磁浮列車非接觸式供電技術(shù)

吳冬華 ，馮程程 ,2，余 進(jìn)

（1.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島 266111；2.天津大學(xué)電氣自動(dòng)化與信息工程學(xué)院，天津300072）

傳統(tǒng)的電能傳輸方式是通過(guò)金屬導(dǎo)線，在日常工作生活中，裸露的導(dǎo)線在一定條件下會(huì)產(chǎn)生電火花，嚴(yán)重時(shí)會(huì)燒蝕直接接觸的一些元器件，在一些插拔接口位置比較容易受到外界的污染物、水等影響發(fā)生爆炸等危險(xiǎn).在經(jīng)濟(jì)科技快速發(fā)展的當(dāng)今時(shí)代，人們對(duì)生活質(zhì)量安全便捷的要求也逐漸提高，從辦公儀器到家居電器再到交通出行，都離不開(kāi)電氣化，因此研究使用新型的供電技術(shù)來(lái)消除滑動(dòng)或滾動(dòng)接觸供電中會(huì)產(chǎn)生的電火花，減少磨損損耗[1].

隨著日常出行工具逐漸電氣化，如電動(dòng)汽車、電氣化鐵路等，軌道交通領(lǐng)域的傳統(tǒng)電能傳輸方式帶來(lái)的不便與危害也逐漸增加，例如：列車的弓網(wǎng)供電中容易出現(xiàn)接觸網(wǎng)斷線、受電弓刮弓，另外在天氣惡劣時(shí)還會(huì)出現(xiàn)雷擊斷電等現(xiàn)象[2].非接觸供電，顧名思義其供電方式可以不通過(guò)直接物理接觸進(jìn)行供電，從而避免了傳統(tǒng)供電帶來(lái)的弊端，接觸式供電技術(shù)的研究為這些問(wèn)題的解決提供了新思路、新方法[3].

早在1976年美國(guó)學(xué)者就能使用微波的方式在1.54 km距離下進(jìn)行電能傳輸[4]，當(dāng)時(shí)非接觸供電系統(tǒng)的功率可達(dá)30 kW.加州大學(xué)伯克利分校PATH研究小組在1992年成功研制出了供電效率約為60%、功率可達(dá)60 kW的試驗(yàn)樣車[5].在21世紀(jì)初，龐巴迪公司的Primove提出了一種針對(duì)有軌電車非接觸供電系統(tǒng) IPS （inductive power supply）的解決方案[6]，在德國(guó)的包岑和奧格斯堡建設(shè)了基于PPIMOVE WPT技術(shù)的輕軌電車示范線.2014年，KAIST公司更是將WPT系統(tǒng)的效率提升至82.7%，傳輸功率可達(dá)1 MW，空氣的間隙為5 cm[7]，為非接觸供電系統(tǒng)在高速鐵路供電領(lǐng)域的應(yīng)用邁出了重要的一步.

我國(guó)的非接觸供電技術(shù)研究起步較晚，但是最近幾年發(fā)展較快，電工研究所基于感應(yīng)耦合原理，成功研制出非接觸供電實(shí)驗(yàn)裝置[8].重慶大學(xué)孫躍教授的研究團(tuán)隊(duì)對(duì)非接觸感應(yīng)電能傳輸進(jìn)行了進(jìn)一步研究，研究了非接觸供電系統(tǒng)的拾取裝置的方向性、系統(tǒng)的輸出電流和電壓的控制，搭建了系統(tǒng)模型，還研究了控制頻率的穩(wěn)定性，在這些領(lǐng)域都取得了一定的成果，并完成了采用軌道供電非接觸電能傳輸裝置的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)[9].西南交通大學(xué)在非接觸供電系統(tǒng)的基礎(chǔ)科學(xué)和工程應(yīng)用上進(jìn)行了探索和研究，主要內(nèi)容有級(jí)聯(lián)型大功率諧振逆變器在非接觸供電系統(tǒng)中的應(yīng)用[10]、非接觸供電系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)調(diào)諧方法、電磁耦合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法[11]，另外還研究了非接觸供電系統(tǒng)在多參數(shù)擾動(dòng)下的控制問(wèn)題，最終形成了初步的一套應(yīng)用在軌道交通領(lǐng)域的非接觸供電技術(shù)[12]，目前已經(jīng)做出了試驗(yàn)樣機(jī).

非接觸供電系統(tǒng)從20世紀(jì)發(fā)展至今，主要形成了以下3種供電方式：輻射磁共振耦合方式、基于分離變壓器的電磁感應(yīng)耦合方式、基于微波或激光的輻射式傳輸.輻射式非接觸供電系統(tǒng)傳輸?shù)木嚯x較遠(yuǎn)，功率適中，限制其發(fā)展的傳輸效率較低，另外還有電磁輻射的危害.電場(chǎng)耦合式的非接觸供電系統(tǒng)由發(fā)射端和接收端的裝置組成，它們之間形成電容器進(jìn)行電能傳輸，其受到環(huán)境的影響較小[13]，功率等級(jí)也適用于軌道交通領(lǐng)域.

高速磁懸浮作為地面最快的交通工具，近年來(lái)也進(jìn)入了研究熱潮，中車四方股份已經(jīng)研制成功高速磁浮列車樣車.當(dāng)高速磁浮列車速度低于100 km/h時(shí)，車載自發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的電能不足以供應(yīng)列車車載供電需求，特別是在站停、維護(hù)及調(diào)試狀態(tài)，需要使用其他獨(dú)立的供電方式.目前主要有車載電池供電、動(dòng)力軌供電和非接觸供電3種方式.但是，當(dāng)采用車載電池供電時(shí)，車載電池占用較大的空間，并且增加了車體重量，而磁浮車對(duì)車體重量是嚴(yán)格控制的，同時(shí)車載電池的使用壽命和維護(hù)也會(huì)增加運(yùn)營(yíng)成本.當(dāng)采用動(dòng)力軌供電時(shí)，結(jié)合車輛中的受流器可以實(shí)現(xiàn)不受速度限制，并具有足夠功率的能量傳輸，然而這種常規(guī)的接觸供電方式在行駛過(guò)程中因受流器的開(kāi)孔會(huì)產(chǎn)生顯著的噪聲，并且在運(yùn)行過(guò)程中存在不可避免的磨損，這些磨損除了會(huì)增加維修成本外，同樣也會(huì)引發(fā)異常噪聲.作為一種新型的供電方式——非接觸供電技術(shù)，可以有效解決上述相關(guān)問(wèn)題.本文提出的發(fā)射端多匝線圈且無(wú)磁芯、拾取端類似雙U型耦合磁路結(jié)構(gòu)的非接觸供電系統(tǒng)，能提高耦合系數(shù)、減少磁通泄露，與Tr09相比：發(fā)射端多匝，磁密強(qiáng)且分布更加平坦，可獲得較高效率，有效抑制間隙變化引起的感應(yīng)電壓波動(dòng).

1 磁浮列車IPS車載供電方案

根據(jù)磁浮列車的供電需求，結(jié)合磁耦合式非接觸供電的特性，提出了一種發(fā)射端無(wú)磁芯、拾取端類似雙U型耦合磁路結(jié)構(gòu)的非接觸供電系統(tǒng)，如圖1所示.

圖1 磁浮樣車供電結(jié)構(gòu)Fig.1 Power supply structure of maglev prototype

磁浮列車IPS系統(tǒng)由地面和車載子系統(tǒng)構(gòu)成，地面子系統(tǒng)將輸入的工頻交流電（或直流電）轉(zhuǎn)換為高頻電流恒定電源，驅(qū)動(dòng)發(fā)射電纜產(chǎn)生交變磁場(chǎng)；車載拾取裝置通過(guò)磁場(chǎng)耦合將場(chǎng)能轉(zhuǎn)換為電能，完成非接觸式電能傳輸.地面子系統(tǒng)包含以下設(shè)備：逆變電源及其補(bǔ)償裝置、發(fā)射電纜及其安裝支架、補(bǔ)償電容、監(jiān)控及診斷系統(tǒng).車載子系統(tǒng)由拾取裝置、補(bǔ)償電容裝置、高頻整流器組成.磁浮列車IPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 IPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Structure schematic of IPS system

針對(duì)軌道交通列車功率需求大、供電可靠性要求高、空間狹窄且多導(dǎo)磁、導(dǎo)電材質(zhì)特點(diǎn)，開(kāi)展了大功率高頻逆變電源控制、電能發(fā)射/接收磁路與場(chǎng)路耦合系統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化技術(shù)研究，研制了磁浮樣車150 kW非接觸供電系統(tǒng)，完成現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用調(diào)試與驗(yàn)證.

根據(jù)高速磁浮列車供電需求，通過(guò)理論計(jì)算確定各設(shè)備主要參數(shù)，完成IPS系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，包括：IPS系統(tǒng)工作頻率及傳輸間隙、拾取裝置與地面發(fā)射系統(tǒng)耦合此路物理尺寸及兩者間互感、地面及車載補(bǔ)償裝置參數(shù)、利茲線纜載流量及尺寸、逆變電源、DC/DC及監(jiān)控系統(tǒng)相關(guān)功能需求及實(shí)現(xiàn)方式.通過(guò)耦合磁路及電氣性能仿真初步驗(yàn)證一種發(fā)射端多匝線圈且無(wú)磁芯、拾取端類似雙U型耦合磁路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的可行性.整個(gè)IPS系統(tǒng)采用的是一個(gè)發(fā)射-兩個(gè)拾取的方案.當(dāng)發(fā)射端采用不同補(bǔ)償裝置的結(jié)構(gòu)，其對(duì)比如表1所示.

通過(guò)表1拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的比較可以看到：LCL回路有更低的電壓和電流應(yīng)力，且能在空載時(shí)運(yùn)行，保證系統(tǒng)安全，故選擇LCL電路拓?fù)?對(duì)比LCL-S（副邊串聯(lián)）和LCL-P （副邊并聯(lián)）兩種拓補(bǔ)結(jié)構(gòu).當(dāng)副邊為串聯(lián)結(jié)構(gòu)時(shí)，功率等級(jí)與負(fù)載阻值成正比，即負(fù)載阻值越大，系統(tǒng)的傳輸功率越大；當(dāng)接收端為并聯(lián)結(jié)構(gòu)時(shí)，功率等級(jí)與負(fù)載阻值成反比，隨著負(fù)載阻值增加，系統(tǒng)傳輸功率反而減小.LCL-S適合于大功率的能量傳輸場(chǎng)合，LCL-P結(jié)構(gòu)適合能量小的場(chǎng)合.因?yàn)長(zhǎng)CL-P結(jié)構(gòu)不滿足功率需求，所以選擇副邊串聯(lián)結(jié)構(gòu)，即LCL-S拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).

表1 不同補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)比Tab.1 Comparison of different compensation topologies

2 非接觸供電系統(tǒng)仿真分析

2.1 耦合磁路設(shè)計(jì)與仿真分析

利用Maxwell軟件對(duì)多種耦合磁路進(jìn)行3D仿真分析，快速確定耦合磁路最優(yōu)設(shè)計(jì)方案——發(fā)射端無(wú)磁芯，拾取側(cè)類似雙U型結(jié)構(gòu)，然后開(kāi)展三維電磁仿真，得到滿足傳輸功率及安裝空間約束的拾取裝置與地面發(fā)射線圈間耦合機(jī)構(gòu)物理結(jié)構(gòu)尺寸及電氣性能參數(shù).

初級(jí)線圈采用三匝線纜時(shí)，分析其對(duì)初次級(jí)線圈互感以及初級(jí)線圈間互感的影響；初級(jí)線圈采取上述不同布置方式時(shí)，分析其在次級(jí)線圈平面中心位置磁通密度的分布情況.

仿真模型如圖3所示.

圖3 仿真模型示意Fig.3 Illustration of simulation model

互感分析結(jié)果如表2所示.

從圖4（a）、（b）和表2 中結(jié)果可知，發(fā)射線圈采用三匝結(jié)構(gòu)，發(fā)射端無(wú)磁芯，拾取側(cè)類似雙U型結(jié)構(gòu)發(fā)射/拾取間耦合磁場(chǎng)均勻、漏磁通較少，改善了發(fā)射與拾取間耦合效果.發(fā)射端多匝，磁密強(qiáng)且分布更加平坦，耦合性更好.

圖4 磁通仿真結(jié)果Fig.4 Magnetic flux simulation results

表2 互感計(jì)算結(jié)果Tab.2 Calculation results of mutual inductance

2.2 電路設(shè)計(jì)與仿真分析

利用Matlab軟件建立IPS系統(tǒng)電氣仿真模型，驗(yàn)證提出的發(fā)射端多扎線圈拾取端無(wú)磁芯，拾取端類似雙U型結(jié)構(gòu)的合理與正確性，對(duì)IPS系統(tǒng)傳輸功率、輸出電壓、電流、補(bǔ)充電容等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，獲得一組滿足磁浮列車車載供電需求的IPS系統(tǒng)方案擬參數(shù).為了補(bǔ)償線圈的無(wú)功功率，提高傳輸效率償裝置通過(guò)電容補(bǔ)償發(fā)射電纜產(chǎn)生的無(wú)功功率，抑制發(fā)射電纜產(chǎn)生過(guò)高的電壓.補(bǔ)償電容的形式分為發(fā)射端并聯(lián)補(bǔ)償電容，串聯(lián)補(bǔ)償電容和接收端串聯(lián)補(bǔ)償電容.拾取側(cè)各組電容均由0.10 μF和0.24 μF的電容組合而成.發(fā)射供電方案，每一供電單元供電距離約12.5 m，該供電單元內(nèi)發(fā)射電纜長(zhǎng)約12.5 m ×2 = 25.0 m，每一供電單元設(shè)置一組補(bǔ)償電容裝置，補(bǔ)償裝置設(shè)置于變流器旁邊.

根據(jù)耦合磁路仿真分析的結(jié)果得到電感的相關(guān)參數(shù)，結(jié)合電路設(shè)計(jì)進(jìn)行電路仿真.改變IPS系統(tǒng)工作頻率、發(fā)射電流、負(fù)載電阻時(shí)，分析系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性，其中一種工況為系統(tǒng)頻率為20 kHz，原邊電流為 197.5 A、互感 10.20 μH、自感 3.12 μH 以及附在阻值為38 Ω時(shí)，計(jì)算出拾取端的功率及諧振電容耐壓值等具體見(jiàn)表3.

表3 工況1主要電氣參數(shù)Tab.3 Main electrical parameters for operating condition 1

通過(guò)圖5～7電氣仿真可知：非接觸供電系統(tǒng)新結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)仿真逆變器輸出電壓電流、拾取裝置輸出電壓電流、負(fù)載電流、負(fù)載電壓波形良好，系統(tǒng)穩(wěn)定.拾取端電壓、電流、功率均滿足設(shè)計(jì)要求.

圖5 逆變器輸出電壓電流波形Fig.5 Output voltage and current waveform of inverter

根據(jù)技術(shù)方案以及提出的發(fā)射端無(wú)磁芯，拾取側(cè)類似雙U型結(jié)構(gòu)，開(kāi)發(fā)拾取裝置、地面發(fā)生單元等主要子系統(tǒng)產(chǎn)品實(shí)物如圖8～9所示.

圖6 拾取裝置輸出電壓電流波形Fig.6 Output voltage and current waveform of pickup device

圖7 負(fù)載電壓波形Fig.7 Load voltage waveform

圖8 主要子系統(tǒng)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)——拾取裝置Fig.8 Main subsystem product development—pickup device

圖9 主要子系統(tǒng)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)——地面發(fā)射單元Fig.9 Main subsystem product development—transmission unit on ground

搭建地面試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)，開(kāi)展主要子系統(tǒng)部件的功能、型式試驗(yàn)驗(yàn)證及系統(tǒng)驗(yàn)證.在地面試驗(yàn)驗(yàn)證、方案優(yōu)化基礎(chǔ)上完成系統(tǒng)各部件的生產(chǎn)，開(kāi)展系統(tǒng)聯(lián)調(diào)聯(lián)試.

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 電氣性能參數(shù)（EMC）測(cè)試

針對(duì)所開(kāi)發(fā)的磁浮樣車150 kW非接觸供電系統(tǒng)，進(jìn)行了磁浮樣車靜置、懸浮、動(dòng)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)下IPS調(diào)試和性能測(cè)試.IPS單組拾取裝置接收功率超過(guò)5.0 kW、持續(xù)輸出總功率最大128.7 kW高于預(yù)期的109.0 kW（發(fā)射/拾取未對(duì)中，根據(jù)設(shè)計(jì)及測(cè)試結(jié)果，功率要低27%）.總的輸出功率如圖10所示.

圖10 車載HS總接收輸出功率Fig.10 Total received output power of on-board HS

根據(jù)測(cè)試結(jié)果折算，整個(gè)IPS系統(tǒng)傳輸功率約176.0 kW.通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)（見(jiàn)表4）可以說(shuō)明：發(fā)射端多匝線圈且無(wú)磁芯，拾取側(cè)類似雙U型結(jié)構(gòu)具有較好的耦合性，傳輸效率也較高.表4中，F(xiàn)V表示逆變電源（frequency inverter）.

表4 拾取裝置輸出電壓及電流Tab.4 Output voltage and current of pickup device

從表4中可以得出結(jié)論：拾取裝置輸出電壓和電流滿足技術(shù)要求.IPS的系統(tǒng)效率（DC-DC）為所有拾取裝置接收功率之和除以8個(gè)單元變流器的有功功率之和，根據(jù)上述內(nèi)容和測(cè)試數(shù)據(jù)可得DCDC效率為92.4%.

3.2 電磁兼容性（EMC）測(cè)試

IPS發(fā)射軌道長(zhǎng)約50 m，分為8個(gè)單元，測(cè)試過(guò)程中，逐一選擇各個(gè)供電單元進(jìn)行磁通密度，測(cè)點(diǎn)位置按照EN50500設(shè)置.測(cè)試結(jié)果表明：所有8個(gè)發(fā)射單元發(fā)射電纜、拾取裝置等關(guān)鍵設(shè)備區(qū)域磁通密度滿足EN50500標(biāo)準(zhǔn)要求，部分結(jié)果如下：

1） 發(fā)射線圈區(qū)域

發(fā)射線圈左端（FV區(qū)域）測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)：水平距離0.3 m，高度0.9 m測(cè)點(diǎn)，測(cè)試結(jié)果如圖11.由圖可知：此區(qū)域在空載和加載兩種條件下的磁通密度測(cè)試結(jié)果基本一致，且在20.0 kHz頻率處最大磁通密度達(dá)到 2.35 μT，遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)限值 6.25 μT.說(shuō)明磁通密度主要取決于發(fā)射線圈內(nèi)的電流大小，當(dāng)發(fā)射線圈內(nèi)電流始終保持不變時(shí)，無(wú)論空載和加載，周圍區(qū)域內(nèi)的磁通密度不變.

圖11 發(fā)射線圈左端（FV區(qū)域）磁通密度Fig.11 Magnetic flux density at left end of transmitting coil (FV region)

2） 配電柜區(qū)域

水平距離0.3 m，高度0.9 m測(cè)點(diǎn)，測(cè)試結(jié)果如圖12.由圖可知：此區(qū)域在空載和加載兩種條件下的磁通密度測(cè)試結(jié)果基本一致，且在20.0 kHz頻率處最大磁通密度達(dá)到0.07 μT，遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)限值6.25 μT.

圖12 配電柜區(qū)域磁通密度Fig.12 Magnetic flux density in distribution cabinet area

3） 站臺(tái)區(qū)域

水平距離0.3 m、高度0.9 m測(cè)點(diǎn)，測(cè)試結(jié)果如圖13.由圖可知：此區(qū)域在空載和加載兩種條件下的磁通密度測(cè)試結(jié)果基本一致，且在20.0 kHz頻率處最大磁通密度達(dá)到0.92 μT，遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)限值6.25 μT.說(shuō)明磁通密度主要取決于發(fā)射線圈內(nèi)的電流大小，當(dāng)發(fā)射線圈內(nèi)電流始終保持不變時(shí)，無(wú)論空載和加載，周圍區(qū)域內(nèi)的磁通密度不變.

圖13 站臺(tái)區(qū)域磁通密度Fig.13 Magnetic flux density in platform area

因IPS系統(tǒng)工作在20.0 kHz，且通過(guò)上述的測(cè)試數(shù)據(jù)圖可看出：其最接近限值的頻率為20.0 kHz.發(fā)射端無(wú)磁芯，拾取側(cè)類似雙U型結(jié)構(gòu)磁通泄露少耦合性強(qiáng)，方案可行.

4 結(jié) 論

本項(xiàng)目通過(guò)大功率磁場(chǎng)感應(yīng)非接觸供電系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究，研制完成一套供電功率超過(guò)150.0 kW的磁場(chǎng)耦合式非接觸供電系統(tǒng)，提出的發(fā)射端多匝線圈無(wú)磁芯、拾取端類似雙U型耦合磁路結(jié)構(gòu)可以應(yīng)用于非接觸供電系統(tǒng)，通過(guò)列車相關(guān)系統(tǒng)調(diào)試及功能測(cè)試，最大傳輸功率達(dá)176.0 kW、DC-DC效率92.4%，已應(yīng)用于磁浮列車樣車.

基于磁浮列車車載供電需求，繼續(xù)開(kāi)展IPS系統(tǒng)更高功率密度拾取裝置研制以及進(jìn)一步提高能效比、降低系統(tǒng)成本技術(shù)和方法，拓展IPS技術(shù)在軌道交通領(lǐng)域應(yīng)用.