PQFS有源濾波設備原理簡述和故障案例分析

一

** 諧波的基本概念**

1.定義

諧波是指電流中所含有的頻率為基波的整數倍的電量，一般是指對周期性的非正弦電量進行傅里葉級數分解，其余大于基波頻率的電流產生的電量。從廣義上講，由于交流電網有效分量為工頻單一頻率，因此任何與工頻頻率不同的成分都可以稱之為諧波，這時“諧波”這個詞的的意義已經變得與原意有些不符。正是因為廣義的諧波概念，才有了“分數諧波”、“間諧波”、“次諧波”等等說法。高次諧波的頻率必然也等于基波的頻率的若干倍，基波頻率3倍的波稱之為三次諧波，基波頻率5倍的波稱之為五次諧波，以此類推。不管幾次諧波，他們都是正弦波。

2.產生的原因

由于正弦電壓加壓于非線性負載，基波電流發生畸變產生諧波。所有的非線性負荷都能產生諧波電流，產生諧波的設備類型有：開關模式電源(SMPS)、電子熒光燈鎮流器、調速傳動裝置（整流器、變頻器）、逆變器、不間斷電源 (UPS)、磁性鐵芯設備及某些家用電器如電視機等。

諧波電流的產生是與功率轉換器的脈沖數相關的。6脈沖設備僅有5、7、11、13、17、19 …。n倍于電網頻率。功率變換器的脈沖數越高，最低次的諧波分量的頻率的次數就越高。其他功率消耗裝置，例如熒光燈的電子控制調節器產生大強度的3 次諧波( 150 赫茲)。

3.諧波的危害

• 降低系統容量如變壓器、斷路器、電纜等
• 加速設備老化，縮短設備使用壽命，甚至損壞設備
• 危害生產安全與穩定
• 浪費電能等

二

** 諧波治理方式**

目前常用的諧波治理的方法有三種：無功補償、無源濾波、有源濾波。

**1. 無功補償：**對于并聯電容器低壓無功能補償設備，如按一定感抗比例配置限流電抗器，則LC對接近諧振頻率的諧波有一定抵制作用，相當于無源濾波，缺點是：只有在電容投入時才有作用；會增大電容與電抗器的發熱量。有源電力濾波器是治理諧波的最優產品。

**2. 無源濾波：**無源濾波器，又稱LC濾波器，由LC等被動元件組成，將其設計為某頻率下極低阻抗（諧振頻率），對相應頻率諧波電流進行分流，其行為模式為提供被動式諧波電流旁路通道。單調諧濾波器、雙調諧濾波器、高通濾波器都屬于無源濾波器。無源濾波器優點：無源濾波器具有結構簡單、成本低廉、運行可靠性較高、運行費用較低；缺點：通帶內的信號有能量損耗，負載效應比較明顯，使用電感元件時容易引起電磁感應，當電感L較大時濾波器的體積和重量都比較大，在低頻域不適用。

圖1 無源濾波示意圖

**3. 有源濾波（APF）：**有源濾波器是一種用于動態抑制諧波、補償無功的新型電力電子裝置，它能夠對大小和頻率均處于變化狀態的諧波以及變化的無功進行補償。之所以稱為有源，顧名思義該裝置需要提供電源（用以補償主電路的諧波），其應用可克服LC無源濾波器等傳統的諧波抑制和無功補償方法只能進行固定量補償的缺點，實現了動態跟蹤補償，可以同時濾除多次及高次諧波，不會引起諧振，而且可以既補諧波又補無功（無功相當于一次諧波）。優點：可動態濾除各次諧波，對系統內的諧波能夠完全吸收，不會產生諧振。缺點：一是通帶范圍受有源器件的帶寬限制；二是需要直流電源供電；三是可靠性不如無源濾波器高，在高壓、高頻、大功率的場合不適用，另外造價相對較高。有源濾波器有并聯型和串聯型兩種，并聯有源濾波器主要是治理電流諧波，串聯有源濾波器主要是治理電壓諧波等引起的問題，本文只對客運索道使用的并聯型濾波器進行分析。

圖2 并聯有源濾波示意圖

我們公司天臺索道配置的并聯有源電力濾波器為ABB公司PQFS型（圖3），百歲宮纜車和花臺索道使用的是國產追日電氣公司ZAPF型（圖4），從使用經驗來看，其工作原理、諧波治理效果、設備故障率、售后服務等方面基本接近，但國產設備的造價和故障維修成本約為進口產品的60%左右，綜合效益有明顯優勢。并聯型有源電力濾波器的工作原理：并聯有源濾波器的DSP（數字信號處理）電路專用電流互流器實時檢測的負載電流進行內部計算后提取出負載電流中的諧波成分，根據計算結果生成相應的PWM（即脈沖寬度調制，利用微處理器的數字輸出來對模擬電路進行控制的一種技術）觸發信號發送給電流發生器（功率單元）對應的IGBT全橋逆變器組件,控制其產生一個和負載諧波電流大小相等，方向相反的諧波電流注入到電網中，與已有諧波相互抵消（圖5），從而達到濾波的目的。

圖3 ABB PQFS單元元件分布圖

圖4 追日電氣ZAPF－100元件分布

圖5 并聯有源濾波波形示意圖

三

ABB公司PQFS并聯有源電力濾波器的結構原理

ABB 公司的PQFS型低壓并聯型有源濾波器的DSP采用先進的控制算法，能根據用戶的參數設置獨立選擇每次諧波的補償量，濾波器會針對所選定的目標諧波注入相位相反的補償電流，這樣可以保證完美濾除用戶選定的目標諧波。PQF并聯有源濾波器采取模塊化設備，一個系統根據所需容量可由1－8個模塊單元（一主多從）組成，整個系統包括三個功能部件：

1. PQF－Manger人機界面 ：PQF-Manager是一款圖形用戶操作界面，是全系列PQF有源動態濾波器主模塊的標配附件，通過CAN總線聯接到主單元模塊的主控制器對應的通訊端口上。它可以幫助用戶快速調試，并允許用戶實時監測電網質量。通過該用戶界面，用戶還可以直接對濾波器進行控制、編程和監視，而無需使用電腦。此外它還具備通訊、故障詳情顯示和實時事件記錄等功能。PQF-Manager擁有大尺寸（320 x 240像素）觸摸顯示屏，信息、提示和圖像布局清晰合理，能夠為客戶提供無與倫比的可視化操作體驗（前面板和背部接線路見圖6）。主要功能如下：

• 啟動、停止和重啟濾波器
• 測量、分析和記錄各個參數
• 對濾波器進行設定
• 監視濾波器負載，做故障記錄

圖6 PQF－Manger前面板和背部接線路

2. 主控制器（濾波器控制器，見圖7） ：根據線路電流測量值（專用電流互感器CT測量，須安裝在過濾器和負載連接點之前位置）和用戶要求決定注入的諧波電流，用戶可通過PQF －Manager對各諧波最大補償量進行設置。主控制器主要功能：一是接受和執行用戶啟動停止指令；二是計算和生成IGBT逆變器模塊控制信號并提供驅動信號接口；三是測量系統電壓電流和IGBT模塊狀態信號等；三是提供報警/警告輸出觸點、遠程控制功能、其他數字輸入功能，及外部通信/打印功能接口。

圖7 PQFS單元主控制器實物圖片

ABB早期產品中只有主單元模塊配置有主控制器，同時控制主單元控制信號和通過光纖送到從單元多米諾電路，由多米諾進行信號轉換后控制從單元電流發生器；升級版產品所有模塊配置相同，均包括控制主單元和電流發生器（通過主控制器的跳線將其設置從主單元還是第幾個從單元），主單元與從單元間通過CAN總線按序聯連（即主－從1－從2……從n）通訊。

早期/后期PQFS系統拓撲圖

**3. 電流發生器（功率單元）：**將濾波器控制器產生的控制信號轉換為濾波器補償電流，電流發生器與負載并聯。早期的濾波器系統只有一個主單元，每個系統最多帶3個從單元；升級版產品可以存在多個主單元，每個主單元最多帶7個從單元。

ABB公司PQFS并聯有源電力濾波器的結構原理

四

** APQFS并聯有源****電力濾波器故障案例分析**

天臺索道使用的產品為ABB公司PQFS升級版并聯有源電力濾波器，共有4個濾波單元（一主三從）組成，額定容量為400A，2017年初先后有兩個單元（1#和3#）發生功率單元IGBT組件損壞（炸管）故障，委托廠商更換該組件后修復，當時主控制板無故障，維修費用12萬元（每個單元6萬元）。

2022年3月4#單元再次發生IGBT組件故障，我們拆檢發現該組件是西門康（SEMIKRON又譯賽米控）公司產品，組件型號為SKIIP 313GD122－3DUL（圖8），是由集成式觸發保護電路、3只IGBT半橋（型號SKIIP 313 GB122CT）及金屬散熱器組裝而成。經簡單測量發現其中兩只IGBT半橋損壞，本著修舊利廢原則，我們將2017年維修時換下的兩套組件上兩只尚未損壞的IGBT半橋（每套有一只未損壞的半橋）拆下替換本次故障的兩只損壞件后，進行上電測試，結果剛將系統切換到運行態，IGBT組件立即炸管，故障未能修復。

分析故障原因有幾種可能：一是拆下的舊IGBT半橋當年發生故障時已受沖擊有缺陷，故盡管測量時正常，但加電帶載即損壞；二是IGBT組件中集成式觸發保護電路有故障（無法自行測試，廠商專用測試工具需3萬元左右）；三是主控制器有問題，提供的六組脈沖時序不正常導致IGBT損壞。后經綜合分析，判斷IGBT組件集成式觸發保護電路故障可能性更大一些。聯系廠商，目前每個單元維修費用報價已漲到9萬元。

為了節約維護費用，我們后來從國內賽米控代理商處采購了一只同型號IBGT組件（費用1.5萬元），安裝好對控制電路上電測試時發現電源合閘模塊尚未通過控制面板切換到運行狀態時，原故障PQF單元控制板上的 “D11：F Strt（2）”即常亮狀態（圖9紅線框內），此時該單元主接觸器并未吸合，而此時其他單元該指示燈均為熄滅狀態。

圖9 IGBT主控板LED指示燈

為防止IGBT損壞，我們在將該單元退出（拔下三只熔斷器）后，將其它三組PQFS單元投入運行，發現只有通過控制面板啟動設備后，有源濾波設備處于運行狀態時D11才常亮（同時主接觸器吸合），設備切換到停止工況后，D11熄滅，查手冊發現D11為運行指示或等待故障復位（當時未注意后一功能，經咨詢ABB廠商技術人員才確認）。

為了確認是主控板故障還是外圍電路有問題（如新換的IGBT組件），我們將顯示異常的主控板與另一單元主控板對調（單元編號拔碼開關S5作相應調整），測試結果為，另一單元主控板安裝到新換IGBT組的單元上運行正常，而顯示異常的控制板調換到其它單元后D11仍顯示異常，故確認該控制板本身存在問題，與其他電路無關，同時新采購的IGBT組件可正常使用。

后來，我們將存在問題的主控制板寄回ABB廠商，他們通過PQF－Link軟件（該軟件采購費用約需15萬元）讀取的故障信息為：該單元IGBT曾發生故障；此后繼續在對該單元重復加電過程中導致主控板Clock錯誤，屬于軟件錯誤，可通過PQF－Link軟件進行恢復。廠商售后技術服務人員將該板免費修復（ABB售后服務甚好）后，我們安裝后運行正常，該故障徹底修復，費用僅1.5萬元，比外協廠商維修節約7.5萬元。

事后我們再次分析故障原因，基本確認為：主控制板出現軟件錯誤的原因可能是我們自行將拼裝的IGBT安裝后加電測試再次炸管時造成的，而在設備散熱良好、負載無明顯異常（今年設備發生故障為早上索道尚未運行，有源濾波設備處于空載或輕載工況）的情況，IGBT半橋因自身故障損壞的可能性不是很，故IGBT組件中集成觸發保護電路有故障的可能性最大。因無該備件，盡管我們后來又買了的3只全新IGBT半橋（每只只需幾百元）拼裝成組件，但因擔憂再次造成主控制板發生軟件故障，故未進行測試（如測試仍炸管則肯定為觸發保護電路故障）。

結合故障案例和日常維護經驗，提醒有源濾波設備維護中需要注意幾個問題：一是散熱通道確保通暢，風機運行正常，重點檢查風機濾網不能堵塞，特別是新建索道設備調試階段所處環境衛生狀況差，天臺索道的濾波單元運行初期常出現過溫報警，普中因風機濾網網格有堵塞，后來的故障可能與此有關；二是檢測設備運行溫度不能過高，必要時應采取降溫措施或限制設備輸出電流；三是直流回路電解電容器正常使用壽命為6－8年，發現直流電壓下降明顯時需更換電容；四是出現故障應準確記錄各種故障信息，拆檢設備前應確保電容器已完全放電并采取必要的防觸電措施。

APQFS并聯有源電力濾波器故障案例分析

五

** 結語**

客運索道所使用的并聯型電力有源濾波設備屬于造價高的電氣設備之一，在做好日常維保工作的基礎上，深入分析其內部結構原理，有利于更好地維護設備、更快地診斷故障前從一定程度上降低設備維修成本。