磁浮列車非接觸式供電技術

吳冬華 ，馮程程 ,2，余 進

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

傳統的電能傳輸方式是通過金屬導線，在日常工作生活中，裸露的導線在一定條件下會產生電火花，嚴重時會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、水等影響發生爆炸等危險.在經濟科技快速發展的當今時代，人們對生活質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，都離不開電氣化，因此研究使用新型的供電技術來消除滑動或滾動接觸供電中會產生的電火花，減少磨損損耗[1].

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

早在1976年美國學者就能使用微波的方式在1.54 km距離下進行電能傳輸[4]，當時非接觸供電系統的功率可達30 kW.加州大學伯克利分校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60 kW的試驗樣車[5].在21世紀初，龐巴迪公司的Primove提出了一種針對有軌電車非接觸供電系統 IPS （inductive power supply）的解決方案[6]，在德國的包岑和奧格斯堡建設了基于PPIMOVE WPT技術的輕軌電車示范線.2014年，KAIST公司更是將WPT系統的效率提升至82.7%，傳輸功率可達1 MW，空氣的間隙為5 cm[7]，為非接觸供電系統在高速鐵路供電領域的應用邁出了重要的一步.

我國的非接觸供電技術研究起步較晚，但是最近幾年發展較快，電工研究所基于感應耦合原理，成功研制出非接觸供電實驗裝置[8].重慶大學孫躍教授的研究團隊對非接觸感應電能傳輸進行了進一步研究，研究了非接觸供電系統的拾取裝置的方向性、系統的輸出電流和電壓的控制，搭建了系統模型，還研究了控制頻率的穩定性，在這些領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驗樣機[9].西南交通大學在非接觸供電系統的基礎科學和工程應用上進行了探索和研究，主要內容有級聯型大功率諧振逆變器在非接觸供電系統中的應用[10]、非接觸供電系統的動態調諧方法、電磁耦合結構設計方法[11]，另外還研究了非接觸供電系統在多參數擾動下的控制問題，最終形成了初步的一套應用在軌道交通領域的非接觸供電技術[12]，目前已經做出了試驗樣機.

非接觸供電系統從20世紀發展至今，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傳輸的距離較遠，功率適中，限制其發展的傳輸效率較低，另外還有電磁輻射的危害.電場耦合式的非接觸供電系統由發射端和接收端的裝置組成，它們之間形成電容器進行電能傳輸，其受到環境的影響較小[13]，功率等級也適用于軌道交通領域.

高速磁懸浮作為地面最快的交通工具，近年來也進入了研究熱潮，中車四方股份已經研制成功高速磁浮列車樣車.當高速磁浮列車速度低于100 km/h時，車載自發電系統產生的電能不足以供應列車車載供電需求，特別是在站停、維護及調試狀態，需要使用其他獨立的供電方式.目前主要有車載電池供電、動力軌供電和非接觸供電3種方式.但是，當采用車載電池供電時，車載電池占用較大的空間，并且增加了車體重量，而磁浮車對車體重量是嚴格控制的，同時車載電池的使用壽命和維護也會增加運營成本.當采用動力軌供電時，結合車輛中的受流器可以實現不受速度限制，并具有足夠功率的能量傳輸，然而這種常規的接觸供電方式在行駛過程中因受流器的開孔會產生顯著的噪聲，并且在運行過程中存在不可避免的磨損，這些磨損除了會增加維修成本外，同樣也會引發異常噪聲.作為一種新型的供電方式——非接觸供電技術，可以有效解決上述相關問題.本文提出的發射端多匝線圈且無磁芯、拾取端類似雙U型耦合磁路結構的非接觸供電系統，能提高耦合系數、減少磁通泄露，與Tr09相比：發射端多匝，磁密強且分布更加平坦，可獲得較高效率，有效抑制間隙變化引起的感應電壓波動.

1 磁浮列車IPS車載供電方案

根據磁浮列車的供電需求，結合磁耦合式非接觸供電的特性，提出了一種發射端無磁芯、拾取端類似雙U型耦合磁路結構的非接觸供電系統，如圖1所示.

圖1 磁浮樣車供電結構Fig.1 Power supply structure of maglev prototype

磁浮列車IPS系統由地面和車載子系統構成，地面子系統將輸入的工頻交流電（或直流電）轉換為高頻電流恒定電源，驅動發射電纜產生交變磁場；車載拾取裝置通過磁場耦合將場能轉換為電能，完成非接觸式電能傳輸.地面子系統包含以下設備：逆變電源及其補償裝置、發射電纜及其安裝支架、補償電容、監控及診斷系統.車載子系統由拾取裝置、補償電容裝置、高頻整流器組成.磁浮列車IPS系統結構如圖2所示.

圖2 IPS系統結構示意Fig.2 Structure schematic of IPS system

針對軌道交通列車功率需求大、供電可靠性要求高、空間狹窄且多導磁、導電材質特點，開展了大功率高頻逆變電源控制、電能發射/接收磁路與場路耦合系統設計與優化技術研究，研制了磁浮樣車150 kW非接觸供電系統，完成現場應用調試與驗證.

根據高速磁浮列車供電需求，通過理論計算確定各設備主要參數，完成IPS系統設計方案，包括：IPS系統工作頻率及傳輸間隙、拾取裝置與地面發射系統耦合此路物理尺寸及兩者間互感、地面及車載補償裝置參數、利茲線纜載流量及尺寸、逆變電源、DC/DC及監控系統相關功能需求及實現方式.通過耦合磁路及電氣性能仿真初步驗證一種發射端多匝線圈且無磁芯、拾取端類似雙U型耦合磁路結構設計方案的可行性.整個IPS系統采用的是一個發射-兩個拾取的方案.當發射端采用不同補償裝置的結構，其對比如表1所示.

通過表1拓撲結構中的比較可以看到：LCL回路有更低的電壓和電流應力，且能在空載時運行，保證系統安全，故選擇LCL電路拓撲.對比LCL-S（副邊串聯）和LCL-P （副邊并聯）兩種拓補結構.當副邊為串聯結構時，功率等級與負載阻值成正比，即負載阻值越大，系統的傳輸功率越大；當接收端為并聯結構時，功率等級與負載阻值成反比，隨著負載阻值增加，系統傳輸功率反而減小.LCL-S適合于大功率的能量傳輸場合，LCL-P結構適合能量小的場合.因為LCL-P結構不滿足功率需求，所以選擇副邊串聯結構，即LCL-S拓撲結構.

表1 不同補償拓撲結構對比Tab.1 Comparison of different compensation topologies

2 非接觸供電系統仿真分析

2.1 耦合磁路設計與仿真分析

利用Maxwell軟件對多種耦合磁路進行3D仿真分析，快速確定耦合磁路最優設計方案——發射端無磁芯，拾取側類似雙U型結構，然后開展三維電磁仿真，得到滿足傳輸功率及安裝空間約束的拾取裝置與地面發射線圈間耦合機構物理結構尺寸及電氣性能參數.

初級線圈采用三匝線纜時，分析其對初次級線圈互感以及初級線圈間互感的影響；初級線圈采取上述不同布置方式時，分析其在次級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

互感分析結果如表2所示.

從圖4（a）、（b）和表2 中結果可知，發射線圈采用三匝結構，發射端無磁芯，拾取側類似雙U型結構發射/拾取間耦合磁場均勻、漏磁通較少，改善了發射與拾取間耦合效果.發射端多匝，磁密強且分布更加平坦，耦合性更好.

圖4 磁通仿真結果Fig.4 Magnetic flux simulation results

表2 互感計算結果Tab.2 Calculation results of mutual inductance

2.2 電路設計與仿真分析

利用Matlab軟件建立IPS系統電氣仿真模型，驗證提出的發射端多扎線圈拾取端無磁芯，拾取端類似雙U型結構的合理與正確性，對IPS系統傳輸功率、輸出電壓、電流、補充電容等參數進行優化，獲得一組滿足磁浮列車車載供電需求的IPS系統方案擬參數.為了補償線圈的無功功率，提高傳輸效率償裝置通過電容補償發射電纜產生的無功功率，抑制發射電纜產生過高的電壓.補償電容的形式分為發射端并聯補償電容，串聯補償電容和接收端串聯補償電容.拾取側各組電容均由0.10 μF和0.24 μF的電容組合而成.發射供電方案，每一供電單元供電距離約12.5 m，該供電單元內發射電纜長約12.5 m ×2 = 25.0 m，每一供電單元設置一組補償電容裝置，補償裝置設置于變流器旁邊.

根據耦合磁路仿真分析的結果得到電感的相關參數，結合電路設計進行電路仿真.改變IPS系統工作頻率、發射電流、負載電阻時，分析系統的工作穩定性，其中一種工況為系統頻率為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，計算出拾取端的功率及諧振電容耐壓值等具體見表3.

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

通過圖5～7電氣仿真可知：非接觸供電系統新結構動態仿真逆變器輸出電壓電流、拾取裝置輸出電壓電流、負載電流、負載電壓波形良好，系統穩定.拾取端電壓、電流、功率均滿足設計要求.

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

根據技術方案以及提出的發射端無磁芯，拾取側類似雙U型結構，開發拾取裝置、地面發生單元等主要子系統產品實物如圖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 負載電壓波形Fig.7 Load voltage waveform

圖8 主要子系統產品開發——拾取裝置Fig.8 Main subsystem product development—pickup device

圖9 主要子系統產品開發——地面發射單元Fig.9 Main subsystem product development—transmission unit on ground

搭建地面試驗驗證平臺，開展主要子系統部件的功能、型式試驗驗證及系統驗證.在地面試驗驗證、方案優化基礎上完成系統各部件的生產，開展系統聯調聯試.

3 試驗驗證

3.1 電氣性能參數（EMC）測試

針對所開發的磁浮樣車150 kW非接觸供電系統，進行了磁浮樣車靜置、懸浮、動態運行狀態下IPS調試和性能測試.IPS單組拾取裝置接收功率超過5.0 kW、持續輸出總功率最大128.7 kW高于預期的109.0 kW（發射/拾取未對中，根據設計及測試結果，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

根據測試結果折算，整個IPS系統傳輸功率約176.0 kW.通過試驗數據（見表4）可以說明：發射端多匝線圈且無磁芯，拾取側類似雙U型結構具有較好的耦合性，傳輸效率也較高.表4中，FV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中可以得出結論：拾取裝置輸出電壓和電流滿足技術要求.IPS的系統效率（DC-DC）為所有拾取裝置接收功率之和除以8個單元變流器的有功功率之和，根據上述內容和測試數據可得DCDC效率為92.4%.

3.2 電磁兼容性（EMC）測試

IPS發射軌道長約50 m，分為8個單元，測試過程中，逐一選擇各個供電單元進行磁通密度，測點位置按照EN50500設置.測試結果表明：所有8個發射單元發射電纜、拾取裝置等關鍵設備區域磁通密度滿足EN50500標準要求，部分結果如下：

1） 發射線圈區域

發射線圈左端（FV區域）測點數據：水平距離0.3 m，高度0.9 m測點，測試結果如圖11.由圖可知：此區域在空載和加載兩種條件下的磁通密度測試結果基本一致，且在20.0 kHz頻率處最大磁通密度達到 2.35 μT，遠小于標準限值 6.25 μT.說明磁通密度主要取決于發射線圈內的電流大小，當發射線圈內電流始終保持不變時，無論空載和加載，周圍區域內的磁通密度不變.

圖11 發射線圈左端（FV區域）磁通密度Fig.11 Magnetic flux density at left end of transmitting coil (FV region)

2） 配電柜區域

水平距離0.3 m，高度0.9 m測點，測試結果如圖12.由圖可知：此區域在空載和加載兩種條件下的磁通密度測試結果基本一致，且在20.0 kHz頻率處最大磁通密度達到0.07 μT，遠小于標準限值6.25 μT.

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

3） 站臺區域

水平距離0.3 m、高度0.9 m測點，測試結果如圖13.由圖可知：此區域在空載和加載兩種條件下的磁通密度測試結果基本一致，且在20.0 kHz頻率處最大磁通密度達到0.92 μT，遠小于標準限值6.25 μT.說明磁通密度主要取決于發射線圈內的電流大小，當發射線圈內電流始終保持不變時，無論空載和加載，周圍區域內的磁通密度不變.

圖13 站臺區域磁通密度Fig.13 Magnetic flux density in platform area

因IPS系統工作在20.0 kHz，且通過上述的測試數據圖可看出：其最接近限值的頻率為20.0 kHz.發射端無磁芯，拾取側類似雙U型結構磁通泄露少耦合性強，方案可行.

4 結 論

本項目通過大功率磁場感應非接觸供電系統關鍵技術研究，研制完成一套供電功率超過150.0 kW的磁場耦合式非接觸供電系統，提出的發射端多匝線圈無磁芯、拾取端類似雙U型耦合磁路結構可以應用于非接觸供電系統，通過列車相關系統調試及功能測試，最大傳輸功率達176.0 kW、DC-DC效率92.4%，已應用于磁浮列車樣車.

基于磁浮列車車載供電需求，繼續開展IPS系統更高功率密度拾取裝置研制以及進一步提高能效比、降低系統成本技術和方法，拓展IPS技術在軌道交通領域應用.