轨道交通无线供电技术的研究进展

林云志， 赖一雄

(中铁电气化局集团有限公司，北京 100036)

近年来，无线电能传输技术(wireless power transmission，WPT)快速发展，尤其是通过高频交变磁场和谐振式磁耦合实现了非接触式电能传输的磁耦合谐振式无线电能传输技术(MCR-WPT)， 可以实现较大传输功率和较高传输效率，为供电问题提供了新的解决方案。随着WPT理论基础趋于成熟，相关应用研究也得以迅速开展。在电气化交通领域，面向电动汽车的无线充电技术已迈入实用化阶段，许多国家建设了无线电能传输方式的实验轨道线路[1-6]。

目前，应用在轨道交通领域的3种主要的电源类型包括第三导轨、架空柔性接触网和架空刚性接触网，均为接触式供电方式。 其中，接触网供电存在天寒挂冰、大风舞动、受电弓拉弧与磨损、受流极限等问题； 轨旁第三轨道的供电方式导致地面线路不安全，且在电分段或道岔处需要断轨，断轨易产生电弧，造成电路短路，一旦发生安全事故，人员逃生、疏散易触电。相比之下，采用无线充电装置可直接铺设在地面上，占地小，且具有安全性、便捷性和维护成本低的优势，因此无线传能具有良好的发展前景。

1 适合轨道交通的WPT技术

1.1 感应式耦合技术

感应式耦合技术是电力变压器是感应式耦合技术的直接体现。电能传输通过互感的方式来实现。对输入工频交流电进行整流和滤波，得到直流电压信号，经逆变电路成为高频交流电输入；在变压器的电感耦合之后，次级侧线圈产生高频电流信号。感应式耦合技术的优点在于近距离的系统效率可以达95%以上，可以实现低频大功率的电能传输；缺点是线圈间是毫米级的距离要求太短，抗干扰和抗偏移能力差，一旦出现相对位置变化，系统效率下降的很快[7-14]。 感应式耦合技术基本原理如图1所示。

图1 感应式耦合电能传输

1.2 磁耦合谐振技术

电能的传输是通过近场的强耦合，使发射端和接受端产生共振来实现的。理论依据在于如果两个振荡电路具有相同的频率，则在波长范围内，耦合近场消逝波。 由电感器产生的驻波远小于损耗时间，允许能量从一个物体有效地传递到另一个物体。发射器和接收器都调谐到相同的频率，允许能量传输到相同的预定目标[15-21]。磁耦合谐振与电感式相比，可以实现长距离电能传输，具有抗干扰性强，实现多负载供电等优点。 磁耦合谐振技术基本原理如图2所示。

图2 磁耦合谐振无线电能传输

1.3 典型等效电路原理

根据现代电力电子理论，感应式耦合技术、磁耦合谐振技术都是基于高频电磁场的近场耦合原理，使电能通过非接触的方式从发射端输送到负载端。电磁场的耦合原理是系统核心的部分，系统的一种典型等效电路如图3所示。

图3 系统等效电路

根据基尔霍夫定律[22-26]有：

(1)

(2)

式中：U为轨道的等效高频电发射源；Lp、Ls分别为发射端电感和接收端电感；IP、IS分别为发射端电流和接收端电流；Rp、Rs分别为发射端和接收端的等效电阻；Cp、Cs分别为发射端谐振电容和接收端补偿电容；M为发射端和接收端间的互感；RL为等效负载；j为虚部单位；ω为频率。

因此，为轨道列车提供稳定的电压VL可以表示为

(3)

研究表明当电路工作在谐振状态下时，可以得到较高的系统效率[27-30]。因此，在谐振条件下式(3)可简化为

VL=jωMIp-RsIs

(4)

根据式(2)可以得到：

(5)

当系统处于谐振状态下时，系统效率η为

(6)

系统输出功率为

(7)

2 中外研究进展

在轨道交通应用领域，目前中外的研究进展的基本情况如下[31-35]。

1997年，新西兰奥克兰大学与德国Wampfler AG公司在罗托鲁瓦地热公园首次成功建成了使用WPT 技术的定轨观光车辆，迈出了WPT 技术在轨道交通领域应用的第一步[36-38]。图4所示为载人游览车系统结构图。

图4 观光车系统结构

2006年，奥克兰大学的科维奇·加教授团队针对耦合结构提出一种S形铁芯来优化松耦合变压器的耦合特性，提高了耦合系数，在成本不变的情况下，为铁氧体提供几乎两倍的功率输出[39-40]。图5为S形的结构示意图。

图5 S形结构

2009年，庞巴迪公司的PRIMOVE系列推出了针对有轨电车的WPT技术。基于PRIMOVE 的WPT技术的轻轨电车示范线在德国包岑和奥格斯堡建成。列车长度为30～42 m，当列车工作输出功率为270 kW时，输出功率可达100～500 kW，可以加速到80 km/h，其电源线圈为分段式。 图6所示为德国PRIMOVE品牌的有轨电车[41-42]。

图6 德国PRIMOVE有轨电车

2012年，中国科学院电工研究所史黎明研究员的团队提出将E形磁芯与U形磁芯相结合，形成了一种新型的耦合结构，其中包含夹层结构磁芯。对非接触式变压器样机，结合夹芯进行仿真计算，当气隙为163 mm时，传输效率达到93.4%。图7为梯形磁芯结构[43]。

图7 梯形磁芯

韩国KAIST研究院将动态无线电能传输电动车称为在线电动车，2009年研制出样机系统，之后连续推出了五代WPT系统。2013年，韩国铁路研究院在韩国五松站建成WPT有轨电车示范线路并试验成功[44-45]。图8为韩国铁路研究院高铁实车实验。

图8 WPT系统的高铁试验车

列车使用60 kHz的工作频率和高达180 kW的高传输功率。2014年，KAIST研究院已将WPT输电水平提升至1 MW，气隙为5 cm，效率为82.7%。

2013年，韩国铁路研究院的安世英、黄启伟团队研究出一种新的X-rail线圈结构来实现分段供电[46-47]。每根钢轨都通过一个开关盒连接，开关盒可以改变一对电力电缆的电流方向，虽然该方法可以实现分段供电，但并未解决供电线圈过长所带来的问题，反而增加了开关器件的使用，导致经济效率下降。图9所示为X-rail线圈结构。

图9 X-rail线圈结构

2014年，西南交通大学研究了一种适用于非接触牵引供电系统的级联型大功率谐振逆变器、动态调谐方法和针对轨道交通应用的电磁耦合机构设计方法，以及系统在多参数扰动下的控制问题，初步形成了一套面向轨道交通的WPT 技术应用及研究体系[48-53]，实现了40 kW 功率等级的能量在12 cm气隙距离下传输，直流-直流效率达到85%左右(图10)，同时实现了100 kW 功率等级的能量在12～15 cm气隙距离下传输，直流-直流效率达到85%左右(图11)。

图10 非接触供电的轨道试验车

图11 大功率无线供电列车模拟平台

2016年，韩国首尔大学的李少华教授团队研究了一种频率为60 kHz的有轨电车WPT系统，该系统将三个拾取线圈进行并联，为有轨电车提供电能，传输效率超过85%。采用有限元仿真方法对发射机和拾取线圈进行了设计[54]，提升了功率密度。图12所示为该三线圈接收设计的现场实物图。

图12 三线圈接收结构

2018年，中国科学院电工研究所的李耀华研究团队设计了中速磁浮列车非接触供电系统实验装置[55-56]，该装置设备包括无接触变压器副边包括4个并联的接收模块，均采用不控整流桥结构；并联均流实验使用模块1和模块2，以单相桥式电路作为半控整流桥代替模块1不控整流桥。图13所示为动态磁浮列车无线传能实验线。

图13 磁浮列车无线传能实验线

3 关键研究技术

近年来，无线传输技术发展迅速，但在实际应用中仍存在一些技术问题亟待解决。

3.1 感应式耦合式

感应式的技术更加适合于静态的站内列车无线传能，通过利用铁氧体磁芯与线圈的结合，实现了大大高于动态无线充电系统的功率传输能力。由于列车的停车位置相对不准确，在列车的行驶方向上，线圈的错位会发生，产生线圈失调的问题，这也是限制该技术应用的最主要原因。很多学者针对线圈失调问题进行了大量的研究和尝试，大致分为线圈型设计、逆变器/变频器控制和车辆定位。

针对逆变器/转换器控制，2013年Hwang等[57]提出了控制方法，将瞬时电流控制方法应用于PWM(pulse-width modulation)整流器，负载检测出的二次电流用于计算负载电压，此电压可以作为反馈指标，通过与参考电压进行比较，建立了一个闭环控制系统。该方法保证了在互感电感开始快速下降前的功率传输能力。2014年，S. Aldhaher提出了一种电子调节方法，将E类逆变器作为初级线圈驱动在WPT系统中，使偏差的影响降到最低[58]。该方法通过采用电流控制电感和可变开关频率以实现最佳的切换条件。

3.2 磁耦合谐振式

与感应式耦合技术相比，磁耦合谐振技术可以实现长距离传输，具有更好的鲁棒性和抗偏移性。 由于现有电力开关设备的容量和频率限制，车辆通常需要电力系统提供数百千瓦甚至兆瓦的电力，单个高频逆变电源往往不能满足轨道交通等大功率应用的要求。 因此，有必要对高频逆变电源的扩展和高效耦合电磁机构的设计进行研究。

目前，大功率高频逆变电源的研究主要包括三相或多相高频逆变器，模块化多逆变器并联和高频多电平逆变器。文献[59]提出了一种基于单相高频逆变器的三相高频电源拓扑结构；为了消除相的初级线圈之间的互感；文献[60]提出了在各相初级线圈中加入离散环形磁芯的方法，在相同的传输功率下，降低了逆变器的输出电流。对于基于三相高频逆变器的WPT系统产生的磁场有盲点的情况，文献[61]提出了一种能够有效解决磁场盲点问题的磁场优化方法。

轨道交通无线供电系统中存在的横向和纵向偏移、倾斜、统多尺度、环境参数复杂度高等特点是影响系统传输效率的主要原因，因此研究高效的电磁耦合机构变得尤为重要。

目前，磁耦合谐振式的研究主要集中在耦合线圈结构、线圈数量、线圈相对位置、传输路径遮挡、复杂环境下的电磁干扰、采用电磁场和电路协同耦合仿真下的电磁特性研究以及分析不同结构、材料和参数的电磁耦合机构特性等内容。

4 展望

无线传能技术在轨道交通领域内的应用主要有感应式和谐振式两种。其中，感应式已经做出了示范线，优点在于可以实现低频大功率的传输，传输效率也可超过90%；缺点是线圈间距离毫米级的距离变化，带来较大的无功功率，给电网带来很大的冲击，此外，列车毫米级的精准停车要求也很高。谐振式已在电动车上实现，优点是传输距离大，可以实现一对多的负载供电；缺点是做大功率时，需要用高频保持高效率，因此要研制高可靠性的大功率高频谐振逆变电源。

综上所述，感应式因其自身的技术特性，从长远来看不会成为主流的技术选择。而谐振式虽然目前受电力电子器件容量和频率的限制。进一步，在磁耦合谐振技术的研究需考虑车辆运行速度、承重等多因素对WPT系统的影响，可用于分析在不同运行工况下的耦合状态变化及阻抗动态变化，为系统在工程中的优化设计提供支持。