作者：鄧肯
美國的“朱姆沃爾特”級驅逐艦即將服役，這是當代功率最大的全電推進艦艇，而英國的CVF“伊麗莎白女王”級航空母艦也在緊張的建造過程中，法國的“西北風”級兩棲攻擊艦、英國的“海神之子”級船塢登陸艦和美國的“劉易斯和克拉克”級彈藥補給艦更是在輔助艦艇領域大規模的使用了全電推進係統，民用的“海洋綠洲”號全電推進超級遊輪噸位更是超過了20萬噸。
“朱姆沃爾特”級驅逐艦
21世紀以來，全電推進在軍-民船舶領域都是技術發展的重中之重，其優異的特性也使得其成為未來軍艦的首選，在技術沒有達成突破之前，歐洲FREMM驅逐艦、美國LHA6“美國”級兩棲攻擊艦等還先選用了電力輔助推進係統。一切向電氣化看齊，成為了各國艦艇建造和研製的共同目標。
上古時代的全電推進
實際上，電力化推進的艦艇出現得很早，美國第一艘航空母艦“蘭利”就是在一艘蒸汽發電-電力推進的海軍運煤船“木星”基礎上改造的，距今已經102年。美國海軍在1910年代因尚未研製成功大功率蒸汽輪機減速齒輪，因此田納西級戰列艦、科羅拉多級戰列艦和列克星敦級戰列巡洋艦（後改造為航空母艦）都采用了蒸汽輪機發電+電動機推進的設計。在二戰期間因為減速齒輪生產能力不足，在護航驅逐艦、艦隊油輪等輔助艦艇上也廣泛采用了電力推進技術。不過當時主要的推進技術是采用的交流發電-交流異步電機，電機的轉速、功率調節都極為困難，使用靈活性差，體積巨大，隻是齒輪減速係統發展初期的一種簡單代用品。
田納西級戰列艦
列克星敦級航空母艦
在二戰中，美國海軍的常規潛艇引入了柴油直流發電-直流電機推進，可以較好的調節轉速，在戰後也逐漸成為了各國常規潛艇的主要推進方式。
小鯊魚級潛艇
同時隨著變電技術的發展，交流發電-直流推進、交流發電-直流輸電-交流推進等技術也在戰後發展開來，大部分先在各種常規潛艇上得到了營用，而在水麵艦艇因為其功率不足使用較少。
現代電力推進技術的出現
80年代以來，隨著MOSFET、IGBT等固體功率元件的發展，大功率變頻器開始實用化，瑞士ABB集團、法國阿爾斯通集團等國際大型機電企業開始將變頻電機引入船舶推進領域（與家用變頻空調類似，可以高效的調節輸出，降低能耗）。
ABB集團專精吊艙式推進係統，電機安裝在船體底部可以自由旋轉的吊艙內，可以極大的提高艦艇機動性，甚至可以進行原地轉向等高難度機動，被廣泛的應用於海洋工程船舶、大型鑽井平台等領域，我國的海監船也引進了ABB的吊艙技術。世界最大的電力推進船舶“海洋綠洲”號超級油輪裝有三台20兆瓦的ABB電力推進吊艙，使得22.5萬噸的該船可以達到22.6節的高速。
世界上最豪華的海洋綠洲號超級遊輪
阿爾斯通集團專精於固定螺旋槳模式下的大功率推進電機技術，美國“朱姆沃爾特”級驅逐艦采用了阿爾斯通的36兆瓦同步感應電機，而英國“伊麗莎白女王”則采用兩組阿爾斯通40兆瓦同步感應電機。
“朱姆沃爾特”級驅逐艦的PMM先進同步感應電機
為什麽需要電力推進？
電力推進的主要優勢主要有兩點，1是節約燃料，2是保障艦艇設備和生活電力供應，3降低航行噪音。
船舶，尤其是海軍艦艇，大部分航行時間都是采取的低速巡航狀態，因為艦艇的航速和動力是呈立方倍關係，所以低速巡航狀態下的動力需求很低。
以美國的“提康德羅加”級巡洋艦為例，其推進發動機總功率86000馬力，最大航速32節，而以12節航速航行時需要的動力隻需要4500馬力就可以滿足需求，而“提康德羅加”級采用四機雙軸推進模式，在低速巡航狀態下也必須在每個推進軸上開啟一台單台額定功率21000多馬力的LM2500燃氣輪機，使其於2000餘馬力的怠速狀態工作。燃氣輪機的一個重要特性就是大功率工作狀態單位油耗低，怠速運轉單位油耗高，額定功率運行狀態每千瓦功率每小時消耗約230克燃油，怠速狀態則超過500克，因此巡航狀態燃油經濟性較差。
同時艦艇本身還有大量的電力需求，要依靠艦上三台LM500燃氣輪機供電，平時消耗功率甚至超過了推進用功率，LM500燃氣輪機的油耗也高達400克以上，很不經濟。隨著艦艇電子設備的不斷進步，尤其是大功率相控陣雷達的普及和發展，設備耗電需求還呈現不斷增長態勢。同時艦艇上的人員生活需求也不斷提高，尤其是淡水和空調需求，設備和生活需求疊加之下，艦艇服役期間超過三分之一的燃油已經是消耗在發電上，同時美國驅逐艦、巡洋艦電力需求在過去二十年幾乎增長超過50%，燃油消耗的增長更是讓人難以承受。如果采用電力推進技術，則可以隻運轉一台LM2500燃氣輪機供應推進和艦上供電，可以降低40%左右的燃油消耗，極大的降低艦隊運作成本，同時也降低了戰時海上補給的需求。
LM2500燃氣輪機的油耗曲線，巡航狀態的功率低於圖中所示20%功率
如上麵所論，艦艇的電力需求處於不斷增長的態勢，不光是燃油壓力巨大，而且本身供電能力也嚴重不足，美國在“阿裏伯克”級驅逐艦的flight III改進中，就將發電機容量在原有的7500千瓦基礎上增加到了12000千瓦，但是這個電力供應能力隻能滿足縮小版AMDR-S相控陣雷達需求，原定的大口徑AMDR-S雷達完全無法使用。在航空母艦上這個電力需求的增長更加恐怖，在“小鷹”級常規動力航空母艦上主發電機總發電功率32000千瓦，而在“尼米茲”級核動力航空母艦上則提高到了64000KW，如果這個電力需求是由常規動力係統提供的話，“小鷹”級航程將從12000海裏直接被壓縮倒5000海裏以內，采用了電磁彈射係統的“福特 ”級則將電力提高到了160000千瓦級別，接近於全速航行時的推進動力需求（美國50年代以來的超級航母，無論常規動力和核動力，推進功率都是200000千瓦），從燃油角度來說傳統常規動力係統已經完全無法負擔如此巨大的電力需求。如果要在常規動力航空母艦上使用電磁彈射器、在驅逐艦/巡洋艦上使用大型相控陣雷達，唯一的辦法就是采用綜合電力推進係統，推進和電力係統綜合利用原動機的輸出功率。
未來大型航空母艦的標配-電磁彈射器，是一個對電力需索無度的饕餮
當代大型艦艇電力推進的典範是英國皇家海軍最新的CVF“伊麗莎白女王”級航空母艦，其采用兩台36兆瓦的勞斯萊斯MT-30燃氣輪機，兩台8.7兆瓦的瓦錫蘭12V38柴油機，兩台11.6兆瓦的瓦錫蘭16V38柴油機用於發電，總計發電功率112兆瓦，推進功率為80兆瓦，最大航速26節。雖然其是采用的滑躍起飛模式，但是通過將推進電力臨時轉用於彈射，以及預留了電力容量，其可以支持安裝兩台電磁彈射器，也是當前僅有的常規動力航空母艦搭配電磁彈射的方案。
CVF航空母艦
除了以上兩點以外，電動機的噪音遠低於減速齒輪組，因此對於需要安靜的音響環境的聲呐係統來說，電動機驅動船舶可以帶來極大的性能增益，有利於反潛艦艇對潛艇的搜索。同時也有利於艦艇規避敵方聲呐的搜索，提高生存能力。
我國未來航空母艦如果要采用電磁彈射器，哪怕是核動力航空母艦也必須要搭配大功率的電力係統，與大型綜合電力推進係統項目也隻是省掉了推進電機，而如果采用常規動力，則必須采用綜合電力推進。因此，大型船舶電力係統的發展，也是我國海軍未來航空母艦發展的必經之路。
同時，未來大型驅逐艦搭配大口徑大功率的先進相控陣雷達，用於對付隱身目標和反導彈任務也是必須的能力，其對電力的需求幾乎無上限，發展綜合電力推進的大型水麵戰鬥艦艇也成為必然。
我國電力推進係統的現在和未來
我國在綜合電力推進係統上起步較晚，尤其是受限於固態功率元件生產研發的不足，長期以來沒有生產先進電力推進係統的能力。
隨著國內高速鐵路技術的發展，及其帶來的市場擴展，為了生產高速鐵路電機驅動係統的變頻器，國產IGBT（(Insulated Gate Bipolar Transistor)，絕緣柵雙極型晶體管）產業在最近幾年開始逐漸成型，開始逐漸替代鐵路係統的進口IGBT元件，也為艦艇推進係統的配電係統打好了一定的基礎。上個月，中國中車永濟電機公司在西安發布完全自主知識產權高壓大功率6500伏/200安IGBT模塊，采用焊接、鍵合等工藝方式實現國產IGBT芯片和FRD芯片多片並聯，實現一體化模塊式封裝設計，該模塊是鐵路機車輔助變流裝置中的核心部件，也可以滿足艦艇推進係統的需求。
國產IGBT模塊下線
從工業角度來講，高速動車組和大型電力推進船舶是一棵樹上的兩顆果實
同時在發電、配電、推進等領域，國內也在發展之中，在過去國內電力推進主要是針對鐵路（內燃機車是采用的柴油機發電，電動機驅動的模式，電力機車則是完全電力推進）、潛艇的需求，雖然在大功率推進係統上還沒有工程實踐的成功案例，但是也積累了一定的經驗。大型機車的電網已經達到10兆瓦級別，而潛艇動力也達到了7兆瓦級別，雖然離大型艦艇的需求還有一定距離，但是也已經可以作為未來發展的一個基礎。海軍工程學院馬偉明教授組織的研究項目組，在十五、十一五期間，已經攻克了構建了綜合電力係統的基礎理論體係，先後攻克了係統網絡結構、集成化發電、先進感應推進等數十項關鍵技術，十二五期間提出一二代混合的綜合電力係統技術方案，牽頭並聯合國內船電行業優勢單位，構建了中壓直流綜合電力係統，同時完成全係統聯調試驗，使我國成為世界上首個實現中壓直流綜合電力係統的國家。
當前中國電力推進係統的具體工程實現和生產集成，主要是由中船重工集團712研究所負責開發，今年5月14日，，由中國船舶重工集團公司組織的國家科技部科技支撐計劃項目“船用電力推進係統開發及應用研究”課題“船用電力推進係統開發及關鍵設備研製”通過專家組驗收。專家組一致認為，712所在國內首次成功完成了10兆瓦等級大功率船用電力推進係統及關鍵設備的產品研製，所有關鍵設備均取得CCS（中國船級社）產品檢驗證書，突破了10兆瓦級及以上多相船用電力推進係統關鍵技術，形成了具有完全自主知識產權的10兆瓦級船用電力推進係統及關鍵設備的研製能力，填補了國內空白。
2012年，該項目正式立項，這是我國首次開展針對10兆瓦等級及以上船用電力推進係統及關鍵設備的技術研究與產品開發工作，其目的就是要快速提升我國船舶動力高端裝備的自主研發能力，打破國外產品的壟斷局麵。通過近3年的時間，使我國船用電力推進係統的自主研發能力由過去的5兆瓦等級一舉邁向了10兆瓦等級及以上。
在實際交付方麵，2013年開始712所開始向市場交付3兆瓦級別的推進係統，目前已經初步形成了一個3~5兆瓦級別的產品鏈。
從產品級別來說，國內和歐洲先進國家相比還處於較為落後的狀態，10兆瓦級的船舶推進係統，ABB和阿爾斯通在1990年左右就已經可以大規模投放市場，而要在“朱姆沃爾特”和“伊麗莎白女王”級這樣大型艦艇上應用電力推進係統，還有至少10年以上的技術跨度需要追趕。當然，以國內對於大功率電力推進係統的旺盛需求（鐵路、海洋工程、軍事和化工等領域都大量需要大功率電動機械）和政府的扶持政策，在可以預期的未來，國內的電力推進係統產業將會迎來一個巨大的發展機遇。
