CN108394282A - 用于城市轨道交通非接触供电***的外部电源拓扑结构 - Google Patents

用于城市轨道交通非接触供电***的外部电源拓扑结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于城市轨道交通非接触供电***的外部电源拓扑结构，主要构成元件包括牵引变电所SS、正馈电缆A1和负馈电缆A2组成的直流配网、开关设备箱SDB和电磁发射线圈；直流配网连接到供电臂上每个开关设备箱SDB的输入端口，每个开关设备箱SDB的输出端口连接到对应的电磁发射线圈，在列车底部设置有与电磁发射线圈相匹配的车载拾取线圈。本发明能够为基于无线电能传输原理的列车供电，减少传统城市轨道交通对接触网和受电弓的依赖。

Description

用于城市轨道交通非接触供电***的外部电源拓扑结构
技术领域
本发明涉及无线电能传输(IPT)技术的城市轨道交通应用领域，具体是一种用于城市轨道交通非接触供电***的外部电源拓扑结构。
背景技术
无线电能传输技术的提出，最初是为了远距离输电。在当时的研究中，发现电磁波能量的耗散现象，随着能量传递的距离增加而显著。在近十几年，研究和应用中常采用电磁耦合式的输电方式，对较近距离(cm到m级别)的负载进行输电。输电效率可以达到85％以上，且可操作性良好，可以随时控制通断。
传统的城市轨道交通普遍采用DC***进行供电，电压等级为750V或1500V，列车通过受电弓取流，再经过钢轨回流。近几年，国内外的IPT技术日趋成熟，从小功率的手机充电到大功率的为电动车辆(EV)供电的应用皆有比较成熟的研究。在公共交通领域，国内外一些公司已经有IPT***在汽车、作业车辆的研究和应用实例，但对于城市轨道交通IPT技术的应用暂无详细研究和应用实例。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种用于城市轨道交通非接触供电***的外部电源拓扑结构，对城市轨道交通的列车进行移动式供电，满足其在多种运行工况(牵引、惰行、制动)下的受电需求，能够为基于无线电能传输原理的列车供电，减少传统城市轨道交通对接触网和受电弓的依赖。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种用于城市轨道交通非接触供电***的外部电源拓扑结构，包括若干牵引变电所SS、正馈电缆A1、负馈电缆A2、若干开关设备箱SDB和若干电磁发射线圈；
所述牵引变电所SS原边为市电接入，次边输出至正馈电缆A1，再由负馈电缆A2回流，组成直流配网；
直流配网连接到供电臂上每个开关设备箱SDB的输入端口；
开关设备箱SDB由电能变换和测控两部分组成；在电能变换部分，直流输入端、直流开关S、逆变模块INV、补偿模块COP、直流输出端依次连接；测控部分包括控制模块C、监测模块S和通信模块COM；
所述控制模块C控制电能变换电路，其控制信号包括三个：控制信号S1是控制电源侧开关的通断，正常运行时，当列车驶入电磁发射线圈工作范围内，直流开关S闭合，开始为电能变换电路供电；当内部出现故障时，直流开关S打开，保护电路元件；开关设备箱SDB不工作时，直流开关S打开；控制信号S2是控制逆变模块INV的晶闸管通断的信号；控制信号S3是调整补偿模块COP电容大小的信号；
监测模块S实时采集UI信号的相角、幅值，一方面监测电路是否正常工作，另一方面与控制模块C通信，实时调整逆变模块INV的开关频率和补偿模块COP的电容值；
通信模块COM用于将开关设备箱SDB的测控数据返回测控中心，并接收测控中心的指令，向控制模块C发送命令，指示开关设备箱SDB的工作状态；
每个开关设备箱SDB的输出端口连接到对应的电磁发射线圈，在列车底部设置有与电磁发射线圈相匹配的车载拾取线圈。
进一步的，牵引变电所SS原边为城市配电网络10kV AC电压接入，牵引变电所SS内的整流机组将原边10kV AC电压降压整流输出直流1500V或直流750V。
进一步的，在开关设备箱SDB内，直流电经过高频逆变和补偿环节转换成高频交流电，高频交流电的频率为20kHz-100kHz。
进一步的，在每个牵引变电所SS与正馈电缆A1之间串联直流开关DCS，在每个牵引变电所SS与负馈电缆A2之间串联隔离开关DS。
进一步的，所述电磁发射线圈的长度为50m。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：将电磁发射线圈敷设在车底的钢轨平面，并在列车车底加装电磁拾取线圈，此举可以取消列车与接触网相关的一系列装置(受电弓、接触线等)，简化车顶结构，优化城市景观，是未来轨道交通行业发展的新方向。此外本发明直接由牵引变电所从城市配电网络中取电，取消了主变电所，降低了城市轨道交通建设的成本。
附图说明
图1为本发明用于城市轨道交通非接触供电***的外部电源拓扑结构示意图。
图2为本发明中非接触牵引供电***的核心IPT组件安装方式及用于城市轨道交通非接触供电***的某牵引变电所SSi外部电源拓扑结构示意图。
图3为本发明中开关设备箱SDB的内部结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，图中是一条非接触供电城轨交通线路，设有若干个牵引变电所SS，牵引变电所SS原边为市电AC 10kV接入，副边为DC 1500V或DC 750V输出，相邻所之间的供电电缆相互联结，形成直流配网。在相邻牵引变电所SS之间的直流配网上，安装若干个开关设备箱SDB，将直流电能转换为高频交流电。电磁发射线圈在列车底部与钢轨间的气隙产生电磁场，列车底部的电磁拾取线圈接收电能。
牵引变电所SS需要检修时，可以将其出口处的隔离开关DS和直流开关DCS断开，使牵引变电所SS解列，由相邻变电所进行短时供电，检修结束后，再恢复运行。
图2是一种适用于城市轨道交通非接触供电***的某牵引变电所SSi外部电源拓扑结构。整个***分为地上和地下两个部分，地下部分主要功能是为开关设备箱SDB供电，地上部分主要是为列车供电。
SSi是线路上的第i个牵引变电所，采用两路AC 10kV接入，并由10kV母线将电能分别送至整流机组和降压变压器。整流机组将AC 10kV电压转换成适用于IPT***的DC 1500V或750V，连接到正馈电缆A1和负馈电缆A2上；降压变压器用于为地铁车站(照明、闸机等)和开关设备箱测控部分(通信模块、控制模块等)供电。
电缆的首端连接到牵引变电所SSi，末端连接到牵引变电所SSi+1。
开关设备箱SDB的作用是完成电压的直交转换、为电磁发射线圈提供高频交流电、监测IPT***的工作状态和控制每单元IPT***的工作。电磁发射线圈的作用是为列车提供高频电磁场，为列车接收能量创造电磁环境，完成能量的传输。
当开关设备箱SDB在工作状态下，能够为列车在车底形成稳定的电磁环境，向车载拾取线圈进行供电，满足列车的运行需求。为了让列车底部充满稳定的电磁场，并供应足够的能量，本发明的供电技术是在同一列车底部同时开通至少两个供电线圈以保证车底电磁场的均匀稳定，便于接收装置获得持续稳定的电能。
开关设备箱SDB1的1端口接正馈电缆A1，2端口接负馈电缆A2，3端口接发射线圈1的端口1，4端口接发射线圈1的端口2。
开关设备箱SDB2的1端口接正馈电缆A1，2端口接负馈电缆A2，3端口接发射线圈2的端口1，4端口接发射线圈2的端口2。
依此类推，对于牵引变电所SSi的含n个IPT发射机构的供电臂上，SDB和电磁发射线圈的安装方法为：
开关设备箱SDB2n-1的1端口接正馈电缆A1，2端口接负馈电缆A2，3端口接发射线圈1的端口1，4端口接发射线圈n-1的端口2。
开关设备箱SDB2n的1端口接正馈电缆A1，2端口接供电电缆A2，3端口接发射线圈2的端口1，4端口接发射线圈n的端口2。
下面结合图2说明本发明的控制方法。
图2中每个供电线圈长度约为50m。设列车长度100m，易知列车最多可以覆盖3个供电线圈。设起始时列车尾部位于第k(k<n)个线圈上，所有线圈均在停止工作状态，列车在图2上向右行驶。
步骤1：当列车位于图2中电能发射线圈k、k+1所在的钢轨上时。列车位置检测装置此时测得列车与电能发射线圈k、k+1的位置最近，则与附近的开关设备箱SDBk-1、SDBk、SDBk+1、SDBk+2进行通信，指示上述开关设备箱闭合控制开关，使开关设备箱开始工作，输出高频信号，为列车供电；
步骤2：当列车前进到电能发射线圈k、k+1、k+2所在的钢轨上时。列车位置检测装置与SDBk、SDBk+1、SDBk+2进行通信，指示其继续工作；与SDBk+3进行通信，指示其开始工作；与SDBk-1通信，指示其停止工作。进行通信过程类似步骤1；
步骤3：列车继续前进，到电能发射线圈k+2、k+3上所在的钢轨上。列车位置检测装置与SDBk+1、SDBk+2、SDBk+3进行通信，指示其继续工作；与SDBk+4进行通信，指示其开始工作；与SDBk通信，指示其停止工作。进行通信过程类似步骤1；
步骤4：依次类推，列车继续行进，直到行进到该线路的末端SDB2n-1、SDB2n。此时需要与下一段供电区间的开关设备箱SDB进行通信，继续供电，以保持列车的行进状态。操作过程和通信过程类似于前述步骤。
图3为本发明中开关设备箱SDB的内部结构示意图。
输入端口I、输出端口O的数字标识1、2、3、4与图2中的开关设备箱SDB输入输出端口1、2、3、4对应。
开关设备箱SDB的主体部分由电能变换和测控两部分组成，形成闭环控制***。电能变换电路采用直流输入，因此可以直接进行逆变。将1500V输入转换成高频输出。高频频率f的确定方式为：考虑到电路的实际电感参数L不是恒定的，为稳定谐振频率，在逆变模块INV的输出端串接一个补偿模块COP。通过调整电容器大小，将电路输出稳定在谐振频率f。
控制电路主要由控制模块C、监测模块S和通信模块COM组成。
通过控制模块C来控制电能变换电路。主要控制信号有三个。控制信号S1是控制电源侧直流开关S的通断。正常运行时，当列车驶入线圈工作范围内，开关闭合，开始为电能变换电路供电；当内部出现故障时，直流开关S打开，保护电路元件；开关设备箱SDB不工作时，直流开关S打开；控制信号S2是控制逆变模块INV的晶闸管通断的信号，主要是控制晶闸管的触发角。控制信号S3是调整补偿模块COP电容大小的信号。
检测模块S实时采集UI信号的相角、幅值，一方面监测电路是否正常工作，另一方面与控制模块C通信，实时调整逆变模块INV的开关频率和补偿模块COP的电容值。
通信模块COM负责将开关设备箱SDB的测控数据返回测控中心，并接收测控中心的指令，向控制模块C发送命令，指示开关设备箱SDB的工作状态。
在实际应用中，由于开关设备寿命有限，为了延长开关设备(尤其是开关设备箱SDB整流、逆变电路中晶闸管)的使用时间，本发明使用一种新型技术，检测列车位置并控制开关设备箱SDB工作状态，当列车经过供电线圈的范围时，通过控制晶闸管导通，开通开关设备箱SDB为线圈供电，当列车不在供电范围内时，自动关闭开关设备箱SDB。此举亦能减少供电线路空载时所带设备，降低***空载损耗。
开关设备箱SDB和电磁发射线圈无备用。开关设备箱SDB无备用的主要原因是其成本较高，且单个开关设备箱SDB故障后，不会对列车造成显著影响，只有当多个连续开关设备箱SDB同时故障，形成一段无电区后才会使得列车失电，无法正常运行，但此种事故发生概率很小，工程上不考虑。电磁发射线圈无备用的主要原因是，在空间上看，电磁发射线圈只能纵向重叠才能做到备用，单个电磁发射线圈故障的后果与单个开关设备箱SDB故障类似，多个连续电磁发射线圈的同时故障几率也很小，因此不采用备用，在运维中做到及时检修维护即可。
与传统城市轨道交通接触式供电***外部电源拓扑结构相比，本发明用于城市轨道交通非接触供电***的外部电源拓扑结构有了以下改变：
(1)在保证供电可靠性和稳定性的情况下，取消主变电所，将城市配电网络AC10kV电压直接接入牵引变电所SS，即牵引变电所SS可以就近取电。AC 10kV电能经过整流机组，可以输出DC 1500V或750V至正馈电缆A1和负馈电缆A2。此种供电***的拓扑结构不仅能免去中心牵引变电所的一次投资，还能减少很多二次投入，降低运营成本。
(2)设置开关设备箱SDB，其作用是完成电压的直交转换、为电磁发射线圈提供高频交流电、监测IPT***的工作状态和控制每单元IPT***的工作。开关设备箱SDB主要功能的实现方式是：开关设备箱SDB通过列车位置监测装置返回的信号，控制内部电力电子期间的工作状态；当列车接近该开关设备箱SDB所带电磁发射线圈的工作区域时，控制电力电子器件开始工作，使与之相连的电磁发射线圈开始供电；通过电力电子器件，将正馈电缆A1上的直流电逆变成高频交流电，供线圈发射用；当列车驶离工作区域后，关断电力电子器件，整个开关设备箱SDB处于待机状态，待再有车通过时工作；同时，开关设备箱SDB内有故障监测装置，当线路故障或内部故障时，能够及时关闭，避免故障影响扩大。
(3)使用IPT原理，将电能经电磁发射线圈输送到车辆上，此举可以取消受电弓和接触网，减少轨道交通建设对城市景观的影响。其主要实现方式是在钢轨之间安装电磁发射线圈，在列车底部安装电磁拾取线圈。向电磁发射线圈通入高频交流电，电磁发射线圈发射能量，电磁拾取线圈接收能量，通过电能到电磁能到电能的转变，完成能量的传输。

Claims (5)

1.一种用于城市轨道交通非接触供电***的外部电源拓扑结构，其特征在于，包括若干牵引变电所SS、正馈电缆A1、负馈电缆A2、若干开关设备箱SDB和若干电磁发射线圈；
所述牵引变电所SS原边为市电接入，次边输出至正馈电缆A1，再由负馈电缆A2回流，组成直流配网；
直流配网连接到供电臂上每个开关设备箱SDB的输入端口；
开关设备箱SDB由电能变换和测控两部分组成；在电能变换部分，直流输入端、直流开关S、逆变模块INV、补偿模块COP、直流输出端依次连接；测控部分包括控制模块C、监测模块S和通信模块COM；
所述控制模块C控制电能变换电路，其控制信号包括三个：控制信号S1是控制电源侧开关的通断，正常运行时，当列车驶入电磁发射线圈工作范围内，直流开关S闭合，开始为电能变换电路供电，当内部出现故障时，直流开关S打开，保护电路元件；开关设备箱SDB不工作时，直流开关S打开；控制信号S2是控制逆变模块INV的晶闸管通断的信号；控制信号S3是调整补偿模块COP电容大小的信号；
监测模块S实时采集UI信号的相角、幅值，一方面监测电路是否正常工作，另一方面与控制模块C通信，实时调整逆变模块INV的开关频率和补偿模块COP的电容值；
通信模块COM用于将开关设备箱SDB的测控数据返回测控中心，并接收测控中心的指令，向控制模块C发送命令，指示开关设备箱SDB的工作状态；
每个开关设备箱SDB的输出端口连接到对应的电磁发射线圈，在列车底部设置有与电磁发射线圈相匹配的车载拾取线圈。
2.如权利要求1所述的用于城市轨道交通非接触供电***的外部电源拓扑结构，其特征在于，牵引变电所SS原边为城市配电网络10kV AC电压接入，牵引变电所SS内的整流机组将原边10kV AC电压降压整流输出直流1500V或直流750V。
3.如权利要求1所述的用于城市轨道交通非接触供电***的外部电源拓扑结构，其特征在于，在开关设备箱SDB内，直流电经过高频逆变和补偿环节转换成高频交流电，高频交流电的频率为20kHz-100kHz。
4.如权利要求1所述的用于城市轨道交通非接触供电***的外部电源拓扑结构，其特征在于，在每个牵引变电所SS与正馈电缆A1之间串联直流开关DCS，在每个牵引变电所SS与负馈电缆A2之间串联隔离开关DS。
5.如权利要求1所述的用于城市轨道交通非接触供电***的外部电源拓扑结构，其特征在于，所述电磁发射线圈的长度为50m。
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