一种应用于轨道交通的Z型三相结构无接触供电系统
中国科学院电力电子与电气驱动重点实验室（中国科学院电工研究所）、中国科学院大学的研究人员张发聪、史黎明等，在2018年《电工技术学报》增刊1上撰文，提出一种适用于轨道交通无接触供电（WPT）系统的新型松耦合变压器结构，沿轨道敷设的一次侧发射线圈是一种三相Z型结构，首先分析了一次侧和二次侧线圈的电磁耦合作用，得到一次侧和二次侧线圈的等效互感，计算了互感模型下二次侧线圈映射到一次侧的等效阻抗。
在Maxwell中搭建了三相松耦合变压器模型，得到了一次侧线圈的电磁参数，利用PSIM分析了系统功率输出特性。结果表明提出的Z型三相松耦合变压器结构具有电磁耦合性能好、空间容错性强和系统阻抗对称的特点。
无接触供电（Wireless Power Transfer, WPT）系统以无接触形式实现电能的传输，摆脱了接触式电能传输带来的摩擦、电火花等一系列问题。近年来，随着电力电子技术、磁性材料研究和控制技术的进步，感应耦合电能传输技术得以迅速发展，在手持式设备、医疗器械、电动汽车，特别是轨道交通领域有较好的应用前景[1-4]。
WPT系统频率一般为几十kHz，由于高频下线圈电流的趋肤效应和临近效应，导线阻抗不可忽略。在动态移动式WPT应用中，需要敷设线圈的道路长度以km计，单根导线不可能完成整个系统一次侧线圈敷设。为提高系统效率，采用线圈分段形式以减小线圈阻抗[5]，或优化变流器控制策略，实现高频逆变器的软开关运行[6-8]。
电动汽车沿道路动态无线充电必须考虑由于一次侧、二次侧线圈之间位置偏移以及运行至线圈分段处互感的变化对系统的影响[9]；应用于轨道交通的WPT系统具有一次侧发射线圈沿轨道敷设的特点，其二次侧接收线圈安装在列车底部，运行时不需要考虑一次、二次侧线圈之间的位置偏移，但系统传输功率等级较高[10]。
韩国铁道科学研究院（KAIST）研制的应用于驱动高铁的1 MW无接触电能传输系统，一次侧线圈分段处理，单段一次侧线圈长度128m，二次侧采用4个并联接收线圈向负载供电[11]。中国科学院电工研究所（IEECAS）研制的200kV·A无接触供电样机，一次侧线圈做分段处理，两个二次侧接收线圈输出串联，当二次侧接收线圈运行至一次侧线圈分段处时，一次、二次侧线圈间均有互感，此时与二次侧接收线圈相对应的两个一次侧发射线圈同时供电，满足后级负载需要[12]。
上述两种情况都是采用单相结构，存在分段处一次、二次侧线圈互感波动较大的问题，导致输出电压纹波大，控制效果差，且系统效率较低。
文献[13]一次侧采用三相结构形式，一次侧线圈面积较大，以提高一次、二次侧线圈互感，减弱了电动汽车运动过程中一次、二次侧线圈位置偏移对输出的影响。该结构一次侧线圈按照三相电机绕线排布方法，在空间中建立高频行波磁场，接收线圈切割磁感线产生感应电压。文献[14]提出了紧凑型一次、二次侧三相无接触供电系统，一次、二次侧线圈尺寸一致，紧密排列，且均安装磁心。上述两种结构需要消耗大量的导线和磁心材料，不适用于轨道交通长距离供电场合。
相对于单相松耦合变压器，三相结构形式具有一次、二次侧线圈耦合系数更高、空间容错性更强、传输功率等级更高的优点，非常适用于轨道交通。因三相松耦合变压器及三相WPT系统设计难度高、控制方法复杂等原因，缺乏深入、广泛研究。
本文提出一种Z型三相松耦合变压器结构，三相一次侧线圈在空间相差120°电角度、每个三相一次侧线圈非闭合，二次侧接收线圈三个一组有序排列。提出了“线感”概念，衡量有限长导线与闭合线圈的磁耦合，分析了不同位置下一次、二次侧线圈等效互感与线感的关系，采用互感耦合模型分析了三相WPT系统的阻抗特性，在 Maxwell软件中搭建了三相松耦合变压器仿真模型，并利用得到的仿真参数在已搭建的PSIM仿真平台验证了理论分析的正确性。
图1 Z型三相松耦合变压器结构
本文提出了一种适用于轨道交通领域的Z型三相松耦合变压器结构，分析了一次、二次侧线圈之间的磁耦合作用，得到了一次、二次侧线圈的等效互感，并推导了三相WPT系统阻抗特性。结论如下：
1）不同位置下三相松耦合变压器一次、二次侧线圈线感波形为梯形波，在非阶跃区线感幅值不变，阶跃区内线感以一定斜率变化。
2）参照单相松耦合变压器阻抗分析方法，三相WPT系统每相等效阻抗相等，保证了三相系统的对称性。仿真结果证明了三相系统的可行性和分析方法的有效性。