慢平穩地將電能釋放出來。而飛輪儲能則將電能以飛輪旋轉動能的形式儲存,雖然能量密度和功率密度都不錯,但由於需要龐大的旋轉機械結構,其發展前景較為有限。

由於超級電容和蓄電池在性能上有明顯互補性,一般做法是將兩者以合適的方式組合,形成「復合儲能」;通過合理的選擇協調控制方法和配置策略,可以組合電容與電池的優點,既能良好支持瞬時大功率的脈衝式負載(如電磁軌道砲、電磁彈射器、直接能量武器),也可以儲存大量電能,使儲能系統可以安全而穩定地運行。目前,在艦艇綜合全電系統中出現的儲能方式,就是結合超級電容與電池的「復合儲能」,以及「飛輪儲能」兩種,而馬偉明的團隊這兩方面都做了不少工作;在飛輪儲能方面,馬偉明團隊的論文提到:「突破了高能量密度、長脈寬和長壽命的慣性儲能技術,創造性地提出了將拖動機、勵磁機、旋轉整流器及主發電機共軸集成,並將飛輪與轉子合二為一的儲能電機方案,提高了裝置的功率密度和能量密度,解決了脈衝功率裝置與不同容量電力系統適配的難題」,顯示已經掌握飛輪儲能技術,並解決與其脈衝式負載(電磁軌道砲與彈射器、直接能量武器等)的相容性。以馬偉明團隊發表的論文中可以發現,相關研究重點傾向於「復合儲能」方式,尤其是在討論電磁發射問題的多篇論文中,都透露其使用的儲能方式為「復合儲能」,研究的重點主要是復合儲能的結構和控制策略問題。

美國海軍也在進行複合儲能的發展。美國海軍的儲能發展計畫是在2011年進行能源儲存模塊(Energy Storage Module,ESM)的概念驗證(Proof of concept),由RCT公司在美國海軍研究辦公室(Office of Naval Research,ONR)的合約之下負責設計建造;此一概念驗證模型以傳統酸蓄電池(Lead Acid Battires)作為電源,一系列蓄電池安裝在一個28英尺的ISO標準集裝箱內,能在10分鐘時間以600KW輸出,功率密度相當於每小時100KW(360MJ)。在2018年,美國海軍開始發展能源艙模型(Energy Magazine Prototype,EM-L),能支持~45 150KW的固體雷射(Solid State Laser,SSL)的射擊,功率密度為每小時71KW(相當於供應256MJ能量),2018財年進行概念展示。隨後,以EM-L為基礎開發第二代能源艙(Energy Magazine  MK2),目標是透過多個能源艙串聯的方式,供應船艦生存性/可靠性用電以及作戰系統的能源需求,在2020財年完成裝艦與生產準備;第二代能源艙可作為峰值調節(peak shaving),可用於維穩備用電源(Stable Backup Power)、電子戰系統改進計畫(Surface Electronic Warfare Improvement Program,SEWIP)的電源、固體雷射武器等電源需求 ,能支持~360 150KW固體雷射的射擊,功率密度每小時153KW(相當於供應550MJ能量)。此外,雷松(Raytheon)公司為美國海軍進行的電磁軌道砲項目提供「脈衝電源集裝箱」(PPC),將儲存體集成在標準集裝箱容器中,能提供18KW的功率,足供應電磁軌道砲每分鐘發射10次,每次發射後能在數秒內重新充電,第一套PPC在2016年5月下旬交付美國海軍,隨即與電磁軌道砲進行集成。

 

能量管理系統

能量管理系統負責綜合全電系統的監測、控制和管理,基於各項信息來精確控制全電系統的工作。艦船綜合電力智能能量管理系統既需要能以燃油經濟性為目標,進行發電機組的自動發電控制,實現能源的高效利用;同時,也能對應艦船不同的任務需求,以「脈衝負載最大發射能力」以及「艦船機動性能為目標生成能量調度策略」;在發生故障後,以關鍵設備的供電連續性為優先目標,通過快速網絡重構和一系列緊急控制措施,保證系統的最大存活性。智能能量管理需要能夠在「多個時間尺度、多個目標維度」上,優化和調控綜合電力系統的動態過程,保證系統經濟性、機動性和安全性都不斷趨向最優。

其中,「多時間尺度」意味在構成系統的各種設備的工作方式時間差異很大,這包括:開關動作可以引發微秒級的電磁振蕩;斷路器和機電設備必須能夠以毫秒級應對電流衝擊;儲能設備的充電和船舶控制是分鐘級的;整個船舶的長期航行狀態保持和經濟性問題以小時或天數來計算。而「多能量目標維度」是指系統需要滿足很多種需求,包括艦船續航能力、脈衝負載的供電保障能力、負載的供電連續性、艦船機動性、系統故障後的重構能力等;由於這些目標之中難免有相互衝突,因而需要一個有效的能量調度管理策略,使系統能自動產生合理的應對步驟,並在調節過程中充分考慮如何與艦艇指揮控制以及艦上人員進行有效互動。

以功能細分,能量管理系統可以再分成監控、連接、智能調度等三部分。

對於監控部分,系統中每一個設備、每一個機櫃,都需要設置一系列的監控設備,精確實時地獲得系統運轉和周邊環境的各類參數;而這些數據要及時而準確地透過連接纜線,彙整到中央調度系統裡。

對於連接部分,由於各設備之間的電氣和信息接口形式各不相同,必須遵照「模塊化」、「標準化」的設計原則,以提高系統能量和信息傳輸效能為導向,對綜合電力系統各組成設備之間的接口進行優化設計。同時,必須提出合理的電纜設計和鋪設方法,特別是要提高電纜的電磁屏蔽效能和降低動態磁場,提高數據傳輸效率和可靠性。

智能能調度部分堪稱整個綜合全電系統的大腦,是整個系統的核心、最重要也最困難之處,主要工作就是監控並獲取各個子系統的實時數據,根據艦艇運轉以及作戰的要求,依照「多時間尺度、多能量目標」,對全艦能量的產生、轉換、分配、儲存進行智能化調度和控制。此外,綜合電力系統的智能管理系統最終必然會與整個船艦的信息和作戰系統相關聯,尤其隨著高能脈衝武器的上艦,能源管理必然成為艦上武器和作戰管理的一環。

先進感應電機

在2017年5月17日解放軍報一篇名為「敢於彎道超車的"闖將"」的報導,位於湖北武漢的中國海軍工程大學艦船綜合電力技術國防科技重點實驗室教授、博士生導師肖飛,先後獲得國家科技進步一等獎、二等獎各1項,軍隊科技進步一等獎4項,入選軍隊高層次科技創新人才工程「學科拔尖人才」和「科技領軍人才」培養對像,2016年被評為「全國優秀科技工作者」,2017年獲「中國青年五四獎章」,先後3次榮立二等功。在2017年5月3日,肖飛獲得第21屆「中國青年五四獎章」。在2018年7月19日,中國國家主席、中央軍委主席習近平日前簽署通令,給3名個人記功,包括海軍工程大學某研究所所長教授肖飛。

在2002年,25歲的肖飛剛從海軍工程大學碩士畢業留校,隨即進入馬偉明院士領軍的艦船綜合電力技術國防科技重點實驗室;肖飛的第一項工作,就是跟隨馬偉明院士開展未來船艦使用的「新型高速感應發電機系統」的研製工作。當時,這個研發項目遇到了重大難題,實驗進展比較慢。實驗中,肖飛發現發電機輸出電壓總是不穩定,於是開創性地引入電力電子勵磁技術;其中,某像關鍵技術在中國國內沒有任何資料可供參考,唯一能查到的只有國外學術刊物發表的計算公式。然而,按照這個公式算出來的數據相互制約,實驗無法突破,得不到有用的結果;歷經多次檢查,也始終沒有發現運算過程中存在錯誤和漏洞。後來,肖飛打破原本按照外國公式的思維,自行提出了一種全新的算法,爭於攻克了困擾已久的技術難題。

突破理論技術關卡後,肖飛和課題組成員一起進駐工廠,把研究工作從研究所延伸到工廠車間,將創新技術落實到工程實踐之中。高速感應發電機系統的研制相當艱辛,不僅設計困難,且加工工藝要求高。高速感應電機的設計標準比老式電機提高了很多倍,原有的一些設備、生產工藝和檢驗標準都不再適用。在這個研發項目的最後衝刺階段,為了盡快達到技術規範要求,肖飛擔負起「全能運動員」角色,一會兒在研究所當教授搞研究設計,一會兒又趕到工廠擔起設計師、工程師、技師和工人的活。於是,此項目工藝製作全過程的200多個操作步驟,肖飛都親手參與。最後,肖飛帶領團隊成功把先進感應電機樣機研製出來,各項參數全部達到設計要求。該項目順利通過科研成果鑒定,獲得2014年國家科技進步二等獎以及國家專利;鑒定委員會一致認為,該成果達到國際先進水平。馬偉明院士對愛將肖飛的評價是「有自主創新的膽量,有另辟蹊徑的思路,有向新興領域進軍的勇氣」。

從加入馬偉明院士的船綜合電力技術重點實驗室10多年來,肖飛先後主持和參與了國家及軍隊10餘項重大科研項目,絕大部分涉及的都是國防科技基礎性前沿性的課題,以及裝備發展的關鍵技術難題,多項成果達到或超過發達國家的同等水平。在馬偉明院士領導的艦船中壓直流綜合電力系統中,肖飛負責電力電子電能變換領域技術攻關,解決了從基礎理論研究、關鍵技術攻關,到裝備和產品研製等一系列重大難題,實現了中國艦船動力從傳統機械方式向全電力方式的革命;而肖飛帶領研製的直流區域變配電分系統,成功應用於中國新型護衛艦和島礁風光儲一體式發電站建設。

另外,在10年前(約2000年代中期),作為風力發電機核心部件的變流器,中國只能完全仰賴進口,相關設備被歐美日幾家大公司壟斷,價格昂貴且進口條件嚴苛;當時,馬偉明院士認為可以用船舶高速發電機的成熟變流器技術突破難關,於是此一項目由肖飛牽頭帶領,由劉勇、陳明亮、王顥雄等幾名青年人才組成課題組進行研發工作,經過近一年的攻關,成功研製出2MW級直驅式風力發電變流器系統,並由肖飛帶領團隊前往福建省漳浦縣某風力發電廠進行測試。受環境限制,肖飛帶領的課題組在山上搭了一個小窩棚做實驗,平時住在山下農民家裡。測試結果顯示,肖飛團隊研發的變流器技術指標優於國外同類產品,一舉打破了該領域被國外長期壟斷的局面,國外產品價格應聲而降,當年即為國家節約采購經費約10億元人民幣肖飛帶領團隊乘勢而上,在國內首次研製成功海島風能、太陽能等多能源智能微網,並應用於島礁建設工程,一舉解決了島礁供電難題,提升了駐守部隊自給力和戰鬥力。


下一代電機技術

除了前述正投入應用階段的成果之外,馬偉明的海軍工程大學團隊的發展目標又進一步延伸到下一代推進電機技術和集成化推進模塊。在2017年中旬央視系列節目的畫面中,出現了標註「低速永磁同步電機實驗系統」的設備控制台。永磁電機(Permanent Magnet Motors,PMM)以及高溫超導電機(High Temperature Motor,HTM)是先進國家下一代艦船電力推進系統的核心技術。

海軍工程大學研製的低速永磁同步電機實驗系統的控制台。

此外,馬偉明團隊也在開發將推進電機、變頻器與螺旋槳集成的一體化推進模塊,其中一個點行就是央視系列報道中的「無軸推進技術」。「無軸推進器」將推進電機的結構與實際上推動海水的螺旋槳集成為一個結構,如此就可完全省略過去連接推進電機與螺旋槳之間的主軸和齒輪箱,可最大幅度地簡化機械結構,連帶避免了這些機械設備帶來的噪音、震動與能量損耗。在馬偉明團隊的論文中,「無軸推進器」是將高效能永磁電動機(PMM)、軸系、舵及尾推進器集成為一體,除變頻器以外的其他裝置都安裝在船舶外部,不佔用艙內空間,具有體積小、重量輕、振動噪聲小、推進效率高、操控性能好、安裝拆卸方便等顯著優點。由於「無軸推進器」可以大幅減低噪音,對於潛艦的意義最為重大,此外在一般船舶的應用上也有潛力。