基于LCC-S拓撲的大功率軌道列車無線電能傳輸試驗平臺研制

李美征,田裕鵬,張錦標,張昭英,宋 陽,李江波,孫 岳

(中車青島四方車輛研究所有限公司,山東 青島 266031)

隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展,城市汽車保有量日趨增多,汽車在方便人們出行的同時也帶來了交通擁堵、環(huán)境惡化等問題。這些問題促使政府加快了城市基礎設施建設的進度,城市軌道交通因為具有運力大、速度快和不占用地面街道等優(yōu)點,在近幾年得到了迅猛發(fā)展?，F(xiàn)代有軌電車作為新型的城市軌道交通工具,具有行駛速度快、建設門檻低、成本低、節(jié)能環(huán)保、便捷舒適等諸多優(yōu)點,符合現(xiàn)代城市交通發(fā)展的需求,既可以有效地提高出行效率,也可以解決汽車尾氣帶來的污染問題,因此現(xiàn)代有軌電車具有較好的發(fā)展前景,在城市軌道交通建設中將得到大力發(fā)展[1]。

相較于軌道列車接觸式供電技術,無線電能傳輸(Wireless Power Transfer,WPT)技術實現(xiàn)了供電電源與列車的非直接接觸,既可以節(jié)省接觸網(wǎng)或第三軌的建設成本,又可以避免出現(xiàn)刮弓、斷線、線路磨損、意外觸電及乘客疏散等安全問題,為解決傳統(tǒng)接觸式供電方式問題提供了新思路、新方法。

目前,WPT技術主要分為微波輻射式、電場耦合式和電磁感應耦合式3種方式。其中,微波輻射式可通過微波或激光形式進行較遠距離的電能傳輸,但易受外界環(huán)境影響,傳輸效率較低,在實際應用中有一定的局限性;電場耦合式通過發(fā)射和接收端的極板形成電容器來傳輸電能,但空氣的介電常數(shù)非常低,傳輸功率和距離很受限制,目前對該方式的研究較少;電磁耦合式利用高頻電磁場近場耦合原理,具有能量傳輸容量大、近距離傳輸效率高、對頻率要求不高的特點,因符合現(xiàn)代有軌電車等大功率WPT的要求而成為研究熱點[2]。

自20世紀90年代開始,國外研究機構(gòu)便開始對軌道交通領域的WPT技術進行鉆研探索。2009年,龐巴迪旗下的品牌PRIMOVE推出了有軌電車WPT技術方案,并建設了PRIMOVE WPT輕軌電車示范線,采用分段式供電線圈設計,輸出功率可達100～500 kW[3]。韓國科學技術院(KAIST)于2011年推出了OLEV電動車WPT技術,實現(xiàn)了20 cm氣隙內(nèi)最高達100 kW的電能傳輸,效率可達85%;同時與韓國鐵路研究院成功將OLEV WPT技術推進至現(xiàn)代有軌電車領域,實現(xiàn)了5 cm氣隙內(nèi)1 MW的功率傳輸?shù)燃?效率約為82.7%[4]。國內(nèi)科研機構(gòu)及院所進入WPT技術領域較晚,中國科學院電工研究所、西南交通大學、哈爾濱工業(yè)大學等在WPT技術的基礎理論、大功率電力電子電能變換與拓撲設計、磁耦合機構(gòu)優(yōu)化設計、傳輸效率及線圈參數(shù)關系等方面開展了深入研究[5],但對大功率WPT技術及其裝置的研究仍處于起步階段。

本文對國內(nèi)外WPT技術的研究進展和主要研究方向進行了分析探討,并結(jié)合電磁感應耦合式工作原理和100%低地板現(xiàn)代有軌電車實際車輛需求,對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能和電路模型進行了分析和設計,搭建了一套基于LCC-S拓撲的WPT系統(tǒng)試驗平臺,用于對軌道列車無線電能傳輸系統(tǒng)耦合參數(shù)、效率以及功率輸出的驗證。本試驗平臺設計可滿足最大500 kW功率輸出,耦合機構(gòu)的氣隙高度可在50～120 mm范圍內(nèi)調(diào)節(jié),通過在靜態(tài)和動態(tài)2種不同工況、不同氣隙高度下的負載試驗,驗證了系統(tǒng)設計的有效性,為WPT系統(tǒng)設計和參數(shù)性能驗證提供有力支撐。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文所提出的WPT系統(tǒng)試驗平臺基于LCC-S拓撲完成耦合線圈的諧振補償[6],結(jié)合系統(tǒng)工作頻率以及諧振補償單元(電容+電感)的參數(shù)配置,實現(xiàn)原邊發(fā)射線圈的恒流激勵和穩(wěn)定的發(fā)射磁場,副邊采用串聯(lián)諧振補償拓撲與原邊線圈的諧振耦合并實現(xiàn)恒壓輸出,再通過升降壓型DC/DC變流器實現(xiàn)對負載儲能設備的恒流限壓充電。結(jié)合現(xiàn)代有軌電車實際應用工況,對系統(tǒng)參數(shù)進行逐步優(yōu)化,通過靜態(tài)和動態(tài)試驗驗證了系統(tǒng)設計方案的有效性和可靠性,后期可作為現(xiàn)代有軌電車WPT供電系列產(chǎn)品功能驗證和系統(tǒng)優(yōu)化的試驗平臺。

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

WPT系統(tǒng)試驗平臺主要包括五部分:地面高頻逆變單元、原邊側(cè)LCC諧振補償單元及原邊發(fā)射線圈、車載整流箱、車載DC/DC變流器箱、超級電容及負載電阻。WPT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓撲圖如圖1所示。

L11、L12、L21、L22、L31、L32、L41、L42—原邊側(cè)串聯(lián)補償電感;C1—原邊側(cè)并聯(lián)補償電容;CP—原邊側(cè)串聯(lián)補償電容;LP—原邊側(cè)發(fā)射線圈;Ls1、Ls2、Ls3—副邊側(cè)串聯(lián)補償電感(副邊接收線圈);Cs1、Cs2、Cs3—副邊側(cè)串聯(lián)補償電容。

地面高頻逆變電源包含4個獨立的逆變單元,可擴展為4個原邊發(fā)射線圈提供供電,此部分只展示了其中1個。每個逆變單元由4組逆變器模塊并聯(lián)組成,考慮高頻逆變工況下開關器件損耗急劇上升導致輸出能力受限,因此通過模塊化并聯(lián)方式提高系統(tǒng)總輸出功率。

原邊側(cè)諧振補償單元采用LCC型拓撲結(jié)構(gòu)。車載整流箱包括副邊側(cè)諧振補償單元和全橋不控整流模塊兩部分,其中副邊側(cè)諧振補償單元采用S型拓撲結(jié)構(gòu)。根據(jù)現(xiàn)代有軌電車的實際安裝空間和功率需求,單組原邊發(fā)射線圈最大可覆蓋3組副邊接收線圈,通過完成原副邊諧振補償單元各參數(shù)配置后,LP分別與Ls1～Ls3建立耦合磁場,M1～M3分別為原邊發(fā)射線圈與3組副邊接收線圈之間的互感,原副邊線圈兩者合并可稱為耦合機構(gòu)。

車載DC/DC變流器箱包含3組完全一致的DC/DC變流模塊,輸入端口分別對應3組車載整流箱的輸出端口,實現(xiàn)系統(tǒng)輸出功率的均勻控制。采用Buck-Boost拓撲可以實現(xiàn)更寬電壓調(diào)節(jié)范圍內(nèi)的輸出控制,更能適應現(xiàn)代有軌電車在不同路況或載荷工況氣隙范圍變化下的感應耦合。

負載采用超級電容和負載電阻組合模式,更能模擬現(xiàn)代有軌電車的負載特性,通過控制算法的不斷試驗優(yōu)化實現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)控制。

1.2 系統(tǒng)電路模型

WPT系統(tǒng)試驗平臺基于LCC-S諧振補償拓撲,具備原邊側(cè)線圈電流恒定、副邊側(cè)恒壓輸出的特性,原邊側(cè)諧振補償單元電路參數(shù)設計實現(xiàn)系統(tǒng)功率輸出與副邊側(cè)無關,副邊側(cè)實現(xiàn)系統(tǒng)最大效率與原邊側(cè)電路參數(shù)無關,最終實現(xiàn)系統(tǒng)最大效率與輸出功率的解耦設計。

根據(jù)互感模型得到系統(tǒng)電路模型,如圖2所示。

M—互感;Uin—高頻逆變單元輸出電壓,Uout—副邊輸出電壓;Iin、IP、IS—地面高頻逆變單元輸出電流、原邊發(fā)射線圈電流、副邊接收線圈電流;Lr、LP、LS—原邊諧振電感、原邊線圈自感、副邊線圈自感;Cr、CP、CS—原邊并聯(lián)補償電容、原邊串聯(lián)補償電容、副邊串聯(lián)補償電容;RLr、RP、RS、Req—原邊諧振電感內(nèi)阻、原邊發(fā)射線圈內(nèi)阻、副邊接收線圈內(nèi)阻、等效負載電阻。

副邊側(cè)采取串聯(lián)諧振補償方式,LS參數(shù)根據(jù)實際繞制方式和尺寸計算得出,CS參數(shù)滿足ω2LSCS=1。 原邊側(cè)采取LCC諧振補償方式,當滿足ω2LrCr=1時,可實現(xiàn)在地面高頻逆變單元輸出電壓穩(wěn)定的前提下,原邊側(cè)發(fā)射線圈電流IP近似為恒流[6]。

將副邊側(cè)阻抗折算至原邊側(cè)的反映阻抗Zr,當其滿足諧振條件時,其值可表示為式(1):

(1)

根據(jù)電路理論,當滿足式(2)時,輸入阻抗Zin呈現(xiàn)純阻性,此時系統(tǒng)產(chǎn)生的無功功率最小,系統(tǒng)效率最高。從輸入端看整個電路的輸入阻抗Zin,可得到式(3):

(2)

Zin=RLr+jωLr+

(3)

當滿足上述諧振條件時,推導出副邊輸出電壓Uout如式(4),當M和Lr確定時,滿足副邊側(cè)恒壓輸出的特性。

(4)

同時,得到系統(tǒng)效率表達式如式(5)所示,可見系統(tǒng)效率η為一個復雜函數(shù),與系統(tǒng)內(nèi)部多個參數(shù)變量密切相關。

η∣ω=ω0=

(5)

WPT系統(tǒng)試驗平臺作為特定系統(tǒng),系統(tǒng)輸入電壓、工作頻率和負載情況可看作固定值,根據(jù)系統(tǒng)輸出需求將電壓增益設置為一定的比例關系,在忽略線圈內(nèi)阻變化的同時,可認為系統(tǒng)效率只與互感M相關,系統(tǒng)效率與互感的關系曲線如圖3所示,系統(tǒng)效率隨著互感增加而變大。因為安裝于軌道列車車輛底部副邊線圈和軌枕上方的原邊線圈之間的氣隙高度范圍較大,所以本試驗平臺原副邊線圈采用雙D形繞制方式來增大耦合機構(gòu)空間中的磁感應強度,同時在原邊線圈底部和副邊線圈頂部增加磁芯材料用于屏蔽磁力線,減小漏磁,通過合理地規(guī)劃設計原副邊線圈形狀和各諧振補償參數(shù),使得系統(tǒng)效率最大化。

圖3 系統(tǒng)效率與互感關系曲線

2 WPT系統(tǒng)試驗平臺設計

WPT系統(tǒng)試驗平臺設計如圖4所示。

圖4 WPT系統(tǒng)試驗平臺設計

2.1 地面高頻逆變單元及諧振補償單元

地面高頻逆變單元及諧振補償單元拓撲結(jié)構(gòu)如圖1的第①部分和第②部分所示。逆變器模塊采用模塊化并聯(lián)方式提升高頻工況下的系統(tǒng)輸出功率,單個逆變單元具備400 kW輸出能力。多個獨立逆變單元的配置,可以實現(xiàn)長距離WPT線路工況下的分段式無線電能傳輸。

2.2 原副邊線圈及車載整流

基于現(xiàn)代有軌電車實際車輛模型以及1 435 mm標準軌距等尺寸限制,對原邊發(fā)射線圈和副邊接收線圈的安裝尺寸進行了針對性仿真和設計優(yōu)化,并提出了基于軌枕安裝的原邊發(fā)射線圈安裝結(jié)構(gòu)和基于現(xiàn)代有軌電車車底安裝的副邊接收線圈散熱及安裝結(jié)構(gòu)。結(jié)合移動式WPT系統(tǒng)常見的圓形、矩形和雙D形線圈形狀進行了深入研究和仿真分析,最終確定了原副邊線圈采用雙D形的繞制方式,同時在原邊發(fā)射線圈下方和副邊接收線圈上方全覆蓋鐵氧體磁芯材料,增大能量傳輸能力,屏蔽磁力線,減小漏磁,雙D形繞制方式和磁芯材料的添加均能增加互感M和系統(tǒng)效率η,如圖5所示。

圖5 原副邊線圈耦合機構(gòu)仿真

單個原邊發(fā)射線圈長為12 m,寬為0.8 m。WPT試驗平臺共搭建了2個原邊發(fā)射線圈,由不同地面高頻逆變單元同步供電,可用于動態(tài)工況下的相關試驗以及分段式無線電能傳輸切換控制策略的研究。

單個副邊接收線圈沿原邊發(fā)射線圈方向長為0.9 m,寬為0.7 m。如圖6所示,副邊接收線圈、諧振補償單元、整流濾波單元等集成至車載整流箱中,考慮高頻工況下全橋不控整流的器件選型和裕量,以及空間允許情況下原副邊線圈互感最大化,線圈采用雙通道串聯(lián)上下交叉繞制方式,最大程度提升互感和系統(tǒng)效率,拓撲結(jié)構(gòu)如圖1的第③部分所示。

圖6 原副邊線圈繞制方式及結(jié)構(gòu)

2.3 車載DC/DC變流器

考慮現(xiàn)代有軌電車在不同載荷和路況下運行,原副邊線圈耦合機構(gòu)的氣隙波動范圍較大,根據(jù)電磁和電路特性搭建模型仿真分析,互感、副邊感應輸出電壓有兩倍的波動范圍,因此一般需在列車上配置儲能裝置和DC/DC變流器,在列車運行氣隙波動工況下為列車儲能系統(tǒng)恒流限功充電,同時也可為列車牽引、輔助系統(tǒng)提供穩(wěn)定電能。

車載DC/DC變流器箱拓撲結(jié)構(gòu)如圖1的第④部分所示,要保證副邊感應輸出電壓兩倍波動范圍內(nèi)均能滿足對列車儲能系統(tǒng)的穩(wěn)定充電,DC/DC變流器需具備升降壓型Buck-Boost功能,且兩功能需能在副邊感應輸出電壓和儲能系統(tǒng)電壓波動變化中平穩(wěn)切換,因此采用雙模式控制策略,保證輸出電壓平穩(wěn)。變流單元采用IGBT并聯(lián)方式降低器件開關損耗,脈寬交錯工作方式減小輸出電流紋波[7]。同時采用高頻化方案進一步減小車載設備體積和重量,優(yōu)化列車動力學特性。

2.4 WPT試驗平臺

搭建移動式WPT試驗平臺車模擬現(xiàn)代有軌電車實際車輛模型,如圖7所示。將原邊發(fā)射線圈安裝固定于軌枕上方,車載DC/DC變流器箱、超級電容及負載電阻放置于平臺車上方,車載整流箱吊掛于平臺車下方且高度方向可調(diào)節(jié),通過遙控控制變頻器驅(qū)動平臺車運行來模擬列車動態(tài)運行。

圖7 WPT試驗平臺車

3 試驗

完成方案設計后搭建WPT試驗平臺,分別進行靜態(tài)和動態(tài)工況下氣隙高度為60 mm、70 mm和80 mm的試驗,通過傳感器采集系統(tǒng)各關鍵節(jié)點的電壓和電流數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)采集裝置,得到試驗結(jié)果如表1所示,其中動態(tài)工況選取效率最大時刻的各節(jié)點實測值。

表1 靜態(tài)/動態(tài)試驗結(jié)果

由表1可知,系統(tǒng)正常工作后,單臺車載DC/DC變流器穩(wěn)定運行在250 kW功率輸出,氣隙高度分別為60 mm、70 mm、80 mm時,在靜態(tài)和動態(tài)工況下,直流輸入-車載整流輸出效率均高于90%,直流輸入-車載DC/DC變流器輸出的充電效率均高于85%。

4 結(jié)論

本文基于現(xiàn)代有軌電車實車模型和實際應用工況,搭建了一套大功率WPT試驗平臺。結(jié)合電磁仿真和電路系統(tǒng)仿真,開展并完成了WPT系統(tǒng)各關鍵部分的方案設計和電路參數(shù)設計,最后在靜/動態(tài)不同工況、不同氣隙高度下完成了WPT系統(tǒng)的大功率測試,驗證了系統(tǒng)設計和控制策略的正確性和有效性,為后續(xù)WPT系統(tǒng)設計和特性分析提供了理論支撐和試驗平臺環(huán)境。