轨道交通包含了高铁、地铁、轻轨、城市有轨电车、磁浮列车等多种形式，是我国最重要的交通运输方式之一。目前电气化轨道交通的供电方式大都采用接触式供电，如架空接触网或第三轨供电等。但随着列车提速和应用场景的拓宽，传统接触式供电开始显现出诸多限制。
滑动接触在高速运行状态下的安全性、稳定性以及制造精度等问题，是限制车速提升的一个重要因素；受电弓或集电靴的日常磨损导致其维护成本增加；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。
城市轨道交通
无线电能传输（Wireless Power Transfer, WPT）技术在近年来得到了极其迅猛的发展，为上述供电问题提供了一种全新的解决方案。随着近年来其理论基础趋于成熟，相关应用研究得以迅速开展。具体到电气化交通领域，面向电动汽车的无线充电技术已迈入实用化阶段，其在便利性、安全性、紧凑性等方面都展现出了明显的优势。而将WPT应用于轨道交通，可有效解决上述接触式供电的问题，提升其安全性和可靠性、降低维护成本、放宽供电系统对车速的限制，是我国轨道交通发展的重要推动力。
作为近年来的研究热点，WPT在电气化交通中的应用研究得以广泛开展，但目前该领域的主流研究范畴尚集中在电动汽车无线充电领域，而轨道交通应用具有其特点和难点，包括：
（1）功率远超当前WPT研究的主流等级。一般来说，列车所需功率可达数百kW至MW等级，与当前电动汽车无线充电领域数kW至数十kW的主流功率等级存在较大技术跨度。这对系统中高频电能变换、磁耦合机构乃至整个系统架构等方面均带来了巨大挑战。
（2）轨道限制所带来的准一维运动模式，使其磁耦合机构的设计思路与常规电动汽车不尽相同，而大功率的需求也进一步加剧了磁耦合机构功率密度、电磁兼容性、绝缘散热等方面的设计难度。
（3）列车功率大、尺寸长，适合采用模块化组合供电方式，对应到无线传输架构上也将出现多发射多接收架构，并且还需应对与电动汽车动态充电类似的分段切换问题。这些都将导致系统阶数和复杂度剧增，系统分析、设计和控制难度增加。
鉴于此，WPT技术由当前电动汽车应用跨入轨道交通领域存在多方面的技术台阶。当前国内外已有若干研究机构正致力于攻克这一台阶，包括韩国铁道研究院、奥克兰大学、西南交通大学、中科院电工所、天津工业大学、湖南大学、国防科技大学、哈尔滨工业大学、清华大学等，均取得了许多有价值的理论与技术成果，但整体而言，技术成熟度仍然不高，尤其在实际装置层面，具有代表性的大功率实现案例屈指可数。
此处将文献中公开发表的典型案例部分列举如下，大功率轨道交通WPT典型案例如图1所示。
图1 大功率轨道交通WPT典型案例
国际方面，目前已报道的最高功率等级WPT系统即应用于轨道交通领域，为韩国铁道研究院（Korea Railroad Research Institute, KRRI）在2015年发表的高铁动态无线供电系统，实测输出功率为818kW，系统效率82.7%，并且在型号为HEMU 430x的高铁上进行了10km/h车速的实车实验，如图1a所示。此项研究在功率等级方面具有开创性意义，但其在控制性能、系统效率等方面仍有较大的改善空间。
庞巴迪（Bombardier）公司的PRIMOVE系统也是大功率WPT应用的一个典型案例，其采用单个100kW的接收单元模块，可组合为100～500kW的充电/供电系统，应用于从小型乘用车到电动大巴，乃至公共轨道交通的各类电动车辆，如图1b所示。但受商业保密限制，其相关技术细节未见发表，且自2012年之后，就未曾有更进一步的信息披露。
德国Conductix-Wampfler公司（现IPT Technology）亦致力于轨道运行装置的WPT技术，并将其应用于工业、物流等行业。在轨道交通领域，此前有报道其搭建了系统总功率为150kW的轨道车试验线，其中接收端由6套25kW装置组成。但该案例同样缺乏更为详细的报道。
国内方面，此前学术文献中已公开发表的百千瓦以上装置仅两例，分别为湖南大学的非接触牵引供电系统，如图1c所示，设计功率150kW，实际输出功率约136kW，系统效率91.6%；西南交通大学的非接触供电轨道车模拟实验平台，如图1d所示，功率等级100kW，系统效率约85%。此外中科院电工所曾报道了一套设计功率为200kV·A的轨道交通非接触供电样机，但其文献记载的运行功率最大为30kW，故此处暂未列入。
由此可见，在轨道交通WPT领域，当前国外研究相对领先，但其大功率实现案例依然不多，且大都有产业界深度参与，存在技术保密问题，系统性能亦有待提升；而国内方面则仍处于起步阶段且以原理性研究居多，但其发展势头不可忽视。
表1 各团队实际装置对比
总体而言，无线电能传输（WPT）技术应用于轨道交通领域，可解决传统接触式供电在安全性、可靠性和经济性等方面的问题。但相比于当前主流WPT研究，该应用场景所涉及的功率大、系统复杂、实现难度较高，且在运动、机械等方面亦具有自身特征，存在诸多关键技术问题有待解决。该领域的功率等级、系统效率和技术成熟度都远未达到实用化水平，尚需持续性的研究攻关。
电力系统及发电设备安全控制和仿真国家重点实验室（清华大学电机系）的研究人员陈凯楠、蒋烨、檀添、林秋琼、李剑超、赵争鸣，从拓扑架构、磁耦合机构、系统建模与参数优化、控制策略等方面对其开展研究，取得了若干阶段性成果，并基于此研发350kW轨道交通无线充电系统样机，其在额定输出功率下的系统效率可达94.3%，最高效率达95.4%。样机在功率传输能力、系统效率、输出特性等方面均取得了较好的效果。尤其在系统效率方面与同类装置相比表现突出。
图2 轨道交通WPT拓扑方案
图3 磁耦合机构安装方式示例
研究团队以350kW轨道交通无线充电系统样机为例，对大功率轨道交通WPT的关键技术和实现方案进行了阐述和探讨，旨在为轨道交通WPT技术的具体实现提供助力，并为其他大功率应用场景的WPT技术研究提供启发和参考，相关内容已发表在2022年第10期《电工技术学报》。
图4 多参数多目标优化流程
图5 系统样机
本文编自2022年第10期《电工技术学报》，论文标题为“轨道交通350kW大功率无线电能传输系统研究”。本课题得到了国家自然科学基金委员会—中国国家铁路集团有限公司高速铁路基础研究联合基金资助项目的支持。
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