CN115648959A - 轨道交通非接触式供电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种轨道交通非接触式供电系统，其特征在于：包括沿着车辆行驶方向设置的多段能量发射线圈和沿着车厢长度方向设置的多个能量接收线圈，所述能量发射线圈连接有能量发射电路，且所述能量发射电路由地面分段控制器控制；所述能量接收线圈连接有能量接收电路，且所述能量接收电路分别将接收的能量通过直流母线传递到储能单元，每一段能量接收线圈的两侧均设置有X方向无源为屏蔽线圈，相邻两段能量接收线圈之间还设置有Y方向无源屏蔽线圈，其中X方向为车厢长度方向，Y方向为车厢宽度方向。其效果是：利用多个线圈、多个功率变换器的组合，实现了系统传输功率的提升；利用屏蔽线圈、阻抗调节器等，实现了系统效率的提升。
Description
技术领域
本发明涉及非接触式供电技术，具体涉及一种轨道交通非接触式供电系统。
背景技术
目前的轨道交通供电系统大多采用接触式供电，主要包括接触网供电和第三轨供电。而轨道交通在近年来的不断发展，带来更高标准的运行要求和更复杂的应用场合。然而目前采取接触式供电存在诸多问题，受电弓或集电靴在使用过程中的磨损带来不可忽视的维护成本；大风、沙尘等恶劣天气导致弓网接触出现振动、离线，甚至引发电弧；在高寒覆冰等极端天气下出现刮弓、脱弓等现象的可能性也急剧增加。因此，接触式的供电方式难以满足轨道交通不断提升的发展需求，限制了轨道交通的进一步发展。
无线电能传输(Wireless Power Transfer,WPT)技术通常利用电磁感应原理将电能以非接触的方式传递到负载侧，从根本上克服传统有线电能传输方式的固有缺陷，提升了电能应用的灵活性，为解决所述供电问题提供了一种有效的解决思路。
现有针对轨道交通非接触式供电展开的研究，主要研究目标包括：车辆高速移动下，由于分段发射线圈切换频繁，如何保持系统输出的平稳性；随着轨道交通不断提升的发展需要，如何传输更高等级的功率；高速移动过程中，如何维持系统较高效率；作为重要基础设施，如何保障车辆安全行驶。然而现有研究在输出平稳性、输出功率等级、系统效率、行驶安全等方面仍然存在较多不足。
发明内容
基于上述问题，本发明的目的在于提供一种轨道交通非接触式供电系统，在提高线圈功率、减小输出波动、提高系统效率以及保障系统安全可靠运行等方面取得一定进步，促进了轨道交通非接触式供电的进一步发展。
为了实现所述目的，本发明所采用的具体技术方案如下：
一种轨道交通非接触式供电系统，其特征在于：包括沿着车辆行驶方向设置的多段能量发射线圈和沿着车厢长度方向设置的多个能量接收线圈，所述能量发射线圈连接有能量发射电路，且所述能量发射电路由地面分段控制器控制；所述能量接收线圈连接有能量接收电路，且所述能量接收电路分别将接收的能量通过直流母线传递到储能单元，每一段能量接收线圈的两侧均设置有X方向无源为屏蔽线圈，相邻两段能量接收线圈之间还设置有Y方向无源屏蔽线圈，其中X方向为车厢长度方向，Y方向为车厢宽度方向。无源屏蔽线圈在X向和Y向能够有效地减少线圈磁场在车体、钢轨等金属环境中的泄露，同时对接收线圈的电磁干扰起到明显地抑制作用，可减少接收线圈磁场对于车体等金属部件的影响，对于提高系统效率，保障系统可靠运行以及减小对周围环境影响发挥了重要作用。
可选地，相邻两段能量发射线圈的过渡区域采用重叠式设置，所述能量发射电路中设置有混合式补偿拓扑网络，所述混合式补偿拓扑网络通过开关切换实现电感补偿或/和电容补偿。重叠式线圈可以减小耦合机构之间的互感波动，混合式补偿拓扑设计能够根据不同输出需求对应选择最优补偿拓扑，利用该补偿拓扑实现系统的恒定输出，从而减小系统的输出波动，提高输出平稳性。
考虑到轨道交通车辆由于载重变化或者移动引起的线圈自感、互感变化，进而导致系统谐振点漂移，使得系统失谐，增加电源所需容量，降低系统传输效率。为了解决这个问题，所述能量发射线圈上连接有发射端参数识别器和动态调谐器，所述发射端参数识别器所识别的参数包括电压与电流相位或/和输出电压或/和输出电流，所述动态调谐器所调整的参数包括谐振频率或/和可变电容或/和可变电感。本发明引入参数识别器识别系统的参数变化，并配合动态调谐模块使得系统始终工作在谐振状态，从而提高系统效率。
可选地，所述能量发射电路中设置有多个逆变器和一个环流抑制器，所述地面分段控制器根据车辆位置控制对应能量发射线圈的多个逆变器产生高频交流电，且在环流抑制器的作用下并联通入对应能量发射线圈中产生高频磁场，通过能量发射线圈和能量接收线圈之间的电磁耦合实现能量传递。
基于上述设计，地面部分逆变电源由多个逆变器通过一个环流抑制器实现并联；可以实现各个逆变器所在回路的均流，避免环流带来的功率损耗，提高效率的同时保障系统可靠运行；在环流得到抑制的基础上，多个逆变器并联可以提高能量发射线圈的输出功率。
可选地，所述地面分段控制器通过无线通信模块与车载总控制器连接，用于获取车辆位置信息。车载总控制器通过无线通信的方式与地面分段控制器进行位置通信。该位置通信用于确定列车行驶位置对应的目标发射装置，在接收到列车的位置信号后，控制目标发射装置进行工作；当检测到列车驶入一个发射装置的工作范围内时，控制该发射装置向列车传递能量，当检测到列车驶离一个发射装置时，控制该发射装置停止能量传递。
可选地，所述能量发射线圈上连接有异物检测器，将异物检测器应用在轨道交通非接触式供电系统中，确保系统参数不受影响，保障系统稳定运行，同时避免异物给车辆带来的安全问题。
可选地，所述能量接收线圈为重叠式线圈，且在所述能量接收电路中设置有用于保证线圈之间没有交叉耦合的解耦器，用于提高功率密度。
可选地，所述解耦器采用解耦变压器或基于补偿电容参数设计的解耦方法实现。
可选地，所述能量接收电路中还设置有阻抗调节器、接收端补偿网络、接收端参数识别器、整流器和DC/DC变换器，所述阻抗调节器中配置有可变电感或/和可变电容，接收端补偿网络用于降低无功和容量需求，由于车辆对于无线电能传输系统而言等效为一个不断变化的负载，而无线电能传输系统存在一个最优工作负载，为了提升系统效率，通过参数识别器实时识别系统参数，通过阻抗调节器改变系统等效负载，使其为系统最优负载，从而提升系统性能。
可选地，所述能量接收电路由车载总控制器控制，车载部分的能量接收装置由车载总控制器进行控制，高频磁场经过电磁耦合将能量传输到车载部分的能量接收线圈；在能量接收线圈周围，安装有X向和Y向的无源屏蔽线圈；传递到接收线圈上的交流形式能量经过整流器后转换成直流电，再经过DC/DC变换器进行电压等级调节后并联于车辆直流母线，最后由储能装置支撑实现能量收集和储备。
本发明的效果是：
(1)本发明在发射端逆变电源采取多个逆变器通过一个环流抑制器实现并联，在接收端采取重叠式线圈结合解耦器的方法，避免了多个逆变器并联或多个线圈并联所带来的环流问题，明显提高了系统功率等级。
(2)在发射端采取重叠式线圈与混合式补偿拓扑相结合的方法，减小了互感波动对系统输出功率的影响，从而提高了输出的平稳性。
(3)在发射端采取参数辨识器和动态调谐模块，在接收端线圈与阻抗调节器、参数辨识器以及补偿电路相连，实现对关键谐振参数的识别和自适应调节，保证车辆移动中系统接近最优工作状态，从而提高系统效率。
(4)系统引入异物检测器和无源屏蔽线圈，减少无线供电系统与金属环境的耦合，减少系统产生的涡流损耗，提高系统效率，保障车辆行驶过程中的安全性和稳定性，同时减小对周围环境的干扰。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明具体实施例提供的轨道交通非接触式供电系统示意图；
图2为图1中能量发射电路原理图；
图3为逆变电源多逆变器并联和混合补偿拓扑示意图；
图4为补偿拓扑谐振网络的阻抗特性示意图；
图5为本发明具体实施例中动态自适应调谐实现方法示意图；
图6为本发明具体实施例中动态自适应调谐控制流程图；
图7为利用变压器解耦的实现原理示意图；
图8为基于补偿电容参数设计实现解耦的结构示意图；
图9为图1中能量接收电路原理图；
图10为阻抗调节实现电路结构示意图；
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
如图1所示，本实施例提供了一种轨道交通非接触式供电系统，能量发射端中的多段能量发射线圈沿着车辆行驶方向设置，具体实施时可以根据轨道交通铺设轨道的路径沿着地面设置或埋设于地下，相邻两段能量发射线圈的过渡区域采用重叠式设置，能量发射线圈连接有能量发射电路，且由地面分段控制器控制，在地面分段控制器上配置有无线通信模块，在能量发射线圈上连接有发射端参数识别器、动态调谐器和异物检测器；
能量接收端中的多个能量接收线圈沿着车厢长度方向设置，能量接收线圈连接有能量接收电路，且所述能量接收电路分别将接收的能量通过直流母线传递到储能单元，每一段能量接收线圈的两侧均设置有X方向无源为屏蔽线圈，相邻两段能量接收线圈之间还设置有Y方向无源屏蔽线圈，其中X方向为车厢长度方向，Y方向为车厢宽度方向，能量接收电路由车载总控制器控制，在车载总控制器上也连接有无线通信模块。
为了实现列车的正常行驶，应保证列车在到达任一行驶位置时，列车上的接收装置都可以接收到高频磁场。因此，本发明采用车载总控制器通过无线通信的方式与地面分段控制器进行位置通信的方案。该位置通信用于确定列车行驶位置对应的目标发射装置，在接收到列车的位置信号后，控制目标发射装置进行工作；当检测到列车驶入一个发射装置的工作范围内时，控制该发射装置向列车传递能量，当检测到列车驶离一个发射装置时，控制该发射装置停止能量传递，从而实现列车的正常供电。
结合图2和图3可以看出，具体实施时，能量发射电路中设置有混合式补偿拓扑网络，所述混合式补偿拓扑网络通过开关切换实现电感补偿或/和电容补偿。在所述能量发射电路中还设置有多个逆变器和一个环流抑制器，地面分段控制器根据车辆位置控制对应能量发射线圈的多个逆变器产生高频交流电，且在环流抑制器的作用下并联通入对应能量发射线圈中产生高频磁场，通过能量发射线圈和能量接收线圈之间的电磁耦合实现能量传递。
结合图4可以看出，通过检测逆变器输出电压和电流的相位，可以判断此时谐振网络处于阻性、感性或容性。即电压与电流相位相同时为阻性，电压相位超前电流时为感性，电压相位滞后电流时为容性，进而反映出谐振网络的变化情况。因此，具体实施时，所发射端参数识别器所识别的参数包括电压与电流相位或/和输出电压或/和输出电流，所述动态调谐器所调整的参数包括谐振频率或/和可变电容或/和可变电感。以S-S(Series-Series)拓扑为例，在识别到谐振网络的工作状态时，可以通过动态调谐模块进行自适应调整。本发明实施例提供了几种可行的动态调谐方法，包括引入可变电感、可变电容以及调整发射端逆变器工作频率等方法。具体可以参考图5所示，通过调整可变电感、可变电容或者逆变器工作频率，补偿网络始终满足谐振条件，系统工作在谐振点下。结合图6可以看出，通过调整逆变器的频率对参数进行调整，即在参数识别到的阻性、感性或容性的基础上，对应调整频率保持不变、减小频率或增大频率。从而实现系统始终工作在谐振点，提高系统性能。
具体实施时，系统参数变化主要由轨道交通车辆载重变化所引起的，因此在每个站点停靠完成上下旅客并后，系统控制发射端参数识别器进行一次参数检测，且通过动态调谐器实现参数调整，直至维持到下一站点。
针对接收端而言，所述能量接收线圈为重叠式线圈，且在所述能量接收电路中设置有用于保证线圈之间没有交叉耦合的解耦器。同侧线圈间的交叉耦合导致非接触供电系统回路产生额外的感应电压，感应电压的大小/幅值受多个交叉耦合线圈中电流和耦合程度影响，不仅改变电压电流关系引入大量无功功率，并且会严重降低系统传输效率。因此，为避免同侧线圈之间的相互干扰，保证多个能量传输通道相对独立，使系统获得良好的传输功率和效率，需要对这些同侧线圈进行解耦设计。
结合图7和图8可以看出，所述解耦器可以采用解耦变压器或基于补偿电容参数设计的解耦方法实现。
图7中在发射侧与接收侧各串入一个解耦变压器，利用变压器产生相反的感应电压可抵消同侧耦合互感产生的感应电压，在非堆叠式耦合机构的情况下亦可实现解耦，图7中(a)为解耦变压器的连接关系图，(b)为解耦变压器的结构示意图。
此外，图8中也给出了一种基于补偿电容参数设计的解耦方法。当同侧线圈数量过多时，交叉耦合无法避免，利用电容参数设计抵消交叉耦合带来的额外感应电压，可实现多个线圈之间解耦。根据是否共用元件，基于补偿电容参数设计的解耦方法可以分为共用元件的补偿以及独立元件的补偿，图8所示为共用元件的补偿电容，从元器件数量方面考虑，有助于节约元器件。实际应用应当从现场条件出发，考虑系统特性，元器件的应力、不同规格元器件成本等因素，综合选择最优的补偿方式。
结合图9和图10可以看出，具体实施时，能量接收电路中还设置有阻抗调节器、接收端补偿网络、接收端参数识别器、整流器和DC/DC变换器，所述阻抗调节器中配置有可变电感或/和可变电容。
补偿拓扑用于降低无功和容量需求，由于车辆对于无线电能传输系统而言等效为一个不断变化的负载，而无线电能传输系统存在一个最优工作负载，为了提升系统效率，通过参数识别器实时识别系统参数，通过阻抗调节器改变系统等效负载，使其为系统最优负载，从而提升系统性能。
本发明实施例以S-S补偿网络为例，在补偿网络中串联可变电感或可变电容，可以调节系统阻抗，从而使系统工作在最优负载模式下，提高系统性能。
此外，车载部分的接收线圈周围安装有X向和Y向的无源屏蔽线圈。无源屏蔽线圈在X向和Y向有效减少了线圈磁场在车体、钢轨等金属环境中的泄露，降低无线传能系统与金属环境的耦合，能够显著提高系统效率，同时对接收线圈的电磁干扰起到有效地抑制作用，对于保障系统可靠运行、提高通信可靠性以及减小对周围环境影响发挥了重要作用。
可以理解地，车载部分接收线圈通过电磁耦合接收到的交流形式能量通过整流器转换成直流电后，经过DC/DC变换器调节电压等级后并联于车辆直流母线。
本发明的发射装置和接收装置可采用图3的电路结构，本发明在此不做特别的限定。针对单条无线电能传输支路的能量传输过程而言，直流电压经过多逆变器并联产生交流电压，经过混合补偿网络将能量传输到接收端，接收端电压经过整流、DC-DC后连接到直流母线上。图3中，高频逆变电源包括由多个全控H桥电路组成，全控H桥电路的开关器件可以根据实际应用场景的需要选用IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor,绝缘栅双极型晶体管)或MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect-Transistor,金属-氧化物半导体场效应晶体管)；本发明以一种混合补偿拓扑为例进行介绍，包括一个电感Lx，一个电容Cp及三个开关器件S1、S2、S3组成。当S2导通，S1、S3关断时，系统为S-S补偿拓扑，输出表现为恒流特性。而当S2关断，S1、S3导通时，系统工作在P-S(Parallel-Series)补偿拓扑下，输出表现为恒压特性。通过实时控制开关器件的通断，可以控制混合补偿拓扑工作在不同的结构下，从而能够根据实际需求实现不同的系统性能。
最后需要说明的是，以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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，或者对其中部分或者全部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范围，这样的变换均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。
Claims (10)
1.一种轨道交通非接触式供电系统，其特征在于：包括沿着车辆行驶方向设置的多段能量发射线圈和沿着车厢长度方向设置的多个能量接收线圈，所述能量发射线圈连接有能量发射电路，且所述能量发射电路由地面分段控制器控制；所述能量接收线圈连接有能量接收电路，且所述能量接收电路分别将接收的能量通过直流母线传递到储能单元，每一段能量接收线圈的两侧均设置有X方向无源为屏蔽线圈，相邻两段能量接收线圈之间还设置有Y方向无源屏蔽线圈，其中X方向为车厢长度方向，Y方向为车厢宽度方向。
2.根据权利要求1所述的轨道交通非接触式供电系统，其特征在于：相邻两段能量发射线圈的过渡区域采用重叠式设置，所述能量发射电路中设置有混合式补偿拓扑网络，所述混合式补偿拓扑网络通过开关切换实现电感补偿或/和电容补偿。
3.根据权利要求2所述的轨道交通非接触式供电系统，其特征在于：所述能量发射线圈上连接有发射端参数识别器和动态调谐器，所述发射端参数识别器所识别的参数包括电压与电流相位或/和输出电压或/和输出电流，所述动态调谐器所调整的参数包括谐振频率或/和可变电容或/和可变电感。
4.根据权利要求2所述的轨道交通非接触式供电系统，其特征在于：所述能量发射电路中设置有多个逆变器和一个环流抑制器，所述地面分段控制器根据车辆位置控制对应能量发射线圈的多个逆变器产生高频交流电，且在环流抑制器的作用下并联通入对应能量发射线圈中产生高频磁场，通过能量发射线圈和能量接收线圈之间的电磁耦合实现能量传递。
5.根据权利要求4所述的轨道交通非接触式供电系统，其特征在于：所述地面分段控制器通过无线通信模块与车载总控制器连接，用于获取车辆位置信息。
6.根据权利要求1-5任一所述的轨道交通非接触式供电系统，其特征在于：所述能量发射线圈上连接有异物检测器。
7.根据权利要求1-5任一所述的轨道交通非接触式供电系统，其特征在于：所述能量接收线圈为重叠式线圈，且在所述能量接收电路中设置有用于保证线圈之间没有交叉耦合的解耦器。
8.根据权利要求7所述的轨道交通非接触式供电系统，其特征在于：所述解耦器采用解耦变压器或基于补偿电容参数设计的解耦方法实现。
9.根据权利要求7所述的轨道交通非接触式供电系统，其特征在于：所述能量接收电路中还设置有阻抗调节器、接收端补偿网络、接收端参数识别器、整流器和DC/DC变换器，所述阻抗调节器中配置有可变电感或/和可变电容。
10.根据权利要求9所述的轨道交通非接触式供电系统，其特征在于：所述能量接收电路由车载总控制器控制。
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