軌道交通350kW大功率無線電能傳輸系統研究

陳凱楠 蔣 燁 檀 添 林秋瓊 李劍超 趙爭鳴

軌道交通350kW大功率無線電能傳輸系統研究

陳凱楠 蔣 燁 檀 添 林秋瓊 李劍超 趙爭鳴

（電力系統及發電設備安全控制和仿真國家重點實驗室（清華大學電機系） 北京 100084）

無線電能傳輸（WPT）技術應用于軌道交通領域，可解決傳統接觸式供電在安全性、可靠性和經濟性等方面的問題。但相比于當前主流WPT研究，該應用場景所涉及的功率大、系統復雜、實現難度較高，且在運動、機械等方面亦具有自身特征，存在諸多關鍵技術問題有待解決。該文從拓撲架構、磁耦合機構、系統建模與參數優化、控制策略等方面對其開展研究，取得了若干階段性成果，并基于此研發350kW軌道交通無線充電系統樣機，在功率傳輸能力、系統效率、輸出特性等方面均取得了較好的效果。該文將從這一系統入手，對大功率軌道交通WPT的關鍵技術和實現方案進行闡述和探討，力求為大功率WPT技術的發展及其在軌道交通中的應用提供助力。

無線電能傳輸 無線充電 軌道交通 磁耦合機構

0 引言

軌道交通包含了高鐵、地鐵、輕軌、城市有軌電車、磁浮列車等多種形式，是我國最重要的交通運輸方式之一。目前電氣化軌道交通的供電方式大都采用接觸式供電，如架空接觸網或第三軌供電等[1]。但隨著列車提速和應用場景的拓寬，傳統接觸式供電開始顯現出諸多限制。滑動接觸在高速運行狀態下的安全性、穩定性以及制造精度等問題，是限制車速提升的一個重要因素；受電弓或集電靴的日常磨損導致其維護成本增加；大風、沙塵天氣會導致弓網接觸出現振動、離線，進而引發電弧；在高寒覆冰等惡劣天氣下還容易產生刮弓、脫弓等事故[2-3]。

無線電能傳輸（Wireless Power Transfer, WPT）技術在近年來得到了極其迅猛的發展，為上述供電問題提供了一種全新的解決方案[4-5]。隨著近年來其理論基礎趨于成熟，相關應用研究得以迅速開展。具體到電氣化交通領域，面向電動汽車的無線充電技術已邁入實用化階段，其在便利性、安全性、緊湊性等方面都展現出了明顯的優勢[6]。而將WPT應用于軌道交通，可有效解決上述接觸式供電的問題，提升其安全性和可靠性、降低維護成本、放寬供電系統對車速的限制，是我國軌道交通發展的重要推動力。

作為近年來的研究熱點，WPT在電氣化交通中的應用研究得以廣泛開展，但目前該領域的主流研究范疇尚集中在電動汽車無線充電領域，而軌道交通應用具有其特點和難點，包括：

（1）功率遠超當前WPT研究的主流等級。一般來說，列車所需功率可達數百kW至MW等級[3]，與當前電動汽車無線充電領域數kW至數十kW的主流功率等級存在較大技術跨度。這對系統中高頻電能變換、磁耦合機構乃至整個系統架構等方面均帶來了巨大挑戰。

（2）軌道限制所帶來的準一維運動模式，使其磁耦合機構的設計思路與常規電動汽車不盡相同，而大功率的需求也進一步加劇了磁耦合機構功率密度、電磁兼容性、絕緣散熱等方面的設計難度。

（3）列車功率大、尺寸長，適合采用模塊化組合供電方式，對應到無線傳輸架構上也將出現多發射多接收架構，并且還需應對與電動汽車動態充電類似的分段切換問題。這些都將導致系統階數和復雜度劇增，系統分析、設計和控制難度增加。

鑒于此，WPT技術由當前電動汽車應用跨入軌道交通領域存在多方面的技術臺階。當前國內外已有若干研究機構正致力于攻克這一臺階，包括韓國鐵道研究院、奧克蘭大學、西南交通大學、中科院電工所、天津工業大學、湖南大學、國防科技大學、哈爾濱工業大學、清華大學等，均取得了許多有價值的理論與技術成果，但整體而言，技術成熟度仍然不高，尤其在實際裝置層面，具有代表性的大功率實現案例屈指可數。此處將文獻中公開發表的典型案例部分列舉如下，大功率軌道交通WPT典型案例如圖1所示。

圖1 大功率軌道交通WPT典型案例

國際方面，目前已報道的最高功率等級WPT系統即應用于軌道交通領域，為韓國鐵道研究院（Korea Railroad Research Institute, KRRI）在2015年發表的高鐵動態無線供電系統[7]，實測輸出功率為818kW，系統效率82.7%，并且在型號為HEMU-430x的高鐵上進行了10km/h車速的實車實驗，如圖1a所示[7]。此項研究在功率等級方面具有開創性意義，但其在控制性能、系統效率等方面仍有較大的改善空間。

龐巴迪（Bombardier）公司的PRIMOVE系統也是大功率WPT應用的一個典型案例，其采用單個100kW的接收單元模塊，可組合為100～500kW的充電/供電系統，應用于從小型乘用車到電動大巴，乃至公共軌道交通的各類電動車輛，如圖1b所示[8]。但受商業保密限制，其相關技術細節未見發表，且自2012年之后，就未曾有更進一步的信息披露[3]。

德國Conductix-Wampfler公司（現IPT Technology）亦致力于軌道運行裝置的WPT技術，并將其應用于工業、物流等行業。在軌道交通領域，此前有報道其搭建了系統總功率為150kW的軌道車試驗線，其中接收端由6套25kW裝置組成。但該案例同樣缺乏更為詳細的報道。

國內方面，此前學術文獻中已公開發表的百千瓦以上裝置僅兩例，分別為湖南大學的非接觸牽引供電系統，如圖1c所示[9]，設計功率150kW，實際輸出功率約136kW，系統效率91.6%[9]；和西南交通大學的非接觸供電軌道車模擬實驗平臺，如圖1d所示[3]，功率等級100kW，系統效率約85%[3]。此外中科院電工所曾報道了一套設計功率為200kV·A的軌道交通非接觸供電樣機，但其文獻記載的運行功率最大為30kW[10-11]，故此處暫未列入。

由此可見，在軌道交通WPT領域，當前國外研究相對領先，但其大功率實現案例依然不多，且大都有產業界深度參與，存在技術保密問題，系統性能亦有待提升；而國內方面則仍處于起步階段且以原理性研究居多，但其發展勢頭不可忽視。總體而言，該領域的功率等級、系統效率和技術成熟度都遠未達到實用化水平，尚需持續性的研究攻關。

本團隊在現有研究的基礎上，從拓撲架構、磁耦合機構、系統建模與優化、控制策略等方面對大功率軌道交通WPT展開研究，取得了部分階段性進展，基于此研發了350kW無線充電系統樣機，其在額定輸出功率下的系統效率可達94.3%，最高效率達95.4%，基本功能與關鍵性能均得以驗證。

本文旨在較為全面地介紹這一系統的研發方案，其中若干具體的技術問題已在本團隊的其他文獻中進行專題討論，此處僅予以概括說明，因此本文亦可視作相關文獻的導讀。此外文中還將注重與國際同類先進成果的對比和探討，分析和實驗結果表明本系統在多個方面具有自身的特點與優勢。這一研究為大功率軌道交通WPT的具體實現提供了一套可行的基本方案，同時對于其他大功率應用場合的無線電能傳輸系統研發亦具有借鑒意義。

1 諧振拓撲與電能變換拓撲綜合設計

在軌道交通應用中，由于軌道和列車在空間上天然的分布式特征，其供電系統宜采用模塊化設計，這同時也有利于減輕單個模塊在功率等級方面的設計難度；但若拆分模塊過多，又將導致系統過于復雜、模塊協同控制難度提高等問題。因此宜在保證模塊化靈活性的同時，綜合考慮單模塊實現難度和系統復雜度進行權衡。

另一方面，由于磁耦合諧振式無線電能傳輸系統的特殊性，WPT環節的諧振拓撲特性直接影響原、副邊（即發射、接收端，下同）電能變換單元的拓撲設計和控制方案，因此二者需要進行綜合設計。

作為該領域的國際先進案例，KRRI在文獻[7]中所介紹的818kW系統采用的是串串諧振拓撲；發射端由基于晶閘管的三相整流橋提供直流母線，之后的逆變級由5個基于IGBT的200kW全橋組成，通過各自的輸出變壓器級聯后為發射線圈供電；接收端則是為每個接收線圈配備不控整流橋之后，直接并聯輸出。此外，西南交大、中科院電工所等團隊也有其各自的方案，在此不再贅述。

上述方案雖然實現了當前最大功率等級的無線電能傳輸實驗，但依然存在若干值得商榷之處，例如：

（1）在串串諧振拓撲中，原、副邊電壓電流特性耦合緊密，在多發射多接收且動態切換的軌道交通應用場合中增加了設計和控制難度。

（2）發射端子模塊經由變壓器級聯，增加了裝置的體積和質量。

（3）發射端逆變采用IGBT以滿足其對功率開關器件的容量需求，但其高頻開關損耗相對較高。

（4）極簡的接收端拓撲有益于車載裝置輕量化，但也導致其輸出特性難以保證，如輸出電壓穩定性、輸出電流紋波等。

綜合考慮各方面因素，本文所提拓撲方案如圖2所示。圖中，在發射端子模塊中，S11～S24為功率開關管，VD11～VD22為鉗位二極管，b1和b2為均壓電阻，dc1和dc2為母線電容，c為預充電電阻，KTXc為預充電旁路接觸器，BKTX為直流斷路器，f1和p分別為發射端諧振電感和電容；在接收端子模塊中，s1～s4為接收端諧振電容，f1～f4為接收端母線電容，SB11～SB42為Buck電路功率開關管，VDB11～VDB42為Buck電路續流二極管，B11～B42為Buck電路濾波電感，KRX1～KRX4為輸出接觸器。

系統整體可分為WPT環節、發射端變換環節、接收端變換環節三部分，三者在諧振回路部分略有交疊。

1.1 WPT環節

WPT環節采用了LCL-S諧振拓撲，其簡化等效電路如圖3所示。圖中，p、s分別為發射與接收線圈自感，ps為發射、接收線圈互感，dc為發射端輸入直流母線電壓，f為接收端直流母線電容。

作為經典諧振拓撲之一，其具體推導無需贅述，此處直接給出其在完全諧振狀態下的關鍵電氣特性為

圖2 軌道交通WPT拓撲方案

圖3 LCL-S諧振拓撲簡化電路

可見，考慮完全諧振的穩態情況，該諧振拓撲具有以下特征：

（1）原邊線圈電流具有恒流特性，可由原邊自行獨立控制，且不受副邊狀態影響，在多接收應用中可以保持一個恒定的供電軌道電流，實現發射與接收端，以及各接收端之間的相互解耦控制。

（2）諧振環節的輸出電壓與輸入電壓成固定比例，在原邊運行工況不變的情況下，可認為副邊輸出電壓具有恒壓源特性，從而保證在不同功率下，副邊DC-DC均能維持在一個較為穩定的工況。

上述特性使得LCL-S諧振拓撲在軌道交通WPT這類多接收系統中具有其自身優勢，可以大大降低系統的設計和控制難度。需要注意的是，此處僅考慮了穩態特性，在進一步考慮動態特性時，需對參數進行額外設計，系統進而可能會略微偏離理想諧振狀態，但由于失諧程度不高，上述結論在工程上依然值得參考。

1.2 發射端變換環節

發射端變換環節以軌道交通中標準的1 500V直流母線作為輸入，經高頻逆變后為發射端諧振回路供電。在大功率WPT系統中，其工作頻率通常為數十kHz，在此開關頻率下選用SiC MOSFET相比于高壓IGBT可大幅降低其高頻開關損耗。但當前市面上的商用SiC器件最大耐壓僅為1 700V，難以直接用于1 500V母線，因此本方案采用二極管鉗位式三電平全橋拓撲，并采用準三電平調制方式，即零電平僅作為過渡電平，其持續時間與死區時間同量級，由此產生接近于方波的輸出電壓。

該運行模式的另一個優勢是可以大幅降低鉗位二極管的通流需求。由于電流僅在輸出零電平時流經鉗位二極管，其持續時間極短，且H橋工作于準諧振狀態，電平切換時刻輸出電流較小。因此二極管選型無需按完整的輸出電流考慮，應當重點考慮其重復浪涌電流（Repetitive Peak Forward Surge Current, RPFSC）而非持續電流。這樣正好可規避當前市面上缺乏大電流SiC二極管產品的問題，僅用TO-247封裝的小電流管即可滿足要求。

此外，在當前SiC器件發展水平下，上述單個逆變模塊依舊難以滿足350kW功率等級的變換需求。為此可考慮的方案之一是采用器件并聯，但這需要額外考慮器件均流問題，且不利于模塊的拆分組合。本文采用變換器模塊化組合方案，即發射端變換環節采用若干個發射端子模塊（TXSubmodule）并聯運行。值得注意的是，本方案將諧振網絡中的原邊補償電感f拆分至每個發射端子模塊中，作為三電平拓撲的輸出電感fi。一方面解決子模塊并聯輸出不均衡所導致的環流問題；另一方面各fi并聯后作為一個整體參與WPT環節的諧振。因此，應保證電感值滿足fi=f，為并聯的發射端子模塊的數量（本案例中取=2）。相較于采用專門的輸出變壓器進行子模塊串并聯，這一方案通過逆變輸出級與WPT諧振環節的功能復用，使得整個系統更為緊湊。

1.3 接收端變換環節

值得討論的是，既然本應用場景面向恒壓源型負載，所需電流源型輸出，那么直觀考慮亦可選用恒流輸出型諧振拓撲，如雙邊LCL或LCC等，這樣可在接收端省去一級DC-DC環節。但該方案同時也存在一些問題，例如：從控制角度，這一方案若采用純原邊控制，則難以兼顧一對多傳輸架構中不同接收端的參數差異，且副邊反饋信號的無線通信延遲也會顯著影響動態性能；若采用副邊chopper控制，則容易因高頻諧振環節的直接通斷而產生電流包絡振蕩等問題，這在大功率系統中尤其值得關注，此外在非滿載情況下，諧振環節的輸出電流依然保持恒定，相比于恒壓輸出的諧振拓撲而言，存在額外損耗。

因此，本文并未采取上述方案。當然，若針對需要依賴無線供電系統提供穩定的車載母線電壓的應用場景，則諧振拓撲與變換系統方案應進行相應調整，本文限于篇幅不展開討論。

整體而言，上述各環節通過功率元件、諧振拓撲、變換拓撲的合理設計，以及所提的諧振電感拆分復用的方法，使得系統更為高效、緊湊、易控。

2 磁耦合機構方案

本節首先對當前文獻中典型的軌道交通WPT磁耦合機構實現方案進行了歸納總結，見表1。可見，表1中方案具有一些共性特征：

（1）相比于電動汽車WPT，軌道交通應用中選取的傳輸間隙相對較小，大部分均在40～70mm之間。考慮到軌道限制帶來的準一維運動特征，這樣的間隙選取是合理的。

表1 各團隊軌道交通WPT磁耦合機構實際裝置對比

Tab.1 Comparison of rail transit WPT magnetic coupling mechanisms by various team

（2）在諧振頻率的選取上，大部分案例均低于電動汽車WPT中常用的85kHz，通常在10～60kHz不等，考慮到大功率高頻電能變換的實現難度與系統損耗分布的權衡，這樣的配置亦可認為合理。但更為深入的大功率WPT諧振頻率定量優化問題，當前研究（包括本文在內）均少有涉及，有待后續進一步探索。

（3）大部分方案均未在發射端布置磁體，這對于動態WPT是至關重要的，可以大大降低發射端的鋪設成本。

除此之外，本文更為關注的是，幾乎所有發表于文獻中且對磁耦合機構有具體描述的軌道交通WPT研究案例，都采用了類似圖4a的“平板式”（Planar）磁耦合機構，此處歸納其典型特征：發射與接收端在機械上具有無限大的橫向偏移能力。這或許是沿用了電動汽車WPT的思路，亦可能是出于其他工程考慮。各類磁耦合機構形式示例如圖4所示。

圖4 各類磁耦合機構形式示例

然而，本文認為平板式或許并非最適用于軌道交通WPT的磁耦合機構形式。列車的運動形式為準一維運動，其在非行進方向的偏移量相對較小，因此平板式所提供的橫向偏移能力在軌道交通中必要性并不高。且軌道交通WPT的發射端通常采用長導軌形式而非傳統的平板螺旋線圈式，因此完全可以考慮將發射導軌嵌入接收端之中，以獲得更高的耦合系數，進而獲得更高的傳輸效率，類似圖4c。本文將基于此思路的磁耦合機構統稱為“嵌入式”（Embedded），此前亦有文獻將其稱為“同軸式”（Coaxial）或“非對稱式”（Asymmetrical）。

實際上，早在1984年就已有研究提出嵌入式磁耦合機構的雛形[16]，如圖4b所示。但當時WPT技術發展水平有限，方案完善性不高，且采用閉合式磁心使得接收端的移動范圍僅限于單個發射導軌之內。此后奧克蘭大學陸續提出E型、S型等接收端形式，采用開放式磁心并將發射導軌嵌入其中，解決了導軌分段切換問題并同時維持了較高的耦合系數[17]；此外國立成功大學亦基于該思路進行了小功率WPT研究[18-19]。然而相比于平板式，目前針對嵌入式磁耦合機構的研究仍相對較少，尤其是應用于大功率軌道交通WPT的實際案例則更為罕見，僅前文提到的Conductix-Wampfler公司將類似技術應用于總裝線、物流中心、機場等單軌移動系統中，但百千瓦以上案例亦不多見。此外，關于大功率嵌入式磁耦合機構優化方法的專題研究也極為缺乏。

為此，在本文350kW實現案例中采用了嵌入式磁耦合機構形式，如圖5所示。圖中，發射線圈為不含磁體的長導軌形式，為合理利用空間可將其進行折返；接收端由4個M型（亦可稱為W型）鐵氧體磁心和對應線圈組成；發射導軌嵌入接收端的凹槽中，但保持非接觸狀態。其余具體參數可參見表1。這一磁耦合機構可根據列車的實際需求，安裝于車底、轉向架側面或車頂等，磁耦合機構安裝方式示例如圖6所示。

圖5 本系統磁耦合機構基本方案

這一方案的優勢包括原、副邊耦合緊密，發射端結構簡單成本低廉，橫向偏移對電感參數影響小等，但如前所述，此類方案在軌道交通WPT中的研究尚較為缺乏。為此，一方面，需要結合軌道交通應用場景的機械與電氣特征進行具體考慮；另一方面，數百千瓦以上的大功率應用在具體實現中的問題與傳統中小功率應用存在較大區別，包括功率密度、電磁干擾、磁體飽和、散熱、絕緣以及與前后端變換電路的參數匹配等，因此需要針對其設計優化方法進行較為系統的研究。關于此部分本團隊已在文獻[20]中進行了詳細闡述，此處不再贅述。

圖6 磁耦合機構安裝方式示例

由表1可以看到，就實現性能而言，本文裝置在功率等級上與國際先進水平基本處于同一量級，但系統效率明顯高于當前報道的所有案例。這其中確實可能包含了前后端電能變換環節的效率提升因素，但在典型WPT系統中，往往無線電能傳輸環節的損耗占據了較大比例，因此，效率如此大幅度的提升足以證明這一磁耦合機構形式及其優化設計結果的優勢所在。

3 系統建模與參數優化

為進行系統特性分析和參數優化，必須先建立其穩動態模型。現有研究在WPT系統的穩態建模方面已較為成熟，但對于動態模型，尤其是此類直流與高階諧振環節混雜、線性與非線性環節混雜的復雜系統的統一動態建模方法，則有待進一步完善。本節將對這一系統所采用的動態建模方法和參數優化相關研究進行概述，其具體細節可參考對應專題文獻。

3.1 系統動態模型

本文所采用的動態建模方法基本思想：針對混雜系統各環節的特征，在兼顧模型準確性和易用性的原則下，分別采用與之相匹配的建模方法，再進行統一描述。具體而言，首先以發射、接收端各包含單個子模塊的簡化系統為例，建模思路如圖7所示。其中諧振拓撲和磁耦合機構為高頻交流線性環節，此處采用廣義狀態空間平均（Generalized State Space Averaging, GSSA）法對其進行建模；發射端的DC-AC高頻逆變環節和接收端的AC-DC高頻整流環節為交直流非線性環節，可采用拓展描述函數（Extended Describing Function, EDF）法建模。上述兩種方法都是通過對高頻交流變量進行開關周期尺度下的平均化，從而描述其基波特征量，實質上是反映了交流量的包絡特性，而這也正是此類諧振系統中最需關注的動態特性。此外，對于上述WPT諧振環節也有研究采用耦合模理論[21]或動態相量法[22]對其建模，此處不再贅述。對于DC-DC變換環節和采樣與控制系統，則分別可以視作非線性和線性的直流環節，可以采用傳統的狀態空間平均模型。經過以上不同層次的平均化描述，可以建立系統的統一狀態空間方程和系統傳遞函數，進而用以動態特性分析和控制策略研究。

圖7 單子模塊簡化系統的動態建模思路

更進一步地，對于本文所涉及的一對多WPT架構，可在上述方法基礎上，基于模塊化的建模思想，將接收端數量作為變量納入模型中，采用分塊矩陣的方式進行列寫和推導，從而得到不同接收端數量下的通用動態模型。這樣既保證了模型物理意義的清晰和推導的便利性，又可將其用于包含接收端數量在內的系統各參量的設計優化。

上述建模方法的具體描述和推導，以及基于此的系統動態特性分析，在文獻[23-25]中均有涉及。

3.2 參數設計與優化

基于上述動態模型，可以對系統中各參量進行優化設計。但在該系統中，一方面包含較多的關鍵參數，且其對系統穩動態特性影響相互耦合，較為復雜；另一方面需要考慮的性能指標亦多種多樣，包括系統穩定性、效率、動態性能、軟開關條件、散熱絕緣壓力等，這使得優化目標難以制定。為此，本團隊針對這一多參數多目標優化方法開展了專門研究。

首先，在優化參量的選擇上，磁耦合機構的相關電感參數及其諧振電容主要考慮穩態性能和磁耦合機構的機械、電磁特性進行優化，相對較為獨立；原、副邊母線電容以及副邊Buck電感等參數在常規電力電子變換器中亦屬于常見優化參量，在動態模型已建立的基礎上，其優化方法已有較為充分的研究；因此，本研究選取了本系統特有且常規設計考慮較少的3個參數為例，以支撐所提方法的敘述。

發射端諧振電感f：在僅考慮穩態特性的理想情況，這一電感通常與發射線圈自感相等，以保證系統完全諧振。但在許多實際裝置中，會將其設計為略高于上述值，使得高頻逆變輸出端口特性為弱感性，以保證功率器件的零電壓軟開關（Zero Voltage Switching, ZVS）開通。但除此之外，該參數還和系統其他動態特性相關，可進行進一步優化。

接收端數量：在一對多WPT系統中，這一參數對系統穩動態性能有顯著影響，且與其他參數耦合緊密，值得納入優化考慮。但所得出的結果僅為理論參考，在實際裝置中還應結合元器件選型、空間布置、耐壓絕緣等工程因素綜合考量。

接收線圈相互之間的互感m：這一參數在一些研究中由于其數值較小而被忽略，但在本案例數量級下，其對系統動態性能有著不可忽視的影響，因此一并納入考慮。

接著，在優化目標的制定中，對所關注的性能指標要求歸納如下：

（1）穩態下系統效率盡可能高。

（2）穩態下原、副邊線圈電流幅值p、si以及諧振電容電壓幅值Up、Usi盡可能低且不得高于限值（分別表示為p_max、si_max、Up_max、Usi_max）。

（3）發射端高頻逆變輸出端口的電壓電流相位差Dq應大于某正值Dqmin。

（4）系統在穩態運行點下的相位裕度（Phase Margin, PM）盡可能大。

如此可將這一優化問題描述為

考慮到各指標量級差別較大，在不同的工程需求中關注度也不盡相同，因此對各指標進行歸一化和加權，選取基準值0p0、Up0si0、Usi00，以（=1, 2,…, 5）表示各指標權重，再結合部分實際工程狀況對上述優化問題完善，即

多參數多目標優化流程如圖8所示。

關于上述優化方法的具體細節、案例分析及驗證結果，可參考文獻[24]。

4 系統控制方案

目前在軌道交通WPT領域，關于控制策略的研究相對較多，包括針對輸出特性、變參數問題、均流特性、效率優化等裝置級問題的控制，以及針對分段切換等系統級問題的控制等。另一方面，WPT系統作為發射與接收端強弱電均保持隔離的系統，其基本控制類別又可分為純原邊控制、純副邊控制和原、副邊協同控制幾大類。依舊以KRRI的818kW系統為例，其采用的就是純原邊控制，將接收端輸出電壓檢測信號通過無線通信反饋給發射端，由發射端控制發射線圈電流，以此間接控制接收端輸出電壓的穩定。但這一控制方案在系統后半部分相當于開環，且無線通信的延遲也會造成不可忽略的影響，最終其動態響應性能并不理想[7]。

圖8 多參數多目標優化流程

在本文方案中，由于采用了LCL-S諧振拓撲，使得原、副邊特性在一定程度上解耦，因此可以采用原、副邊各自獨立控制，降低了整個系統的控制難度。具體而言，在發射端可以令三電平全橋持續輸出50%占空比的準方波而不加額外控制；亦可通過調節全橋的內移相角來閉環控制恒定的發射線圈電流。其中前者實現簡單，而后者在失諧、參數變化等非理想工況下可以令原、副邊解耦更為徹底。在接收端，由于本裝置面向的是超級電容、蓄電池等恒壓源性質的負載，因此可以直接通過Buck環節控制其輸出電流，再通過各路Buck之間的交錯移相來降低輸出電流紋波。

然而在該系統中依然存在著控制難點。由之前建立的動態模型可知，在該系統的接收端，以直流母線電容為界，其前級高頻環節和后級DC-DC環節的端口小信號等效導納存在不匹配問題，導致系統相位裕度接近于0，極易產生超調、振蕩甚至造成系統失穩。為此，本研究基于能量平衡的控制思想，提出了一種可改善上述系統小信號阻抗特性的控制策略，由輸出電流內環、功率外環和能量前饋環三者構成，其功能分別是穩定Buck輸出電流、精確控制系統輸出功率和提高動態響應速度。此外，將功率采樣點從Buck輸出端前移到高頻整流橋直流側，并增加了輸出電感儲能的前饋，將濾波電容、電感的能量變化納入控制之中。上述控制方案得到了良好的效果，可在提升響應速度的同時減小超調、振蕩。該部分內容具體在文獻[23]中進行了詳細闡述。

5 實驗結果

基于上述研究成果，本文設計研發了一套應用于軌道交通的350kW大功率無線電能傳輸系統，如圖9所示。系統輸入為DC 1 500V，輸出參照儲能式有軌電車的應用需求，以電壓源型負載為設計對象，輸出電壓范圍為DC 500～DC 950V，額定輸出工況為900V/400A。但受實驗室條件所限，暫時難以尋求滿足這一電壓和功率等級的模擬電源和負載，因此采用功率環模式驗證其系統性能，將接收端子模塊1號、2號的輸出并聯后接回發射端正半母線，接收端子模塊3號、4號則并聯接回發射端負半母線。在這一測試條件下，額定功率下的輸出工況約為750V/467A。

圖9 軌道交通350kW大功率無線電能傳輸系統樣機

圖10所示為上述額定功率下的功率分析儀（HIOKI PW6001）實測數據，CH1、CH2分別測量發射端子模塊1號、2號的輸入側數據，CH3、CH4分別測量接收端子模塊1號+2號和3號+4號的輸出側數據。其中發射端輸入電壓由于功率分析儀的測量電壓上限為1 500V，而無法正常顯示，其實際值可由兩組接收端子模塊的輸出電壓dc3和dc4相加得到，為1 504.5V；此外兩組接收端子模塊的輸出電流dc3和dc4相加可得到系統總輸出電流約為469A；系統總輸入功率為374.1kW，輸出功率為352.8kW，效率94.3%。

圖10 額定功率下功率分析儀實測數據

圖11為上述額定功率下的原、副邊部分波形，可以看到發射端子模塊功率均衡度較高，接收端子模塊輸出電流經移相疊加后，其總輸出電流（實測波形的計算值）紋波較小，電流紋波系數為1.92%。

（a）發射端關鍵波形

（b）接收端關鍵波形

圖11 額定功率下的典型實測波形

Fig.11 Typical measured waveforms at rated power

此外，實驗發現，系統效率在不同的輸入電壓和輸出電流下有所波動，實驗測量了不同功率下的部分典型工況效率如圖12所示，可見該系統在較寬的功率范圍內都可達到較高的效率，在得到的數據點中，最高效率可達95.4%。圖中效率的波動趨勢與不同功率下輸入電壓和輸出電流的變化規律相關，此處不再展開敘述。

圖12 不同功率下的實測系統效率

6 結論

本文針對軌道交通WPT功率大、準一維運動和系統復雜等特征，在拓撲架構、磁耦合機構、系統建模與參數優化、控制策略等方面開展研究并提出了相應的獨到方案，基于此研發了350kW大功率軌道交通無線充電系統樣機，驗證了其在功率傳輸能力、輸出特性等方面的優良性能，尤其在系統效率方面與同類裝置相比表現突出。本文以這一系統為例，對其中的關鍵技術問題進行了探討，旨在為軌道交通WPT技術的具體實現提供助力，并為其他大功率應用場景的WPT技術研究提供啟發和參考。

致謝：本文研究同時得到了中鐵電氣化局集團有限公司的大力支持，在此表示衷心的感謝。

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Research on 350kW High Power Wireless Power Transfer System for Rail Transit

（State Key Laboratory of Control and Simulation of Power System and Generation Equipment Department of Electrical Engineering Tsinghua University Beijing 100084 China）

The application of wireless power transfer (WPT) technology in the rail transit field can solve the problems of traditional contact power supply in terms of safety, reliability and economy. However, compared with the current mainstream WPT research, the power requirement is much higher and the system is much more complex for this application, which causes higher difficulty to implementation. Moreover, it also has specific characteristics in motion and machinery. Therefore, there are many key technical issues to be solved. In this paper, it has been studied from the aspects of the topology architecture, magnetic coupling mechanism, system modeling and parameter optimization, and control strategy, etc. Several phased results have been obtained, and accordingly a prototype of 350kW wireless charging system for rail transit has been developed, thereby achieving good effects in terms of power capability, efficiency and output characteristics. The key technologies and implementation schemes are expounded and discussed based on this system to promote the development of high power WPT technology and its application in rail transit.

Wireless power transfer, wireless charging, rail transit, magnetic coupling mechanism

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.211580

TM92

陳凱楠 男，1988年生，博士，助理研究員，研究方向為無線電能傳輸、電力電子技術等。E-mail: chenkn@tsinghua.edu.cn（通信作者）

蔣 燁 女，1992年生，博士，研究方向為無線電能傳輸、電力電子器件建模與應用等。E-mail: jiangy16@mails.tsinghua.edu.cn

2021-10-08

2021-11-30

國家自然科學基金委員會—中國國家鐵路集團有限公司高速鐵路基礎研究聯合基金資助項目（U2034201）。

（編輯 陳 誠）