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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(guó)最重要的交通運(yùn)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(wǎng)或第三軌供電等。但隨著列車提速和應(yīng)用場(chǎng)景的拓寬，傳統(tǒng)接觸式供電開始顯現(xiàn)出諸多限制。

滑動(dòng)接觸在高速運(yùn)行狀態(tài)下的安全性、穩(wěn)定性以及制造精度等問題，是限制車速提升的一個(gè)重要因素；受電弓或集電靴的日常磨損導(dǎo)致其維護(hù)成本增加；大風(fēng)、沙塵天氣會(huì)導(dǎo)致弓網(wǎng)接觸出現(xiàn)振動(dòng)、離線，進(jìn)而引發(fā)電?。辉诟吆脖葠毫犹鞖庀逻€容易產(chǎn)生刮弓、脫弓等事故。

無線電能傳輸（Wireless Power Transfer, WPT）技術(shù)在近年來得到了極其迅猛的發(fā)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(chǔ)趨于成熟，相關(guān)應(yīng)用研究得以迅速開展。具體到電氣化交通領(lǐng)域，面向電動(dòng)汽車的無線充電技術(shù)已邁入實(shí)用化階段，其在便利性、安全性、緊湊性等方面都展現(xiàn)出了明顯的優(yōu)勢(shì)。而將WPT應(yīng)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(hù)成本、放寬供電系統(tǒng)對(duì)車速的限制，是我國(guó)軌道交通發(fā)展的重要推動(dòng)力。

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

（1）功率遠(yuǎn)超當(dāng)前WPT研究的主流等級(jí)。一般來說，列車所需功率可達(dá)數(shù)百kW至MW等級(jí)，與當(dāng)前電動(dòng)汽車無線充電領(lǐng)域數(shù)kW至數(shù)十kW的主流功率等級(jí)存在較大技術(shù)跨度。這對(duì)系統(tǒng)中高頻電能變換、磁耦合機(jī)構(gòu)乃至整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)等方面均帶來了巨大挑戰(zhàn)。

（2）軌道限制所帶來的準(zhǔn)一維運(yùn)動(dòng)模式，使其磁耦合機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路與常規(guī)電動(dòng)汽車不盡相同，而大功率的需求也進(jìn)一步加劇了磁耦合機(jī)構(gòu)功率密度、電磁兼容性、絕緣散熱等方面的設(shè)計(jì)難度。

（3）列車功率大、尺寸長(zhǎng)，適合采用模塊化組合供電方式，對(duì)應(yīng)到無線傳輸架構(gòu)上也將出現(xiàn)多發(fā)射多接收架構(gòu)，并且還需應(yīng)對(duì)與電動(dòng)汽車動(dòng)態(tài)充電類似的分段切換問題。這些都將導(dǎo)致系統(tǒng)階數(shù)和復(fù)雜度劇增，系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)和控制難度增加。

鑒于此，WPT技術(shù)由當(dāng)前電動(dòng)汽車應(yīng)用跨入軌道交通領(lǐng)域存在多方面的技術(shù)臺(tái)階。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外已有若干研究機(jī)構(gòu)正致力于攻克這一臺(tái)階，包括韓國(guó)鐵道研究院、奧克蘭大學(xué)、西南交通大學(xué)、中科院電工所、天津工業(yè)大學(xué)、湖南大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、清華大學(xué)等，均取得了許多有價(jià)值的理論與技術(shù)成果，但整體而言，技術(shù)成熟度仍然不高，尤其在實(shí)際裝置層面，具有代表性的大功率實(shí)現(xiàn)案例屈指可數(shù)。

此處將文獻(xiàn)中公開發(fā)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(guó)際方面，目前已報(bào)道的最高功率等級(jí)WPT系統(tǒng)即應(yīng)用于軌道交通領(lǐng)域，為韓國(guó)鐵道研究院（Korea Railroad Research Institute, KRRI）在2015年發(fā)表的高鐵動(dòng)態(tài)無線供電系統(tǒng)，實(shí)測(cè)輸出功率為818kW，系統(tǒng)效率82.7%，并且在型號(hào)為HEMU◆ 430x的高鐵上進(jìn)行了10km/h車速的實(shí)車實(shí)驗(yàn)，如圖1a所示。此項(xiàng)研究在功率等級(jí)方面具有開創(chuàng)性意義，但其在控制性能、系統(tǒng)效率等方面仍有較大的改善空間。

龐巴迪（Bombardier）公司的PRIMOVE系統(tǒng)也是大功率WPT應(yīng)用的一個(gè)典型案例，其采用單個(gè)100kW的接收單元模塊，可組合為100～500kW的充電/供電系統(tǒng)，應(yīng)用于從小型乘用車到電動(dòng)大巴，乃至公共軌道交通的各類電動(dòng)車輛，如圖1b所示。但受商業(yè)保密限制，其相關(guān)技術(shù)細(xì)節(jié)未見發(fā)表，且自2012年之后，就未曾有更進(jìn)一步的信息披露。

德國(guó)Conductix-Wampfler公司（現(xiàn)IPT Technology）亦致力于軌道運(yùn)行裝置的WPT技術(shù)，并將其應(yīng)用于工業(yè)、物流等行業(yè)。在軌道交通領(lǐng)域，此前有報(bào)道其搭建了系統(tǒng)總功率為150kW的軌道車試驗(yàn)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(xì)的報(bào)道。

國(guó)內(nèi)方面，此前學(xué)術(shù)文獻(xiàn)中已公開發(fā)表的百千瓦以上裝置僅兩例，分別為湖南大學(xué)的非接觸牽引供電系統(tǒng)，如圖1c所示，設(shè)計(jì)功率150kW，實(shí)際輸出功率約136kW，系統(tǒng)效率91.6%；西南交通大學(xué)的非接觸供電軌道車模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖1d所示，功率等級(jí)100kW，系統(tǒng)效率約85%。此外中科院電工所曾報(bào)道了一套設(shè)計(jì)功率為200kV·A的軌道交通非接觸供電樣機(jī)，但其文獻(xiàn)記載的運(yùn)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(lǐng)域，當(dāng)前國(guó)外研究相對(duì)領(lǐng)先，但其大功率實(shí)現(xiàn)案例依然不多，且大都有產(chǎn)業(yè)界深度參與，存在技術(shù)保密問題，系統(tǒng)性能亦有待提升；而國(guó)內(nèi)方面則仍處于起步階段且以原理性研究居多，但其發(fā)展勢(shì)頭不可忽視。

表1 各團(tuán)隊(duì)實(shí)際裝置對(duì)比

總體而言，無線電能傳輸（WPT）技術(shù)應(yīng)用于軌道交通領(lǐng)域，可解決傳統(tǒng)接觸式供電在安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性等方面的問題。但相比于當(dāng)前主流WPT研究，該應(yīng)用場(chǎng)景所涉及的功率大、系統(tǒng)復(fù)雜、實(shí)現(xiàn)難度較高，且在運(yùn)動(dòng)、機(jī)械等方面亦具有自身特征，存在諸多關(guān)鍵技術(shù)問題有待解決。該領(lǐng)域的功率等級(jí)、系統(tǒng)效率和技術(shù)成熟度都遠(yuǎn)未達(dá)到實(shí)用化水平，尚需持續(xù)性的研究攻關(guān)。

電力系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備安全控制和仿真國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（清華大學(xué)電機(jī)系）的研究人員陳凱楠、蔣燁、檀添、林秋瓊、李劍超、趙爭(zhēng)鳴，從拓?fù)浼軜?gòu)、磁耦合機(jī)構(gòu)、系統(tǒng)建模與參數(shù)優(yōu)化、控制策略等方面對(duì)其開展研究，取得了若干階段性成果，并基于此研發(fā)350kW軌道交通無線充電系統(tǒng)樣機(jī)，其在額定輸出功率下的系統(tǒng)效率可達(dá)94.3%，最高效率達(dá)95.4%。樣機(jī)在功率傳輸能力、系統(tǒng)效率、輸出特性等方面均取得了較好的效果。尤其在系統(tǒng)效率方面與同類裝置相比表現(xiàn)突出。

圖2 軌道交通WPT拓?fù)浞桨?/p>

圖3 磁耦合機(jī)構(gòu)安裝方式示例

研究團(tuán)隊(duì)以350kW軌道交通無線充電系統(tǒng)樣機(jī)為例，對(duì)大功率軌道交通WPT的關(guān)鍵技術(shù)和實(shí)現(xiàn)方案進(jìn)行了闡述和探討，旨在為軌道交通WPT技術(shù)的具體實(shí)現(xiàn)提供助力，并為其他大功率應(yīng)用場(chǎng)景的WPT技術(shù)研究提供啟發(fā)和參考，相關(guān)內(nèi)容已發(fā)表在2022年第10期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》。

圖4 多參數(shù)多目標(biāo)優(yōu)化流程

圖5 系統(tǒng)樣機(jī)

本文編自2022年第10期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“軌道交通350kW大功率無線電能傳輸系統(tǒng)研究”。本課題得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)—中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司高速鐵路基礎(chǔ)研究聯(lián)合基金資助項(xiàng)目的支持。