高速電氣化鐵路新型阻波高通濾波器的研究

李子晗，趙元哲，周福林，黃彥全

0 引言

近些年，國(guó)內(nèi)高速鐵路迅速發(fā)展，基于IGBT、IGCT等全控性器件的交直交變流器技術(shù)在高速鐵路電力列車中得到廣泛應(yīng)用。與傳統(tǒng)的交-直列車相比，牽引網(wǎng)側(cè)的交直交列車負(fù)荷的功率因數(shù)接近1，無需無功補(bǔ)償，3次、5次、7次等低頻段的高次諧波電流得到顯著改善，但是20次以上的更高次諧波含量反而有所增加[1，2]。當(dāng)高頻段的諧波電流頻率與牽引供電系統(tǒng)的自然頻率發(fā)生重疊時(shí)，易引發(fā)牽引供電系統(tǒng)高次諧波諧振，使電壓、電流嚴(yán)重畸變，造成系統(tǒng)過電壓、過電流，影響列車的安全運(yùn)行[3]。為此，常需安裝高通濾波器來濾除高次諧波。

1 3種既有高通濾波器

高通濾波器又稱阻尼濾波器，即在高頻率時(shí)呈現(xiàn)低阻抗，而在低頻率時(shí)呈現(xiàn)高阻抗。高通濾波器可分為一階、二階和三階高通濾波器。

1.1 一階高通濾波器

一階高通濾波器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單（圖 1），其阻抗頻率特性為[6]

式中，C為電容器組電容值，R為電阻器電阻值。

圖1 一階高通濾波器結(jié)構(gòu)圖

一階高通濾波器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低，運(yùn)行維護(hù)方便，缺點(diǎn)是工頻功率損耗大。

1.2 二階高通濾波器（日本模式）

二階高通濾波器是目前使用最為廣泛的高通無源濾波器，日本新干線濾波系統(tǒng)中即使用二階高通濾波器用以濾除高次諧波，因此在牽引供電系統(tǒng)中又稱其為日式高通濾波器。其結(jié)構(gòu)如圖2所示，且阻抗頻率特性為[7]

式中，L、C分別為電抗器電感值、電容器組電容值，R為阻尼電阻的電阻值，濾波器調(diào)諧于ω0，則

圖2 二階高通濾波器結(jié)構(gòu)圖

二階高通濾波器與一階高通濾波器相比，因增加了并聯(lián)電感通路而減少了工頻功率損耗。

1.3 三階高通濾波器

三階高通濾波器的結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，其結(jié)構(gòu)如圖3所示，通常設(shè)C1= C2= C，則三階高通濾波器的阻抗頻率特性為[7]

濾波器調(diào)諧于ω0，則

三階高通濾波器進(jìn)一步減小了功率損耗，通過合理的設(shè)計(jì)，可使其損耗接近于0，但由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，參數(shù)設(shè)計(jì)困難，造價(jià)也相對(duì)較高。

上述3種濾波器通過合理的參數(shù)設(shè)計(jì)，可使其在高頻下呈現(xiàn)低阻抗，濾除高次諧波，但3種高通濾波器在工頻下均要從系統(tǒng)吸收大量無功功率，而在功率因數(shù)接近于 1的系統(tǒng)中，尤其是高速鐵路中，這將降低系統(tǒng)的功率因數(shù)，造成設(shè)備的浪費(fèi)。

圖3 三階高通濾波器結(jié)構(gòu)圖

2 阻波高通濾波器

本文提出一種二階阻波高通濾波器[4]，結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 阻波高通濾波器結(jié)構(gòu)圖

阻波高通濾波器的阻抗頻率特性為

阻波高通濾波器可在指定頻率（如工頻）下電容、電感產(chǎn)生并聯(lián)諧振，能有效避免無功功率的對(duì)外交流，并且因無該頻率的電流通過電阻而不消耗相應(yīng)的有功功率，在高次諧波下，具有高通特性并對(duì)高次諧振起到阻尼作用，提高供電質(zhì)量。

3 阻波高通濾波器特性研究

將阻波高通濾波器用于牽引供電系統(tǒng)中用以濾除高次諧波，并對(duì)其阻波性、高通性進(jìn)行研究，圖 5為電氣化鐵路直接供電方式下的阻波高通濾波器接入方案，濾波器放置于變電所出口處接觸網(wǎng)（T）和鋼軌（R）之間進(jìn)行濾波。

圖5 直接供電方式下高次濾波方案示意圖

3.1 參數(shù)設(shè)計(jì)

（1）電容器組參數(shù)。按照牽引負(fù)荷50 MV·A額定負(fù)荷容量計(jì)算，電容器組容量選為3200 kVar，XC= 550 Ω，C = 5.78 μF。

（3）電阻參數(shù)。阻波高通濾波器中的電阻越小，其濾波效果越好，但電阻有利于起到諧波阻尼的作用，因此電阻值選為10 Ω。

3.2 阻抗頻率特性

根據(jù)阻波高通濾波器各元件參數(shù)，結(jié)合式（4）得阻抗頻率特性曲線，如圖6所示。

圖6 阻波高通濾波器阻抗頻率特性曲線圖

由圖6可以看出，工頻下，阻波高通濾波器阻抗趨向無窮大，在基波下對(duì)外不交流無功功率，并且因無基波電流通過電阻而不消耗相應(yīng)的有功功率，實(shí)現(xiàn)阻波性；隨著頻率的增大，其濾波器阻抗迅速減小，阻波高通濾波器在高頻下呈現(xiàn)低阻抗，為高次諧波提供通路，實(shí)現(xiàn)高通性。

3.3 阻波性

阻波高通濾波器空載時(shí)的基波電流、電容器電流和電抗器電流波形圖如圖7所示。

圖7 空載時(shí)阻波高通濾波器電流波形圖

由圖7可知，阻波高通濾波器基波電流為0 A，而電容器組與電抗器電流有效值均為 50 A，大小相等，方向相反，進(jìn)行磁能與電能的相互轉(zhuǎn)換，對(duì)外呈現(xiàn)出極高阻抗，不消耗無功功率，也不消耗有功功率，這就是阻波特性。

3.4 高通性

阻波高通濾波器的高通性包含高次諧波濾波特性和諧振抑制特性，下文針對(duì)這 2方面進(jìn)行分析。

（1）濾波特性。為研究阻波高通濾波器濾波特性，搭建牽引供電系統(tǒng)模型，并在牽引網(wǎng)中注入機(jī)車諧波電流。

圖8為牽引變電所處電流波形圖，電流總諧波畸變率為5.06%。

圖8 牽引變電所電流（濾波前）波形圖

阻波高通濾波器投入后變電所處電流波形如圖9所示。

圖9 牽引變電所電流（濾波后）波形圖

對(duì)比濾波器投入前后各次諧波電流含量（圖10），濾波后電流總諧波畸變率由 5.06%降為2.92%，高次諧波電流含量大幅度降低，濾波后的諧波主要成分為低次諧波。阻波高通濾波器可以有效濾除諧波電流，對(duì)高次諧波電流的濾波效果尤為明顯，驗(yàn)證了其濾波特性。

圖10 濾波前后各次諧波電流含量圖

（2）諧振抑制。高次諧波的注入可能引發(fā)牽引網(wǎng)發(fā)生諧振現(xiàn)象，圖11為牽引網(wǎng)諧振時(shí)以及投入阻波高通濾波器后牽引變電所處的電流波形圖，圖12為阻波高通濾波器投入前后牽引網(wǎng)阻抗頻率特性曲線。

由圖11和圖12可以看出，阻波濾波器投入后牽引網(wǎng)諧振現(xiàn)象消失，諧波畸變率明顯降低，從49.7%下降到 4.44%，抑制了諧波電流放大，投入后系統(tǒng)的自然頻率向更高頻率偏移，系統(tǒng)阻抗最大值的頻率高于機(jī)車諧波電流頻率，避免了牽引網(wǎng)發(fā)生諧振。

圖11 牽引變電所電流波形圖

圖12 牽引網(wǎng)阻抗頻率曲線圖

4 4種高通濾波器對(duì)比分析

對(duì)一階、二階和三階高通濾波器參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，為了便于對(duì)比，4種濾波器的電容器組總?cè)萘肯嗤?/p>

一階高通濾波器：電容器C = 5.8 μF，電阻器R = 50 Ω；二階高通濾波器：調(diào)諧于10.7次諧波，電容器C = 5.8 μF，電抗器L = 15.3 mH，品質(zhì)因數(shù)Q = 1，電阻器R = 100 Ω；三階高通濾波器：調(diào)諧于10.7次諧波，電容器C1= C2= 2.9 μF，電抗器L= 30.6 mH，品質(zhì)因數(shù)Q = 1，電阻器R = 100 Ω。

4.1 阻抗頻率特性曲線

根據(jù)所設(shè)計(jì)參數(shù)，得到一階、二階和三階高通濾波器的阻抗頻率特性曲線，如圖13所示。

圖13 3種高通濾波器阻抗頻率特性曲線圖

結(jié)合圖6和圖13，對(duì)比既有3種高通濾波器和阻波高通濾波器的阻抗頻率特性，可以看出4種高通濾波器在高頻下均呈現(xiàn)低阻抗；但也可以看到一階、二階、三階高通濾波器在工頻下阻抗分別為520，514，1045 Ω，高壓下均會(huì)有較大的電流流過高通濾波器，造成濾波器與系統(tǒng)的無功交換以及有功損耗，而阻波高通濾波器在工頻下阻抗呈現(xiàn)無窮大，無電流流過濾波器，實(shí)現(xiàn)了阻波性。

4.2 濾波特性對(duì)比

對(duì)比4種濾波器的濾波效果，濾波前電流總諧波畸變率為5.06%，濾波后一階、二階、三階、阻波高通濾波器的總諧波畸變率分別為 2.69%，2.95%，3.01%，2.92%。可以看出濾波效果最好是一階高通濾波器，但整體而言4種濾波器濾波效果相差不大，阻波高通濾波器和一階、二階、三階高通濾波器均能有效地濾除高次諧波。

4.3 功率特性對(duì)比

將一階、二階、三階和阻波高通濾波器分別設(shè)置于牽引供電系統(tǒng)中，額定電壓27.5 kV，空載時(shí)4種濾波器的基波電流、有功損耗和容性無功功率如表1所示。

通過表1可以看到，傳統(tǒng)的高通濾波器在基波下均有較大的電流通過濾波器，消耗容性無功功率以及產(chǎn)生有功損耗，其中一階高通濾波器有功損耗最大，二階高通濾波器同樣具有一定的有功損耗，三階高通濾波器采用了較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，接近了阻波高通濾波器有功損耗為零的效果；一階、二階、三階高通濾波器在工頻下均消耗系統(tǒng)無功功率，在功率因數(shù)接近于1的系統(tǒng)中，將因過補(bǔ)償而降低系統(tǒng)的功率因數(shù)，造成設(shè)備的浪費(fèi)。

表1 功率特性對(duì)比表

為了消除既有高通濾波器對(duì)系統(tǒng)的無功影響，達(dá)到與阻波高通濾波器相近的效果，需要在其兩端并聯(lián)電抗器。以日式（二階）高通濾波器為例，改進(jìn)方案如圖14所示，因其本身消耗系統(tǒng)的無功功率為 1409 kvar，需要并聯(lián)電抗器的電感值 L1=1.709 H。日式高通濾波器+并聯(lián)電抗器方案與阻波高通濾波器均不消耗系統(tǒng)無功功率，但與阻波高通濾波器相比，其仍存在以下問題：

（1）新增電抗器的電感值較大，組合裝置整體體積和占地會(huì)大于阻波高通濾波器。

（2）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，穩(wěn)定性變差。

（3）日式（二階）高通濾波器的基波有功損耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于阻波高通濾波器。

（4）投資增加。

圖14 日式（二階）高通濾波器改進(jìn)方案結(jié)構(gòu)圖

阻波高通濾波器由于其阻波性，工頻下無電流流過濾波器而不會(huì)產(chǎn)生有功損耗，不與系統(tǒng)交流無功功率，也不會(huì)影響系統(tǒng)的功率因數(shù)，因此在濾波器效果相同時(shí)，其整體性能明顯優(yōu)于既有的高通濾波器。

5 結(jié)論

提出了一種新型阻波高通濾波器，對(duì)其結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行了分析，并與既有的一階、二階和三階高通濾波器進(jìn)行了特性比較，得出結(jié)論：

（1）4種濾波器的高通濾波效果相差不大，但既有濾波器存在工頻損耗大、與系統(tǒng)交流無功功率等缺點(diǎn)，阻波高通濾波器具有工頻高阻、高頻低通以及低損耗等優(yōu)點(diǎn)，避免消耗系統(tǒng)無功功率，工頻下無電流通過電阻而不消耗相應(yīng)的有功功率，在高次諧波下，具有高通特性并對(duì)高次諧振起到阻尼作用，適用于高次諧波含量豐富、功率因數(shù)接近于1的系統(tǒng)，尤其是高速鐵路中。

（2）與阻波高通濾波器相比，日式（二階）高通濾波器+并聯(lián)電抗器改進(jìn)方案雖然也消除了對(duì)系統(tǒng)的無功功率影響，但新增電抗器電感值較大，結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，其整體體積、占地和投資都會(huì)大于阻波高通濾波器，并且其基波有功損耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于阻波高通濾波器。阻波高通濾波器整體性能明顯優(yōu)于日式（二階）高通濾波器改進(jìn)方案。

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