浅谈无线电能传输技术在地铁轨道交通领域的应用

浅谈无线电能传输技术在地铁 轨道交通领域的应用

何钊

中铁第一勘察设计院集团有限公司

摘要：无线电能传输技术是一种安全、智能、自动化程度高的新型供电方式，符合轨道交通电气化发展趋势，在轨道交通供电领域得到了广泛关注。本文首先通过将无线电能传输技术和传统架空接触网供电技术进行对比，分析其技术优势。继而对无线电能传输技术进行概述，介绍了其系统的组成及工作原理，并对其谐振线圈的补偿拓扑电路进行了分析计算，得到了耦合系统的输出功率及效率。最后，阐述了其目前主要研究重点方向和发展技术难点。

关键词：地铁轨道交通；无线电能传输技术;

近年来，无线电能传输技术（WPT，Wireless power transfer）逐渐兴起并快速发展。作为新兴技术，WPT能够实现非接触式电能传输，并可以实现较大传输功率和较高传输效率，这为轨道交通供电方式提供了新的解决方案。

1．无线电能传输技术应用在地铁轨道交通领域的优势分析

随着轨道交通的迅猛发展，轨道交通电气化技术逐渐成熟。在供电方式中，绝大部分采用传统架空接触网供电方式。这种方式称为“有网供电”模式。这种供电方式技术成熟、成本低、效率高，但是也存在着相应的问题：

1）架空接触网可能出现电弧、磨耗断线等不可靠现象，会对车辆的日常运营构成潜在危害；

2）直流供电运输系统中,常以轨道作为回流通路,由于轨道很难做到完全对地绝缘,从而有部分电流从轨道泄漏到道床及周围土壤中产生杂散电流，其会对道床、高架桥等梁体内部的金属结构,以及地下输油、输气管道,甚至邻近的外部建筑物的钢筋结构及其相关金属设备产生腐蚀，造成严重的经济损失；

3）当电力机车从线路通过时,牵引电流流经接触网,由于此时的牵引电流是工频单向交流电,会使接触网周围产生交变电磁场,以辐射或耦合的形式使周围通信线路产生电磁交链,导致造成通信干扰。

无线电能传输技术能为轨道交通供电能够降低牵引供电系统维护成本，提高安全性，是一种安全、智能、自动化程度高的新型供电方式。目前，无线电能传输技术的应用研究主要在有轨电车领域，而有轨电车与地铁的供电原理基本相同，故无线电能传输技术理论上也可应用在地铁轨道交通领域。

与传统的接触网供电方式相比，无线电能传输技术具有以下优势：

1）相较于目前城市轨道交通供电系统，无线电能传输供电的中钢轨不参与回流，故钢轨不会受到杂散电流侵蚀。

2）采用无线供电没有裸露的导线，避免了接触供电中接触线路磨损、噪音、离弓、异物挂网等缺点。

3）间歇式无线充电中，在到站停车补充能量，可减轻车载储能系统的重量、有利于车辆轻量化。

2．无线电能传输技术概述

2.1无线电能传输系统组成

无线电能传输系统（WPT系统，Wireless power transfer system）主要由相整流电路、高频逆变电路、原边谐振补偿电路、原边线圈、副边线圈、副边谐振补偿电路、副边整流电路、副边DC-DC调节电路、超级电容等部分组成，如图2-1所示。三相交流电经过整流变换为直流电，再经过逆变，成为高频交流电，经过电磁场耦合，将能量传递给副边线圈，经过整流电路及DC-DC电路将能量提供给超级电容，超级电容及将能量储存起来，在运行过程中将能量提供给蓄电池或者直接为电力机车提供牵引能量。

图2-1无线电能传输系统示意图

2.2补偿拓扑特性分析

利用WPT系统取代传统的接触网供电，需要WPT系统具有恒压输出的特性。LCC-S型补偿拓扑具有恒电压增益、补偿参数与负载以及互感均无关等优点，因此选用其作为系统的补偿拓扑，其电路结构如图2-1所示。其中 为整流器AC/DC及其后段用电设备的等效负载， 是串联补偿电感Lr的电阻， 是原边线圈内阻， 是接受侧线圈的内阻。

图2-2 等效电路模型

采用二端口网络方法分析，其等效电路模型如图将副边电路折合到原边后，其端口电流为 ，端口电压为 ,端口阻抗为 。

(2.1)

该系统是一个恒压源，所以二端口模型的基本表达式如下所示:

(2.2)

其中，

(2.3)

根据电路理论，当二端网络 ， ， ， 满足式(2.3)，输入阻抗角为零。

(2.4)

由式（2.1）（2.2）（2.3）（2.4），并结合图2.1中副边电路，可得出逆电压增益 为：

(2.5)

由于线圈及电感的内阻远小于等效电阻 及 与 ,所以 可化简为

(2.6)

通过式（2.6）可得到化简后的输出功率P为：

(2.7)

由式（2.1）（2.2）（2.3）（2.4）可推出耦合系统效率 为：

(2.8)

3.无线电能传输技术研究重点

不同负载对WPT系统的控制要求有所不同，为了满足负载电压、电流等电气性能要求，需要对变换器进行适当控制，故而交直流变换器电路设计及其控制方法成为WPT系统的主要研究重点之一。文献

^［1］对SS型WPT系统的几种常见的恒压输出控制方法进行了比较，主要包括对原边移相控制、调频控制、原边添加DC/DC电路三种种控制方法的比较，发现原边添加DC/DC电路的控制方法在全负载范围内效率最高，原边移相控制的效率次之，但原边移相控制不需要额外添加开关器件及储能元件。在文献^［2］中，提出一种基于Ｈ∞控制的原边主动控制方法，该方法可根据不同的负载条件，动态调节原边直流输入电压，通过对原边谐振电流的调节最终实现对输出电流的控制来保证其稳定性。

此外，无线电能传输耦合系统效率 是无线电能传输系统的重要指标，故原副边线圈的耦合机构研究也成为主要研究重点。其中耦合机构研究主要分为两个方面：（1）线圈结构研究。文献^［3-5］提出DD、DDQ、BP型结构，等基于多重绕组的线圈结构，其核心思想是利用不同绕组分别拾取相应方向上的磁通分量，加强各个方向上的磁通耦合。并对屏蔽层的形状和数量进行讨论，证明了在抗偏移特性方面的优势。（2）耦合线圈的位置检测和切换技术研究。文献^［6］提出对磁场强度进行测量的方法来判断接收侧耦合机构位置。在接收侧绕组上安装永磁体，在发射侧绕组安装了磁传感器。当车辆移动时，控制单元基于磁场强度传感器的定位结果，通过继电器对发射侧耦合机构是否投入工作进行控制。

4 展望

由于地铁相较于有轨电车，载客量更高，速度更快，需要更强的供电能，故无线传能技术在地铁领域内的应用会受到目前受电力电子器件容量和频率及车载储能系统容量等方面的限制。其中高可靠性的大功率高频谐振逆变电源研制需要大功率变流技术有所突破，车载储能系统可以向拥有高能量密度及高功率密度的混合储能系统（电池和超级电容混合使用）方向研究发展。相信在不久的将来，WPT技术能运用到地铁城市轨道交通领域建设中。

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