高速电气化铁路新型阻波高通滤波器的研究

李子晗，赵元哲，周福林，黄彦全

0 引言

近些年，国内高速铁路迅速发展，基于IGBT、IGCT等全控性器件的交直交变流器技术在高速铁路电力列车中得到广泛应用。与传统的交-直列车相比，牵引网侧的交直交列车负荷的功率因数接近1，无需无功补偿，3次、5次、7次等低频段的高次谐波电流得到显著改善，但是20次以上的更高次谐波含量反而有所增加[1，2]。当高频段的谐波电流频率与牵引供电系统的自然频率发生重叠时，易引发牵引供电系统高次谐波谐振，使电压、电流严重畸变，造成系统过电压、过电流，影响列车的安全运行[3]。为此，常需安装高通滤波器来滤除高次谐波。

1 3种既有高通滤波器

高通滤波器又称阻尼滤波器，即在高频率时呈现低阻抗，而在低频率时呈现高阻抗。高通滤波器可分为一阶、二阶和三阶高通滤波器。

1.1 一阶高通滤波器

一阶高通滤波器结构简单（图 1），其阻抗频率特性为[6]

式中，C为电容器组电容值，R为电阻器电阻值。

图1 一阶高通滤波器结构图

一阶高通滤波器的优点是结构简单，造价低，运行维护方便，缺点是工频功率损耗大。

1.2 二阶高通滤波器（日本模式）

二阶高通滤波器是目前使用最为广泛的高通无源滤波器，日本新干线滤波系统中即使用二阶高通滤波器用以滤除高次谐波，因此在牵引供电系统中又称其为日式高通滤波器。其结构如图2所示，且阻抗频率特性为[7]

式中，L、C分别为电抗器电感值、电容器组电容值，R为阻尼电阻的电阻值，滤波器调谐于ω0，则

图2 二阶高通滤波器结构图

二阶高通滤波器与一阶高通滤波器相比，因增加了并联电感通路而减少了工频功率损耗。

1.3 三阶高通滤波器

三阶高通滤波器的结构相对复杂，其结构如图3所示，通常设C1= C2= C，则三阶高通滤波器的阻抗频率特性为[7]

滤波器调谐于ω0，则

三阶高通滤波器进一步减小了功率损耗，通过合理的设计，可使其损耗接近于0，但由于结构复杂，参数设计困难，造价也相对较高。

上述3种滤波器通过合理的参数设计，可使其在高频下呈现低阻抗，滤除高次谐波，但3种高通滤波器在工频下均要从系统吸收大量无功功率，而在功率因数接近于 1的系统中，尤其是高速铁路中，这将降低系统的功率因数，造成设备的浪费。

图3 三阶高通滤波器结构图

2 阻波高通滤波器

本文提出一种二阶阻波高通滤波器[4]，结构如图4所示。

图4 阻波高通滤波器结构图

阻波高通滤波器的阻抗频率特性为

阻波高通滤波器可在指定频率（如工频）下电容、电感产生并联谐振，能有效避免无功功率的对外交流，并且因无该频率的电流通过电阻而不消耗相应的有功功率，在高次谐波下，具有高通特性并对高次谐振起到阻尼作用，提高供电质量。

3 阻波高通滤波器特性研究

将阻波高通滤波器用于牵引供电系统中用以滤除高次谐波，并对其阻波性、高通性进行研究，图 5为电气化铁路直接供电方式下的阻波高通滤波器接入方案，滤波器放置于变电所出口处接触网（T）和钢轨（R）之间进行滤波。

图5 直接供电方式下高次滤波方案示意图

3.1 参数设计

（1）电容器组参数。按照牵引负荷50 MV·A额定负荷容量计算，电容器组容量选为3200 kVar，XC= 550 Ω，C = 5.78 μF。

（3）电阻参数。阻波高通滤波器中的电阻越小，其滤波效果越好，但电阻有利于起到谐波阻尼的作用，因此电阻值选为10 Ω。

3.2 阻抗频率特性

根据阻波高通滤波器各元件参数，结合式（4）得阻抗频率特性曲线，如图6所示。

图6 阻波高通滤波器阻抗频率特性曲线图

由图6可以看出，工频下，阻波高通滤波器阻抗趋向无穷大，在基波下对外不交流无功功率，并且因无基波电流通过电阻而不消耗相应的有功功率，实现阻波性；随着频率的增大，其滤波器阻抗迅速减小，阻波高通滤波器在高频下呈现低阻抗，为高次谐波提供通路，实现高通性。

3.3 阻波性

阻波高通滤波器空载时的基波电流、电容器电流和电抗器电流波形图如图7所示。

图7 空载时阻波高通滤波器电流波形图

由图7可知，阻波高通滤波器基波电流为0 A，而电容器组与电抗器电流有效值均为 50 A，大小相等，方向相反，进行磁能与电能的相互转换，对外呈现出极高阻抗，不消耗无功功率，也不消耗有功功率，这就是阻波特性。

3.4 高通性

阻波高通滤波器的高通性包含高次谐波滤波特性和谐振抑制特性，下文针对这 2方面进行分析。

（1）滤波特性。为研究阻波高通滤波器滤波特性，搭建牵引供电系统模型，并在牵引网中注入机车谐波电流。

图8为牵引变电所处电流波形图，电流总谐波畸变率为5.06%。

图8 牵引变电所电流（滤波前）波形图

阻波高通滤波器投入后变电所处电流波形如图9所示。

图9 牵引变电所电流（滤波后）波形图

对比滤波器投入前后各次谐波电流含量（图10），滤波后电流总谐波畸变率由 5.06%降为2.92%，高次谐波电流含量大幅度降低，滤波后的谐波主要成分为低次谐波。阻波高通滤波器可以有效滤除谐波电流，对高次谐波电流的滤波效果尤为明显，验证了其滤波特性。

图10 滤波前后各次谐波电流含量图

（2）谐振抑制。高次谐波的注入可能引发牵引网发生谐振现象，图11为牵引网谐振时以及投入阻波高通滤波器后牵引变电所处的电流波形图，图12为阻波高通滤波器投入前后牵引网阻抗频率特性曲线。

由图11和图12可以看出，阻波滤波器投入后牵引网谐振现象消失，谐波畸变率明显降低，从49.7%下降到 4.44%，抑制了谐波电流放大，投入后系统的自然频率向更高频率偏移，系统阻抗最大值的频率高于机车谐波电流频率，避免了牵引网发生谐振。

图11 牵引变电所电流波形图

图12 牵引网阻抗频率曲线图

4 4种高通滤波器对比分析

对一阶、二阶和三阶高通滤波器参数进行设计，为了便于对比，4种滤波器的电容器组总容量相同。

一阶高通滤波器：电容器C = 5.8 μF，电阻器R = 50 Ω；二阶高通滤波器：调谐于10.7次谐波，电容器C = 5.8 μF，电抗器L = 15.3 mH，品质因数Q = 1，电阻器R = 100 Ω；三阶高通滤波器：调谐于10.7次谐波，电容器C1= C2= 2.9 μF，电抗器L= 30.6 mH，品质因数Q = 1，电阻器R = 100 Ω。

4.1 阻抗频率特性曲线

根据所设计参数，得到一阶、二阶和三阶高通滤波器的阻抗频率特性曲线，如图13所示。

图13 3种高通滤波器阻抗频率特性曲线图

结合图6和图13，对比既有3种高通滤波器和阻波高通滤波器的阻抗频率特性，可以看出4种高通滤波器在高频下均呈现低阻抗；但也可以看到一阶、二阶、三阶高通滤波器在工频下阻抗分别为520，514，1045 Ω，高压下均会有较大的电流流过高通滤波器，造成滤波器与系统的无功交换以及有功损耗，而阻波高通滤波器在工频下阻抗呈现无穷大，无电流流过滤波器，实现了阻波性。

4.2 滤波特性对比

对比4种滤波器的滤波效果，滤波前电流总谐波畸变率为5.06%，滤波后一阶、二阶、三阶、阻波高通滤波器的总谐波畸变率分别为 2.69%，2.95%，3.01%，2.92%。可以看出滤波效果最好是一阶高通滤波器，但整体而言4种滤波器滤波效果相差不大，阻波高通滤波器和一阶、二阶、三阶高通滤波器均能有效地滤除高次谐波。

4.3 功率特性对比

将一阶、二阶、三阶和阻波高通滤波器分别设置于牵引供电系统中，额定电压27.5 kV，空载时4种滤波器的基波电流、有功损耗和容性无功功率如表1所示。

通过表1可以看到，传统的高通滤波器在基波下均有较大的电流通过滤波器，消耗容性无功功率以及产生有功损耗，其中一阶高通滤波器有功损耗最大，二阶高通滤波器同样具有一定的有功损耗，三阶高通滤波器采用了较复杂的结构，接近了阻波高通滤波器有功损耗为零的效果；一阶、二阶、三阶高通滤波器在工频下均消耗系统无功功率，在功率因数接近于1的系统中，将因过补偿而降低系统的功率因数，造成设备的浪费。

表1 功率特性对比表

为了消除既有高通滤波器对系统的无功影响，达到与阻波高通滤波器相近的效果，需要在其两端并联电抗器。以日式（二阶）高通滤波器为例，改进方案如图14所示，因其本身消耗系统的无功功率为 1409 kvar，需要并联电抗器的电感值 L1=1.709 H。日式高通滤波器+并联电抗器方案与阻波高通滤波器均不消耗系统无功功率，但与阻波高通滤波器相比，其仍存在以下问题：

（1）新增电抗器的电感值较大，组合装置整体体积和占地会大于阻波高通滤波器。

（2）系统结构更为复杂，稳定性变差。

（3）日式（二阶）高通滤波器的基波有功损耗远远大于阻波高通滤波器。

（4）投资增加。

图14 日式（二阶）高通滤波器改进方案结构图

阻波高通滤波器由于其阻波性，工频下无电流流过滤波器而不会产生有功损耗，不与系统交流无功功率，也不会影响系统的功率因数，因此在滤波器效果相同时，其整体性能明显优于既有的高通滤波器。

5 结论

提出了一种新型阻波高通滤波器，对其结构和工作原理进行了分析，并与既有的一阶、二阶和三阶高通滤波器进行了特性比较，得出结论：

（1）4种滤波器的高通滤波效果相差不大，但既有滤波器存在工频损耗大、与系统交流无功功率等缺点，阻波高通滤波器具有工频高阻、高频低通以及低损耗等优点，避免消耗系统无功功率，工频下无电流通过电阻而不消耗相应的有功功率，在高次谐波下，具有高通特性并对高次谐振起到阻尼作用，适用于高次谐波含量丰富、功率因数接近于1的系统，尤其是高速铁路中。

（2）与阻波高通滤波器相比，日式（二阶）高通滤波器+并联电抗器改进方案虽然也消除了对系统的无功功率影响，但新增电抗器电感值较大，结构更为复杂，其整体体积、占地和投资都会大于阻波高通滤波器，并且其基波有功损耗远远大于阻波高通滤波器。阻波高通滤波器整体性能明显优于日式（二阶）高通滤波器改进方案。

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