- 頭條科研簡報：大功率軌道交通無線充電技術的研究進展2022-09-13 作者：陳凱楠、蔣燁 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語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）的研究人員陳凱楠、蔣燁、檀添、林秋瓊、李劍超、趙爭鳴，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，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%。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。尤其在系統效率方面與同類裝置相比表現突出。
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。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。
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。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。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，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，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。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。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。
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，設計功率150kW，實際輸出功率約136kW，系統效率91.6%；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，功率等級100kW，系統效率約85%。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，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。
表1 各團隊實際裝置對比
總體而言，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。
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）的研究人員陳凱楠、蔣燁、檀添、林秋瓊、李劍超、趙爭鳴，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，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%。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。尤其在系統效率方面與同類裝置相比表現突出。
圖2 軌道交通WPT拓撲方案
圖3 磁耦合機構安裝方式示例
研究團隊以350kW軌道交通無線充電系統樣機為例，對大功率軌道交通WPT的關鍵技術和實現方案進行了闡述和探討，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，相關內容已發表在2022年第10期《電工技術學報》。
圖4 多參數多目標優化流程
圖5 系統樣機
本文編自2022年第10期《電工技術學報》，論文標題為“軌道交通350kW大功率無線電能傳輸系統研究”。本課題得到了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的支持。
