CN110138101A - 一种应用于轨道交通的无线供电系统电路拓扑 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种应用于轨道交通的无线供电系统电路拓扑，所述无线供电系统电路拓扑包括：高压整流模块、发射端直流母线、高频逆变模块、磁耦合发射机构和接收模块；所述高压整流模块的输入端为高压三相交流电网，其输出端通过发射端直流母线与高频逆变模块相连；所述高频逆变模块包含若干个发射端子模块和一个原边谐振电容Cp，其并联输出后与磁耦合发射机构相连；所述接收模块由若干个接收端子模块以及同等数量的磁耦合接收机构组成，接收端子模块交错并联输出，为车载储能系统供电。

Description

一种应用于轨道交通的无线供电系统电路拓扑
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，特别是涉及应用于轨道交通的无线供电系统电路拓扑。
背景技术
轨道交通包含了高铁、地铁、轻轨、有轨电车、磁悬浮列车等多种形式，其供电方式目前大都采用接触式供电，例如架空线路与受电弓供电，或第三轨供电等。但随着车辆的提速和应用场景的拓宽，传统接触式供电越发地显现出诸多限制。滑动接触本身由于安全、稳定性、制造精度等方面的考虑，直接限制了车速的提升；受电弓或集电靴的日常磨损导致了其维护成本增加；此外，受电弓方案在大风、沙尘天气会导致弓网接触出现振动、离线，进而引发电弧；在高寒覆冰等恶劣天气下还容易产生刮弓、脱弓等事故；更进一步，在磁悬浮列车，尤其是中低速磁悬浮列车中，目前也仍采用接触轨供电，这显然直接违背了磁悬浮的初衷，限制了其速度和运行性能。
另一方面，随着无线电能传输理论和技术的发展，其在消费类电子产品、电动汽车充电、医疗设备等领域的应用也日渐广泛。若将其应用于轨道交通的供电系统中，将有效解决上述诸多问题，提升供电系统的安全性、稳定性，并可显著降低维护成本。但轨道交通应用区别于现有各类无线电能传输应用领域的特征之一在于，其功率等级通常较高，可达MW量级，而目前尚缺乏针对这一功率等级的成熟的无线供电方案。
因此希望有一种应用于轨道交通的无线供电系统电路拓扑解决现有技术中存在的问题。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种应用于轨道交通的无线供电系统电路拓扑，通过高频变换器和谐振拓扑的模块化组合，降低了大功率无线供电系统中单个子模块的实现难度，并解决了子模块并联的环流问题以及并联结构与谐振网络的匹配问题，同时针对轨道交通应用的特点，所提电路拓扑可满足一对多、移动式的无线供电需求。
本发明公开了一种应用于轨道交通的无线供电系统电路拓扑，所述无线供电系统电路拓扑包括：高压整流模块、发射端直流母线、高频逆变模块、磁耦合发射机构和接收模块；所述高压整流模块的输入端为高压三相交流电网，其输出端通过发射端直流母线与高频逆变模块相连；所述高频逆变模块包含若干个发射端子模块和一个原边谐振电容Cp，其并联输出后与磁耦合发射机构相连；所述接收模块由若干个接收端子模块以及同等数量的磁耦合接收机构组成，接收端子模块交错并联输出，为车载储能系统供电。
优选地,所述电路拓扑采用LCL-S一对多谐振网络，其中原边补偿电感Lf由各个发射端子模块中的输出电感Lfi并联等效而成。
优选地,所述发射端子模块采用二极管钳位式三电平全桥拓扑，其输出端串联所述输出电感Lfi。
优选地，所述接收端子模块包括：副边谐振电容Cs、二极管整流桥、滤波环节和DCDC电路；所述滤波环节采用单个电容滤波或电感电容二阶滤波；所述DCDC电路由若干个Buck电路并联而成。
优选地,所述副边谐振电容Cs在所述每个接收端子模块中拆分为2个，分别串入所述接收端子模块的两个输入端。
本发明提出的一种应用于轨道交通的无线供电系统电路拓扑，其有益效果为：
1、本发明在发射端和接收端的高频变换环节均采用了子模块并联的结构，解决了因功率器件限制而难以实现单个高频大功率模块的问题。
2、本发明将LCL-S谐振拓扑中的原边补偿电感Lf拆分为各个发射端子模块的输出电感，在保证磁耦合谐振式无线电能传输效果的同时，又解决了发射端子模块并联结构的环流问题。
3、本发明的发射端子模块采用了三电平全桥拓扑，有利于提高发射端直流母线电压，降低发射线圈及高频逆变模块的工作电流，进而降低系统损耗。
4、本发明采用多个接收端子模块中的多个Buck电路交错并联的方案，在Buck电路电感感值相同的情况下，有效降低了输出电流纹波。
附图说明
图1是本发明应用于轨道交通的无线供电系统电路拓扑结构示意图。
图2是本发明发射端子模块电路拓扑图。
图3是本发明接收端子模块电路拓扑图。
图4是本发明中涉及的磁耦合谐振式无线电能传输LCL-S谐振拓扑示意图。
图5是基于本发明所提电路拓扑的列车无线供电系统具体实施案例示意图。
具体实施方式
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明实施例的整体电路拓扑结构示意图，包含高压整流模块、发射端直流母线、高频逆变模块、磁耦合发射机构、接收模块几部分。所述高压整流模块的输入端为高压三相交流电网，通过该模块实现降压、整流和功率因数校正(PFC)功能，其输出端通过发射端直流母线与高频逆变模块相连；所述高频逆变模块包含若干个发射端子模块和发射端谐振电容，其并联输出后与磁耦合发射机构相连；所述接收模块由若干个接收端子模块以及同等数量的磁耦合接收机构组成，接收端子模块交错并联输出，为车载储能系统供电。
高压整流模块可以由工频变压器和PFC整流模块组成，亦可采用其他实现形式。
在典型应用场合中，发射端直流母线电压可取为1500V，既保证了与现有轨道交通供电电压兼容，又可为发射端磁耦合谐振网络提供较高的激励电压，从而降低其工作电流，提高系统效率。当然，根据不同应用需求，发射端直流母线电压亦可选为其他电压等级。
高频逆变模块由若干个发射端子模块和一个原边谐振电容Cp组成，其中发射端子模块的数量主要由系统功率等级和所采用的功率器件容量决定，同时参考其他工程实现需求。发射端子模块由发射端直流母线供电，完成从直流到高频交流的电能变换，其输出端与Cp并联后，与磁耦合发射机构相连。
在本实施例中，发射端子模块采用如图2所示的二极管钳位式三电平全桥拓扑，其中零电平仅作为高低电平的切换过渡状态，在尽可能保证较高的输出电压基波幅值的基础上，规避串联器件的动态均压问题。发射端子模块中的功率开关器件宜采用碳化硅(SiC)功率器件，以满足轨道交通无线供电系统中高频大功率的变换需求。
接收模块由若干个接收端子模块组成，其中每个接收端子模块由各自独立的磁耦合接收机构供电；一个接收模块中的所有接收端子模块并联输出后，为车载储能系统供电。
在本实施例中，接收端子模块由副边谐振电容、二极管整流桥、滤波环节和DCDC电路组成，如图3所示。其中副边谐振电容可拆分为两个电容串联，分别串接在接收端子模块的两个输入端口；滤波环节可采用单个电容滤波，亦可采用电感电容二阶滤波；DCDC电路由若干个Buck电路并联而成，在本实施例中，每个接收端子模块包含两个并联Buck电路。
一个接收模块中的所有Buck电路以交错并联的方式输出，以减小系统输出电流的纹波。
在本实施例中，基于磁耦合谐振式无线电能传输理论，考虑轨道交通应用中一对多，移动式的供电特点，采用如图4所示的LCL-S谐振网络。该谐振网络可保证发射线圈电流恒定，尤其适用于移动式多接收端的无线电能传输场合；此外，该谐振网络的副边输出具有恒压源特性，有利于为列车提供较为稳定的供电电压。
为结合LCL-S谐振网络和模块化组合结构的优势，将谐振网络中的原边补偿电感Lf拆分至每个发射端子模块中，作为三电平拓扑的输出电感Lfi。一方面可以解决子模块并联输出不均衡所导致的环流问题，另一方面各子模块中的Lfi并联后作为原边补偿电感，参与无线电能传输环节的谐振。因此，应保证电感值满足Lfi＝N*Lf，其中N为并联的发射端子模块的数量。
在本发明中，磁耦合发射和接收机构的形式不限，通常为根据具体应用场合优化设计的传输线圈或导轨。
在本发明中，可根据需要采用一个磁耦合发射机构为多个接收模块供电的方案。图5为一种基于本发明所提电路拓扑的列车无线供电系统具体实施案例，其磁耦合发射机构为沿列车行进方向铺设的长线圈，接收模块安装于列车顶部，每节车厢可安装两套接收模块，由同一段发射线圈供电。
综上所述，本发明所提出的无线供电系统电路拓扑，针对轨道交通无线供电应用中大功率、移动式、一对多等特点，通过模块化组合降低了单个子模块的实现难度，提高了系统配置灵活性；通过LCL-S谐振网络与发射端子模块的融合，解决了发射端子模块并联的环流问题，同时保证了移动式一对多情况下的无线电能传输性能；通过接收端子模块中Buck电路的交错并联，降低了系统输出电流纹波。
最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种应用于轨道交通的无线供电系统电路拓扑，其特征在于，所述无线供电系统电路拓扑包括：高压整流模块、发射端直流母线、高频逆变模块、磁耦合发射机构和接收模块；所述高压整流模块的输入端为高压三相交流电网，其输出端通过发射端直流母线与高频逆变模块相连；所述高频逆变模块包含若干个发射端子模块和一个原边谐振电容Cp，所述高频逆变模块并联输出后与磁耦合发射机构相连；所述接收模块由若干个接收端子模块以及同等数量的磁耦合接收机构组成，接收端子模块交错并联输出，为车载储能系统供电。
2.根据权利要求1所述的应用于轨道交通的无线供电系统电路拓扑，其特征在于：所述电路拓扑采用LCL-S一对多谐振网络，原边补偿电感Lf由各个发射端子模块中的输出电感Lfi并联等效而成。
3.根据权利要求2所述的应用于轨道交通的无线供电系统电路拓扑，其特征在于：所述发射端子模块采用二极管钳位式三电平全桥拓扑，其输出端串联所述输出电感Lfi。
4.根据权利要求3所述的应用于轨道交通的无线供电系统电路拓扑，其特征在于：所述接收端子模块包括：副边谐振电容Cs、二极管整流桥、滤波环节和DCDC电路；所述滤波环节采用单个电容滤波或电感电容二阶滤波；所述DCDC电路由若干个Buck电路并联而成。
5.根据权利要求4所述的应用于轨道交通的无线供电系统电路拓扑，其特征在于：所述副边谐振电容Cs在所述每个接收端子模块中拆分为2个，分别串入所述接收端子模块的两个输入端。
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