軌道交通無線供電技術的研究進展

林云志， 賴一雄

(中鐵電氣化局集團有限公司，北京 100036)

近年來，無線電能傳輸技術(wireless power transmission，WPT)快速發展，尤其是通過高頻交變磁場和諧振式磁耦合實現了非接觸式電能傳輸的磁耦合諧振式無線電能傳輸技術(MCR-WPT)， 可以實現較大傳輸功率和較高傳輸效率，為供電問題提供了新的解決方案。隨著WPT理論基礎趨于成熟，相關應用研究也得以迅速開展。在電氣化交通領域，面向電動汽車的無線充電技術已邁入實用化階段，許多國家建設了無線電能傳輸方式的實驗軌道線路[1-6]。

目前，應用在軌道交通領域的3種主要的電源類型包括第三導軌、架空柔性接觸網和架空剛性接觸網，均為接觸式供電方式。 其中，接觸網供電存在天寒掛冰、大風舞動、受電弓拉弧與磨損、受流極限等問題； 軌旁第三軌道的供電方式導致地面線路不安全，且在電分段或道岔處需要斷軌，斷軌易產生電弧，造成電路短路，一旦發生安全事故，人員逃生、疏散易觸電。相比之下，采用無線充電裝置可直接鋪設在地面上，占地小，且具有安全性、便捷性和維護成本低的優勢，因此無線傳能具有良好的發展前景。

1 適合軌道交通的WPT技術

1.1 感應式耦合技術

感應式耦合技術是電力變壓器是感應式耦合技術的直接體現。電能傳輸通過互感的方式來實現。對輸入工頻交流電進行整流和濾波，得到直流電壓信號，經逆變電路成為高頻交流電輸入；在變壓器的電感耦合之后，次級側線圈產生高頻電流信號。感應式耦合技術的優點在于近距離的系統效率可以達95%以上，可以實現低頻大功率的電能傳輸；缺點是線圈間是毫米級的距離要求太短，抗干擾和抗偏移能力差，一旦出現相對位置變化，系統效率下降的很快[7-14]。 感應式耦合技術基本原理如圖1所示。

圖1 感應式耦合電能傳輸

1.2 磁耦合諧振技術

電能的傳輸是通過近場的強耦合，使發射端和接受端產生共振來實現的。理論依據在于如果兩個振蕩電路具有相同的頻率，則在波長范圍內，耦合近場消逝波。 由電感器產生的駐波遠小于損耗時間，允許能量從一個物體有效地傳遞到另一個物體。發射器和接收器都調諧到相同的頻率，允許能量傳輸到相同的預定目標[15-21]。磁耦合諧振與電感式相比，可以實現長距離電能傳輸，具有抗干擾性強，實現多負載供電等優點。 磁耦合諧振技術基本原理如圖2所示。

圖2 磁耦合諧振無線電能傳輸

1.3 典型等效電路原理

根據現代電力電子理論，感應式耦合技術、磁耦合諧振技術都是基于高頻電磁場的近場耦合原理，使電能通過非接觸的方式從發射端輸送到負載端。電磁場的耦合原理是系統核心的部分，系統的一種典型等效電路如圖3所示。

圖3 系統等效電路

根據基爾霍夫定律[22-26]有：

(1)

(2)

式中：U為軌道的等效高頻電發射源；Lp、Ls分別為發射端電感和接收端電感；IP、IS分別為發射端電流和接收端電流；Rp、Rs分別為發射端和接收端的等效電阻；Cp、Cs分別為發射端諧振電容和接收端補償電容；M為發射端和接收端間的互感；RL為等效負載；j為虛部單位；ω為頻率。

因此，為軌道列車提供穩定的電壓VL可以表示為

(3)

研究表明當電路工作在諧振狀態下時，可以得到較高的系統效率[27-30]。因此，在諧振條件下式(3)可簡化為

VL=jωMIp-RsIs

(4)

根據式(2)可以得到：

(5)

當系統處于諧振狀態下時，系統效率η為

(6)

系統輸出功率為

(7)

2 中外研究進展

在軌道交通應用領域，目前中外的研究進展的基本情況如下[31-35]。

1997年，新西蘭奧克蘭大學與德國Wampfler AG公司在羅托魯瓦地熱公園首次成功建成了使用WPT 技術的定軌觀光車輛，邁出了WPT 技術在軌道交通領域應用的第一步[36-38]。圖4所示為載人游覽車系統結構圖。

圖4 觀光車系統結構

2006年，奧克蘭大學的科維奇·加教授團隊針對耦合結構提出一種S形鐵芯來優化松耦合變壓器的耦合特性，提高了耦合系數，在成本不變的情況下，為鐵氧體提供幾乎兩倍的功率輸出[39-40]。圖5為S形的結構示意圖。

圖5 S形結構

2009年，龐巴迪公司的PRIMOVE系列推出了針對有軌電車的WPT技術。基于PRIMOVE 的WPT技術的輕軌電車示范線在德國包岑和奧格斯堡建成。列車長度為30～42 m，當列車工作輸出功率為270 kW時，輸出功率可達100～500 kW，可以加速到80 km/h，其電源線圈為分段式。 圖6所示為德國PRIMOVE品牌的有軌電車[41-42]。

圖6 德國PRIMOVE有軌電車

2012年，中國科學院電工研究所史黎明研究員的團隊提出將E形磁芯與U形磁芯相結合，形成了一種新型的耦合結構，其中包含夾層結構磁芯。對非接觸式變壓器樣機，結合夾芯進行仿真計算，當氣隙為163 mm時，傳輸效率達到93.4%。圖7為梯形磁芯結構[43]。

圖7 梯形磁芯

韓國KAIST研究院將動態無線電能傳輸電動車稱為在線電動車，2009年研制出樣機系統，之后連續推出了五代WPT系統。2013年，韓國鐵路研究院在韓國五松站建成WPT有軌電車示范線路并試驗成功[44-45]。圖8為韓國鐵路研究院高鐵實車實驗。

圖8 WPT系統的高鐵試驗車

列車使用60 kHz的工作頻率和高達180 kW的高傳輸功率。2014年，KAIST研究院已將WPT輸電水平提升至1 MW，氣隙為5 cm，效率為82.7%。

2013年，韓國鐵路研究院的安世英、黃啟偉團隊研究出一種新的X-rail線圈結構來實現分段供電[46-47]。每根鋼軌都通過一個開關盒連接，開關盒可以改變一對電力電纜的電流方向，雖然該方法可以實現分段供電，但并未解決供電線圈過長所帶來的問題，反而增加了開關器件的使用，導致經濟效率下降。圖9所示為X-rail線圈結構。

圖9 X-rail線圈結構

2014年，西南交通大學研究了一種適用于非接觸牽引供電系統的級聯型大功率諧振逆變器、動態調諧方法和針對軌道交通應用的電磁耦合機構設計方法，以及系統在多參數擾動下的控制問題，初步形成了一套面向軌道交通的WPT 技術應用及研究體系[48-53]，實現了40 kW 功率等級的能量在12 cm氣隙距離下傳輸，直流-直流效率達到85%左右(圖10)，同時實現了100 kW 功率等級的能量在12～15 cm氣隙距離下傳輸，直流-直流效率達到85%左右(圖11)。

圖10 非接觸供電的軌道試驗車

圖11 大功率無線供電列車模擬平臺

2016年，韓國首爾大學的李少華教授團隊研究了一種頻率為60 kHz的有軌電車WPT系統，該系統將三個拾取線圈進行并聯，為有軌電車提供電能，傳輸效率超過85%。采用有限元仿真方法對發射機和拾取線圈進行了設計[54]，提升了功率密度。圖12所示為該三線圈接收設計的現場實物圖。

圖12 三線圈接收結構

2018年，中國科學院電工研究所的李耀華研究團隊設計了中速磁浮列車非接觸供電系統實驗裝置[55-56]，該裝置設備包括無接觸變壓器副邊包括4個并聯的接收模塊，均采用不控整流橋結構；并聯均流實驗使用模塊1和模塊2，以單相橋式電路作為半控整流橋代替模塊1不控整流橋。圖13所示為動態磁浮列車無線傳能實驗線。

圖13 磁浮列車無線傳能實驗線

3 關鍵研究技術

近年來，無線傳輸技術發展迅速，但在實際應用中仍存在一些技術問題亟待解決。

3.1 感應式耦合式

感應式的技術更加適合于靜態的站內列車無線傳能，通過利用鐵氧體磁芯與線圈的結合，實現了大大高于動態無線充電系統的功率傳輸能力。由于列車的停車位置相對不準確，在列車的行駛方向上，線圈的錯位會發生，產生線圈失調的問題，這也是限制該技術應用的最主要原因。很多學者針對線圈失調問題進行了大量的研究和嘗試，大致分為線圈型設計、逆變器/變頻器控制和車輛定位。

針對逆變器/轉換器控制，2013年Hwang等[57]提出了控制方法，將瞬時電流控制方法應用于PWM(pulse-width modulation)整流器，負載檢測出的二次電流用于計算負載電壓，此電壓可以作為反饋指標，通過與參考電壓進行比較，建立了一個閉環控制系統。該方法保證了在互感電感開始快速下降前的功率傳輸能力。2014年，S. Aldhaher提出了一種電子調節方法，將E類逆變器作為初級線圈驅動在WPT系統中，使偏差的影響降到最低[58]。該方法通過采用電流控制電感和可變開關頻率以實現最佳的切換條件。

3.2 磁耦合諧振式

與感應式耦合技術相比，磁耦合諧振技術可以實現長距離傳輸，具有更好的魯棒性和抗偏移性。 由于現有電力開關設備的容量和頻率限制，車輛通常需要電力系統提供數百千瓦甚至兆瓦的電力，單個高頻逆變電源往往不能滿足軌道交通等大功率應用的要求。 因此，有必要對高頻逆變電源的擴展和高效耦合電磁機構的設計進行研究。

目前，大功率高頻逆變電源的研究主要包括三相或多相高頻逆變器，模塊化多逆變器并聯和高頻多電平逆變器。文獻[59]提出了一種基于單相高頻逆變器的三相高頻電源拓撲結構；為了消除相的初級線圈之間的互感；文獻[60]提出了在各相初級線圈中加入離散環形磁芯的方法，在相同的傳輸功率下，降低了逆變器的輸出電流。對于基于三相高頻逆變器的WPT系統產生的磁場有盲點的情況，文獻[61]提出了一種能夠有效解決磁場盲點問題的磁場優化方法。

軌道交通無線供電系統中存在的橫向和縱向偏移、傾斜、統多尺度、環境參數復雜度高等特點是影響系統傳輸效率的主要原因，因此研究高效的電磁耦合機構變得尤為重要。

目前，磁耦合諧振式的研究主要集中在耦合線圈結構、線圈數量、線圈相對位置、傳輸路徑遮擋、復雜環境下的電磁干擾、采用電磁場和電路協同耦合仿真下的電磁特性研究以及分析不同結構、材料和參數的電磁耦合機構特性等內容。

4 展望

無線傳能技術在軌道交通領域內的應用主要有感應式和諧振式兩種。其中，感應式已經做出了示范線，優點在于可以實現低頻大功率的傳輸，傳輸效率也可超過90%；缺點是線圈間距離毫米級的距離變化，帶來較大的無功功率，給電網帶來很大的沖擊，此外，列車毫米級的精準停車要求也很高。諧振式已在電動車上實現，優點是傳輸距離大，可以實現一對多的負載供電；缺點是做大功率時，需要用高頻保持高效率，因此要研制高可靠性的大功率高頻諧振逆變電源。

綜上所述，感應式因其自身的技術特性，從長遠來看不會成為主流的技術選擇。而諧振式雖然目前受電力電子器件容量和頻率的限制。進一步，在磁耦合諧振技術的研究需考慮車輛運行速度、承重等多因素對WPT系統的影響，可用于分析在不同運行工況下的耦合狀態變化及阻抗動態變化，為系統在工程中的優化設計提供支持。