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(shù)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(shù)分解，其余大于基波頻率的電流產(chǎn)生的電量。從廣義上講，由于交流電網(wǎng)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(jīng)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(shù)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(chǎn)生的原因

由于正弦電壓加壓于非線性負載，基波電流發(fā)生畸變產(chǎn)生諧波。所有的非線性負荷都能產(chǎn)生諧波電流，產(chǎn)生諧波的設備類型有：開關模式電源(SMPS)、電子熒光燈鎮(zhèn)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(chǎn)生是與功率轉換器的脈沖數(shù)相關的。6脈沖設備僅有5、7、11、13、17、19 …。n倍于電網(wǎng)頻率。功率變換器的脈沖數(shù)越高，最低次的諧波分量的頻率的次數(shù)就越高。其他功率消耗裝置，例如熒光燈的電子控制調節(jié)器產(chǎn)生大強度的3 次諧波( 150 赫茲)。

3.諧波的危害

• 降低系統(tǒng)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(chǎn)安全與穩(wěn)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(lián)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(fā)熱量。有源電力濾波器是治理諧波的最優(yōu)產(chǎn)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(yōu)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(nèi)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(tài)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(tài)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(tǒng)的諧波抑制和無功補償方法只能進行固定量補償?shù)娜秉c，實現(xiàn)了動態(tài)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(yōu)點：可動態(tài)濾除各次諧波，對系統(tǒng)內(nèi)的諧波能夠完全吸收，不會產(chǎn)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(lián)型和串聯(lián)型兩種，并聯(lián)有源濾波器主要是治理電流諧波，串聯(lián)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(lián)型濾波器進行分析。

圖2 并聯(lián)有源濾波示意圖

我們公司天臺索道配置的并聯(lián)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(chǎn)追日電氣公司ZAPF型（圖4），從使用經(jīng)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(chǎn)設備的造價和故障維修成本約為進口產(chǎn)品的60%左右，綜合效益有明顯優(yōu)勢。并聯(lián)型有源電力濾波器的工作原理：并聯(lián)有源濾波器的DSP（數(shù)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(nèi)部計算后提取出負載電流中的諧波成分，根據(jù)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(shù)字輸出來對模擬電路進行控制的一種技術）觸發(fā)信號發(fā)送給電流發(fā)生器（功率單元）對應的IGBT全橋逆變器組件,控制其產(chǎn)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(wǎng)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(lián)有源濾波波形示意圖

三

ABB公司PQFS并聯(lián)有源電力濾波器的結構原理

ABB 公司的PQFS型低壓并聯(lián)型有源濾波器的DSP采用先進的控制算法，能根據(jù)用戶的參數(shù)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(lián)有源濾波器采取模塊化設備，一個系統(tǒng)根據(jù)所需容量可由1－8個模塊單元（一主多從）組成，整個系統(tǒng)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(tài)濾波器主模塊的標配附件，通過CAN總線聯(lián)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(jiān)測電網(wǎng)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(jiān)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(shù)
• 對濾波器進行設定
• 監(jiān)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(jù)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(zhí)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(tǒng)電壓電流和IGBT模塊狀態(tài)信號等；三是提供報警/警告輸出觸點、遠程控制功能、其他數(shù)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(chǎn)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(fā)生器；升級版產(chǎn)品所有模塊配置相同，均包括控制主單元和電流發(fā)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(lián)連（即主－從1－從2……從n）通訊。

早期/后期PQFS系統(tǒng)拓撲圖

**3. 電流發(fā)生器（功率單元）：**將濾波器控制器產(chǎn)生的控制信號轉換為濾波器補償電流，電流發(fā)生器與負載并聯(lián)。早期的濾波器系統(tǒng)只有一個主單元，每個系統(tǒng)最多帶3個從單元；升級版產(chǎn)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(lián)有源電力濾波器的結構原理

四

** APQFS并聯(lián)有源****電力濾波器故障案例分析**

天臺索道使用的產(chǎn)品為ABB公司PQFS升級版并聯(lián)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(fā)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(fā)生IGBT組件故障，我們拆檢發(fā)現(xiàn)該組件是西門康（SEMIKRON又譯賽米控）公司產(chǎn)品，組件型號為SKIIP 313GD122－3DUL（圖8），是由集成式觸發(fā)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(jīng)簡單測量發(fā)現(xiàn)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(tǒng)切換到運行態(tài)，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(fā)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(fā)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(jīng)綜合分析，判斷IGBT組件集成式觸發(fā)保護電路故障可能性更大一些。聯(lián)系廠商，目前每個單元維修費用報價已漲到9萬元。

為了節(jié)約維護費用，我們后來從國內(nèi)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(fā)現(xiàn)電源合閘模塊尚未通過控制面板切換到運行狀態(tài)時，原故障PQF單元控制板上的 “D11：F Strt（2）”即常亮狀態(tài)（圖9紅線框內(nèi)），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(tài)。

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(fā)現(xiàn)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(tài)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(fā)現(xiàn)D11為運行指示或等待故障復位（當時未注意后一功能，經(jīng)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?lián)Q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?lián)QIGBT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(fā)生故障；此后繼續(xù)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(xié)廠商維修節(jié)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(xiàn)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(fā)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(fā)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(fā)生軟件故障，故未進行測試（如測試仍炸管則肯定為觸發(fā)保護電路故障）。

結合故障案例和日常維護經(jīng)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(wǎng)不能堵塞，特別是新建索道設備調試階段所處環(huán)境衛(wèi)生狀況差，天臺索道的濾波單元運行初期常出現(xiàn)過溫報警，普中因風機濾網(wǎng)網(wǎng)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(fā)現(xiàn)直流電壓下降明顯時需更換電容；四是出現(xiàn)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(lián)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(lián)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(nèi)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。