用于城市轨道交通非接触供电系统的外部电源拓扑结构技术方案

本发明专利技术公开了一种用于城市轨道交通非接触供电系统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。本发明专利技术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。

External power supply topology for non-contact power supply system of Urban Rail Transit

The invention discloses an external power supply topology structure for the non-contact power supply system of urban rail transit. The main components include a DC distribution network composed of traction substation SS, positive feed cable A1 and negative feed cable A2, a switchgear box SDB and an electromagnetic transmitting coil, and a DC distribution network connected to each switchgear box SDB on the power supply arm. The input port, the output port of each switchgear box SDB is connected to the corresponding electromagnetic emission coil, and a vehicle-mounted pick-up coil matching the electromagnetic emission coil is arranged at the bottom of the train. The invention can supply power for trains based on the principle of radio power transmission and reduce the dependence of traditional urban rail transit on catenary and pantograph.

【技术实现步骤摘要】
用于城市轨道交通非接触供电系统的外部电源拓扑结构
本专利技术涉及无线电能传输(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系统的外部电源拓扑结构。
技术介绍
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系统进行供电，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系统在汽车、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。
技术实现思路
本专利技术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系统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，本专利技术采用的技术方案是：一种用于城市轨道交通非接触供电系统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10kVAC电压接入，牵引变电所SS内的整流机组将原边10kVAC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，本专利技术的有益效果是：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。此外本专利技术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为本专利技术用于城市轨道交通非接触供电系统的外部电源拓扑结构示意图。图2为本专利技术中非接触牵引供电系统的核心IPT组件安装方式及用于城市轨道交通非接触供电系统的某牵引变电所SSi外部电源拓扑结构示意图。图3为本专利技术中开关设备箱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专利技术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AC10kV接入，副边为DC1500V或DC750V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系统的某牵引变电所SSi外部电源拓扑结构。整个系统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AC10kV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AC10kV电压转换成适用于IPT系统的DC1500V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系统的工作状态和控制每单元IPT系统的工作。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，本专利技术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说明本专利技术的控制方法。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-本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于城市轨道交通非接触供电系统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。...

【技术特征摘要】
1.一种用于城市轨道交通非接触供电系统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...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘炜，张宇，赵佳微，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：四川,51