PQFS有源滤波设备原理简述和故障案例分析
一
** 谐波的基本概念**
1.定义
谐波是指电流中所含有的频率为基波的整数倍的电量，一般是指对周期性的非正弦电量进行傅里叶级数分解，其余大于基波频率的电流产生的电量。从广义上讲，由于交流电网有效分量为工频单一频率，因此任何与工频频率不同的成分都可以称之为谐波，这时“谐波”这个词的的意义已经变得与原意有些不符。正是因为广义的谐波概念，才有了“分数谐波”、“间谐波”、“次谐波”等等说法。高次谐波的频率必然也等于基波的频率的若干倍，基波频率3倍的波称之为三次谐波，基波频率5倍的波称之为五次谐波，以此类推。不管几次谐波，他们都是正弦波。
2.产生的原因
由于正弦电压加压于非线性负载，基波电流发生畸变产生谐波。所有的非线性负荷都能产生谐波电流，产生谐波的设备类型有：开关模式电源(smps)、电子荧光灯镇流器、调速传动装置（整流器、变频器）、逆变器、不间断电源 (ups)、磁性铁芯设备及某些家用电器如电视机等。
谐波电流的产生是与功率转换器的脉冲数相关的。6脉冲设备仅有5、7、11、13、17、19 …。n倍于电网频率。功率变换器的脉冲数越高，最低次的谐波分量的频率的次数就越高。其他功率消耗装置，例如荧光灯的电子控制调节器产生大强度的3 次谐波( 150 赫兹)。
3.谐波的危害
降低系统容量如变压器、断路器、电缆等加速设备老化，缩短设备使用寿命，甚至损坏设备危害生产安全与稳定浪费电能等二
** 谐波治理方式**
目前常用的谐波治理的方法有三种：无功补偿、无源滤波、有源滤波。
**1. 无功补偿：**对于并联电容器低压无功能补偿设备，如按一定感抗比例配置限流电抗器，则lc对接近谐振频率的谐波有一定抵制作用，相当于无源滤波，缺点是：只有在电容投入时才有作用；会增大电容与电抗器的发热量。有源电力滤波器是治理谐波的最优产品。
**2. 无源滤波：**无源滤波器，又称lc滤波器，由lc等被动元件组成，将其设计为某频率下极低阻抗（谐振频率），对相应频率谐波电流进行分流，其行为模式为提供被动式谐波电流旁路通道。单调谐滤波器、双调谐滤波器、高通滤波器都属于无源滤波器。无源滤波器优点：无源滤波器具有结构简单、成本低廉、运行可靠性较高、运行费用较低；缺点：通带内的信号有能量损耗，负载效应比较明显，使用电感元件时容易引起电磁感应，当电感l较大时滤波器的体积和重量都比较大，在低频域不适用。
图1 无源滤波示意图
**3. 有源滤波（apf）：**有源滤波器是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置，它能够对大小和频率均处于变化状态的谐波以及变化的无功进行补偿。之所以称为有源，顾名思义该装置需要提供电源（用以补偿主电路的谐波），其应用可克服lc无源滤波器等传统的谐波抑制和无功补偿方法只能进行固定量补偿的缺点，实现了动态跟踪补偿，可以同时滤除多次及高次谐波，不会引起谐振，而且可以既补谐波又补无功（无功相当于一次谐波）。优点：可动态滤除各次谐波，对系统内的谐波能够完全吸收，不会产生谐振。缺点：一是通带范围受有源器件的带宽限制；二是需要直流电源供电；三是可靠性不如无源滤波器高，在高压、高频、大功率的场合不适用，另外造价相对较高。有源滤波器有并联型和串联型两种，并联有源滤波器主要是治理电流谐波，串联有源滤波器主要是治理电压谐波等引起的问题，本文只对客运索道使用的并联型滤波器进行分析。
图2 并联有源滤波示意图
我们公司天台索道配置的并联有源电力滤波器为abb公司pqfs型（图3），百岁宫缆车和花台索道使用的是国产追日电气公司zapf型（图4），从使用经验来看，其工作原理、谐波治理效果、设备故障率、售后服务等方面基本接近，但国产设备的造价和故障维修成本约为进口产品的60%左右，综合效益有明显优势。并联型有源电力滤波器的工作原理：并联有源滤波器的dsp（数字信号处理）电路专用电流互流器实时检测的负载电流进行内部计算后提取出负载电流中的谐波成分，根据计算结果生成相应的pwm（即脉冲宽度调制，利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种技术）触发信号发送给电流发生器（功率单元）对应的igbt全桥逆变器组件,控制其产生一个和负载谐波电流大小相等，方向相反的谐波电流注入到电网中，与已有谐波相互抵消（图5），从而达到滤波的目的。
图3 abb pqfs单元元件分布图
图4 追日电气zapf－100元件分布
图5 并联有源滤波波形示意图
三
abb公司pqfs并联有源电力滤波器的结构原理
abb 公司的pqfs型低压并联型有源滤波器的dsp采用先进的控制算法，能根据用户的参数设置独立选择每次谐波的补偿量，滤波器会针对所选定的目标谐波注入相位相反的补偿电流，这样可以保证完美滤除用户选定的目标谐波。pqf并联有源滤波器采取模块化设备，一个系统根据所需容量可由1－8个模块单元（一主多从）组成，整个系统包括三个功能部件：
1. pqf－manger人机界面 ：pqf-manager是一款图形用户操作界面，是全系列pqf有源动态滤波器主模块的标配附件，通过can总线联接到主单元模块的主控制器对应的通讯端口上。它可以帮助用户快速调试，并允许用户实时监测电网质量。通过该用户界面，用户还可以直接对滤波器进行控制、编程和监视，而无需使用电脑。此外它还具备通讯、故障详情显示和实时事件记录等功能。pqf-manager拥有大尺寸（320 x 240像素）触摸显示屏，信息、提示和图像布局清晰合理，能够为客户提供无与伦比的可视化操作体验（前面板和背部接线路见图6）。主要功能如下：
启动、停止和重启滤波器测量、分析和记录各个参数对滤波器进行设定监视滤波器负载，做故障记录
图6 pqf－manger前面板和背部接线路
2. 主控制器（滤波器控制器，见图7） ：根据线路电流测量值（专用电流互感器ct测量，须安装在过滤器和负载连接点之前位置）和用户要求决定注入的谐波电流，用户可通过pqf －manager对各谐波最大补偿量进行设置。主控制器主要功能：一是接受和执行用户启动停止指令；二是计算和生成igbt逆变器模块控制信号并提供驱动信号接口；三是测量系统电压电流和igbt模块状态信号等；三是提供报警/警告输出触点、远程控制功能、其他数字输入功能，及外部通信/打印功能接口。
图7 pqfs单元主控制器实物图片
abb早期产品中只有主单元模块配置有主控制器，同时控制主单元控制信号和通过光纤送到从单元多米诺电路，由多米诺进行信号转换后控制从单元电流发生器；升级版产品所有模块配置相同，均包括控制主单元和电流发生器（通过主控制器的跳线将其设置从主单元还是第几个从单元），主单元与从单元间通过can总线按序联连（即主－从1－从2……从n）通讯。
早期/后期pqfs系统拓扑图
**3. 电流发生器（功率单元）：**将滤波器控制器产生的控制信号转换为滤波器补偿电流，电流发生器与负载并联。早期的滤波器系统只有一个主单元，每个系统最多带3个从单元；升级版产品可以存在多个主单元，每个主单元最多带7个从单元。
abb公司pqfs并联有源电力滤波器的结构原理
四
** apqfs并联有源****电力滤波器故障案例分析**
天台索道使用的产品为abb公司pqfs升级版并联有源电力滤波器，共有4个滤波单元（一主三从）组成，额定容量为400a，2017年初先后有两个单元（1#和3#）发生功率单元igbt组件损坏（炸管）故障，委托厂商更换该组件后修复，当时主控制板无故障，维修费用12万元（每个单元6万元）。
2022年3月4#单元再次发生igbt组件故障，我们拆检发现该组件是西门康（semikron又译赛米控）公司产品，组件型号为skiip 313gd122－3dul（图8），是由集成式触发保护电路、3只igbt半桥（型号skiip 313 gb122ct）及金属散热器组装而成。经简单测量发现其中两只igbt半桥损坏，本着修旧利废原则，我们将2017年维修时换下的两套组件上两只尚未损坏的igbt半桥（每套有一只未损坏的半桥）拆下替换本次故障的两只损坏件后，进行上电测试，结果刚将系统切换到运行态，igbt组件立即炸管，故障未能修复。
分析故障原因有几种可能：一是拆下的旧igbt半桥当年发生故障时已受冲击有缺陷，故尽管测量时正常，但加电带载即损坏；二是igbt组件中集成式触发保护电路有故障（无法自行测试，厂商专用测试工具需3万元左右）；三是主控制器有问题，提供的六组脉冲时序不正常导致igbt损坏。后经综合分析，判断igbt组件集成式触发保护电路故障可能性更大一些。联系厂商，目前每个单元维修费用报价已涨到9万元。
为了节约维护费用，我们后来从国内赛米控代理商处采购了一只同型号ibgt组件（费用1.5万元），安装好对控制电路上电测试时发现电源合闸模块尚未通过控制面板切换到运行状态时，原故障pqf单元控制板上的 “d11：f strt（2）”即常亮状态（图9红线框内），此时该单元主接触器并未吸合，而此时其他单元该指示灯均为熄灭状态。
图9 igbt主控板led指示灯
为防止igbt损坏，我们在将该单元退出（拔下三只熔断器）后，将其它三组pqfs单元投入运行，发现只有通过控制面板启动设备后，有源滤波设备处于运行状态时d11才常亮（同时主接触器吸合），设备切换到停止工况后，d11熄灭，查手册发现d11为运行指示或等待故障复位（当时未注意后一功能，经咨询abb厂商技术人员才确认）。
为了确认是主控板故障还是外围电路有问题（如新换的igbt组件），我们将显示异常的主控板与另一单元主控板对调（单元编号拔码开关s5作相应调整），测试结果为，另一单元主控板安装到新换igbt组的单元上运行正常，而显示异常的控制板调换到其它单元后d11仍显示异常，故确认该控制板本身存在问题，与其他电路无关，同时新采购的igbt组件可正常使用。
后来，我们将存在问题的主控制板寄回abb厂商，他们通过pqf－link软件（该软件采购费用约需15万元）读取的故障信息为：该单元igbt曾发生故障；此后继续在对该单元重复加电过程中导致主控板clock错误，属于软件错误，可通过pqf－link软件进行恢复。厂商售后技术服务人员将该板免费修复（abb售后服务甚好）后，我们安装后运行正常，该故障彻底修复，费用仅1.5万元，比外协厂商维修节约7.5万元。
事后我们再次分析故障原因，基本确认为：主控制板出现软件错误的原因可能是我们自行将拼装的igbt安装后加电测试再次炸管时造成的，而在设备散热良好、负载无明显异常（今年设备发生故障为早上索道尚未运行，有源滤波设备处于空载或轻载工况）的情况，igbt半桥因自身故障损坏的可能性不是很，故igbt组件中集成触发保护电路有故障的可能性最大。因无该备件，尽管我们后来又买了的3只全新igbt半桥（每只只需几百元）拼装成组件，但因担忧再次造成主控制板发生软件故障，故未进行测试（如测试仍炸管则肯定为触发保护电路故障）。
结合故障案例和日常维护经验，提醒有源滤波设备维护中需要注意几个问题：一是散热通道确保通畅，风机运行正常，重点检查风机滤网不能堵塞，特别是新建索道设备调试阶段所处环境卫生状况差，天台索道的滤波单元运行初期常出现过温报警，普中因风机滤网网格有堵塞，后来的故障可能与此有关；二是检测设备运行温度不能过高，必要时应采取降温措施或限制设备输出电流；三是直流回路电解电容器正常使用寿命为6－8年，发现直流电压下降明显时需更换电容；四是出现故障应准确记录各种故障信息，拆检设备前应确保电容器已完全放电并采取必要的防触电措施。
apqfs并联有源电力滤波器故障案例分析
五
** 结语**
客运索道所使用的并联型电力有源滤波设备属于造价高的电气设备之一，在做好日常维保工作的基础上，深入分析其内部结构原理，有利于更好地维护设备、更快地诊断故障前从一定程度上降低设备维修成本。
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** 谐波的基本概念**
1.定义
谐波是指电流中所含有的频率为基波的整数倍的电量，一般是指对周期性的非正弦电量进行傅里叶级数分解，其余大于基波频率的电流产生的电量。从广义上讲，由于交流电网有效分量为工频单一频率，因此任何与工频频率不同的成分都可以称之为谐波，这时“谐波”这个词的的意义已经变得与原意有些不符。正是因为广义的谐波概念，才有了“分数谐波”、“间谐波”、“次谐波”等等说法。高次谐波的频率必然也等于基波的频率的若干倍，基波频率3倍的波称之为三次谐波，基波频率5倍的波称之为五次谐波，以此类推。不管几次谐波，他们都是正弦波。
2.产生的原因
由于正弦电压加压于非线性负载，基波电流发生畸变产生谐波。所有的非线性负荷都能产生谐波电流，产生谐波的设备类型有：开关模式电源(smps)、电子荧光灯镇流器、调速传动装置（整流器、变频器）、逆变器、不间断电源 (ups)、磁性铁芯设备及某些家用电器如电视机等。
谐波电流的产生是与功率转换器的脉冲数相关的。6脉冲设备仅有5、7、11、13、17、19 …。n倍于电网频率。功率变换器的脉冲数越高，最低次的谐波分量的频率的次数就越高。其他功率消耗装置，例如荧光灯的电子控制调节器产生大强度的3 次谐波( 150 赫兹)。
3.谐波的危害
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** 谐波治理方式**
目前常用的谐波治理的方法有三种：无功补偿、无源滤波、有源滤波。
**1. 无功补偿：**对于并联电容器低压无功能补偿设备，如按一定感抗比例配置限流电抗器，则lc对接近谐振频率的谐波有一定抵制作用，相当于无源滤波，缺点是：只有在电容投入时才有作用；会增大电容与电抗器的发热量。有源电力滤波器是治理谐波的最优产品。
**2. 无源滤波：**无源滤波器，又称lc滤波器，由lc等被动元件组成，将其设计为某频率下极低阻抗（谐振频率），对相应频率谐波电流进行分流，其行为模式为提供被动式谐波电流旁路通道。单调谐滤波器、双调谐滤波器、高通滤波器都属于无源滤波器。无源滤波器优点：无源滤波器具有结构简单、成本低廉、运行可靠性较高、运行费用较低；缺点：通带内的信号有能量损耗，负载效应比较明显，使用电感元件时容易引起电磁感应，当电感l较大时滤波器的体积和重量都比较大，在低频域不适用。
图1 无源滤波示意图
**3. 有源滤波（apf）：**有源滤波器是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置，它能够对大小和频率均处于变化状态的谐波以及变化的无功进行补偿。之所以称为有源，顾名思义该装置需要提供电源（用以补偿主电路的谐波），其应用可克服lc无源滤波器等传统的谐波抑制和无功补偿方法只能进行固定量补偿的缺点，实现了动态跟踪补偿，可以同时滤除多次及高次谐波，不会引起谐振，而且可以既补谐波又补无功（无功相当于一次谐波）。优点：可动态滤除各次谐波，对系统内的谐波能够完全吸收，不会产生谐振。缺点：一是通带范围受有源器件的带宽限制；二是需要直流电源供电；三是可靠性不如无源滤波器高，在高压、高频、大功率的场合不适用，另外造价相对较高。有源滤波器有并联型和串联型两种，并联有源滤波器主要是治理电流谐波，串联有源滤波器主要是治理电压谐波等引起的问题，本文只对客运索道使用的并联型滤波器进行分析。
图2 并联有源滤波示意图
我们公司天台索道配置的并联有源电力滤波器为abb公司pqfs型（图3），百岁宫缆车和花台索道使用的是国产追日电气公司zapf型（图4），从使用经验来看，其工作原理、谐波治理效果、设备故障率、售后服务等方面基本接近，但国产设备的造价和故障维修成本约为进口产品的60%左右，综合效益有明显优势。并联型有源电力滤波器的工作原理：并联有源滤波器的dsp（数字信号处理）电路专用电流互流器实时检测的负载电流进行内部计算后提取出负载电流中的谐波成分，根据计算结果生成相应的pwm（即脉冲宽度调制，利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种技术）触发信号发送给电流发生器（功率单元）对应的igbt全桥逆变器组件,控制其产生一个和负载谐波电流大小相等，方向相反的谐波电流注入到电网中，与已有谐波相互抵消（图5），从而达到滤波的目的。
图3 abb pqfs单元元件分布图
图4 追日电气zapf－100元件分布
图5 并联有源滤波波形示意图
三
abb公司pqfs并联有源电力滤波器的结构原理
abb 公司的pqfs型低压并联型有源滤波器的dsp采用先进的控制算法，能根据用户的参数设置独立选择每次谐波的补偿量，滤波器会针对所选定的目标谐波注入相位相反的补偿电流，这样可以保证完美滤除用户选定的目标谐波。pqf并联有源滤波器采取模块化设备，一个系统根据所需容量可由1－8个模块单元（一主多从）组成，整个系统包括三个功能部件：
1. pqf－manger人机界面 ：pqf-manager是一款图形用户操作界面，是全系列pqf有源动态滤波器主模块的标配附件，通过can总线联接到主单元模块的主控制器对应的通讯端口上。它可以帮助用户快速调试，并允许用户实时监测电网质量。通过该用户界面，用户还可以直接对滤波器进行控制、编程和监视，而无需使用电脑。此外它还具备通讯、故障详情显示和实时事件记录等功能。pqf-manager拥有大尺寸（320 x 240像素）触摸显示屏，信息、提示和图像布局清晰合理，能够为客户提供无与伦比的可视化操作体验（前面板和背部接线路见图6）。主要功能如下：
启动、停止和重启滤波器测量、分析和记录各个参数对滤波器进行设定监视滤波器负载，做故障记录
图6 pqf－manger前面板和背部接线路
2. 主控制器（滤波器控制器，见图7） ：根据线路电流测量值（专用电流互感器ct测量，须安装在过滤器和负载连接点之前位置）和用户要求决定注入的谐波电流，用户可通过pqf －manager对各谐波最大补偿量进行设置。主控制器主要功能：一是接受和执行用户启动停止指令；二是计算和生成igbt逆变器模块控制信号并提供驱动信号接口；三是测量系统电压电流和igbt模块状态信号等；三是提供报警/警告输出触点、远程控制功能、其他数字输入功能，及外部通信/打印功能接口。
图7 pqfs单元主控制器实物图片
abb早期产品中只有主单元模块配置有主控制器，同时控制主单元控制信号和通过光纤送到从单元多米诺电路，由多米诺进行信号转换后控制从单元电流发生器；升级版产品所有模块配置相同，均包括控制主单元和电流发生器（通过主控制器的跳线将其设置从主单元还是第几个从单元），主单元与从单元间通过can总线按序联连（即主－从1－从2……从n）通讯。
早期/后期pqfs系统拓扑图
**3. 电流发生器（功率单元）：**将滤波器控制器产生的控制信号转换为滤波器补偿电流，电流发生器与负载并联。早期的滤波器系统只有一个主单元，每个系统最多带3个从单元；升级版产品可以存在多个主单元，每个主单元最多带7个从单元。
abb公司pqfs并联有源电力滤波器的结构原理
四
** apqfs并联有源****电力滤波器故障案例分析**
天台索道使用的产品为abb公司pqfs升级版并联有源电力滤波器，共有4个滤波单元（一主三从）组成，额定容量为400a，2017年初先后有两个单元（1#和3#）发生功率单元igbt组件损坏（炸管）故障，委托厂商更换该组件后修复，当时主控制板无故障，维修费用12万元（每个单元6万元）。
2022年3月4#单元再次发生igbt组件故障，我们拆检发现该组件是西门康（semikron又译赛米控）公司产品，组件型号为skiip 313gd122－3dul（图8），是由集成式触发保护电路、3只igbt半桥（型号skiip 313 gb122ct）及金属散热器组装而成。经简单测量发现其中两只igbt半桥损坏，本着修旧利废原则，我们将2017年维修时换下的两套组件上两只尚未损坏的igbt半桥（每套有一只未损坏的半桥）拆下替换本次故障的两只损坏件后，进行上电测试，结果刚将系统切换到运行态，igbt组件立即炸管，故障未能修复。
分析故障原因有几种可能：一是拆下的旧igbt半桥当年发生故障时已受冲击有缺陷，故尽管测量时正常，但加电带载即损坏；二是igbt组件中集成式触发保护电路有故障（无法自行测试，厂商专用测试工具需3万元左右）；三是主控制器有问题，提供的六组脉冲时序不正常导致igbt损坏。后经综合分析，判断igbt组件集成式触发保护电路故障可能性更大一些。联系厂商，目前每个单元维修费用报价已涨到9万元。
为了节约维护费用，我们后来从国内赛米控代理商处采购了一只同型号ibgt组件（费用1.5万元），安装好对控制电路上电测试时发现电源合闸模块尚未通过控制面板切换到运行状态时，原故障pqf单元控制板上的 “d11：f strt（2）”即常亮状态（图9红线框内），此时该单元主接触器并未吸合，而此时其他单元该指示灯均为熄灭状态。
图9 igbt主控板led指示灯
为防止igbt损坏，我们在将该单元退出（拔下三只熔断器）后，将其它三组pqfs单元投入运行，发现只有通过控制面板启动设备后，有源滤波设备处于运行状态时d11才常亮（同时主接触器吸合），设备切换到停止工况后，d11熄灭，查手册发现d11为运行指示或等待故障复位（当时未注意后一功能，经咨询abb厂商技术人员才确认）。
为了确认是主控板故障还是外围电路有问题（如新换的igbt组件），我们将显示异常的主控板与另一单元主控板对调（单元编号拔码开关s5作相应调整），测试结果为，另一单元主控板安装到新换igbt组的单元上运行正常，而显示异常的控制板调换到其它单元后d11仍显示异常，故确认该控制板本身存在问题，与其他电路无关，同时新采购的igbt组件可正常使用。
后来，我们将存在问题的主控制板寄回abb厂商，他们通过pqf－link软件（该软件采购费用约需15万元）读取的故障信息为：该单元igbt曾发生故障；此后继续在对该单元重复加电过程中导致主控板clock错误，属于软件错误，可通过pqf－link软件进行恢复。厂商售后技术服务人员将该板免费修复（abb售后服务甚好）后，我们安装后运行正常，该故障彻底修复，费用仅1.5万元，比外协厂商维修节约7.5万元。
事后我们再次分析故障原因，基本确认为：主控制板出现软件错误的原因可能是我们自行将拼装的igbt安装后加电测试再次炸管时造成的，而在设备散热良好、负载无明显异常（今年设备发生故障为早上索道尚未运行，有源滤波设备处于空载或轻载工况）的情况，igbt半桥因自身故障损坏的可能性不是很，故igbt组件中集成触发保护电路有故障的可能性最大。因无该备件，尽管我们后来又买了的3只全新igbt半桥（每只只需几百元）拼装成组件，但因担忧再次造成主控制板发生软件故障，故未进行测试（如测试仍炸管则肯定为触发保护电路故障）。
结合故障案例和日常维护经验，提醒有源滤波设备维护中需要注意几个问题：一是散热通道确保通畅，风机运行正常，重点检查风机滤网不能堵塞，特别是新建索道设备调试阶段所处环境卫生状况差，天台索道的滤波单元运行初期常出现过温报警，普中因风机滤网网格有堵塞，后来的故障可能与此有关；二是检测设备运行温度不能过高，必要时应采取降温措施或限制设备输出电流；三是直流回路电解电容器正常使用寿命为6－8年，发现直流电压下降明显时需更换电容；四是出现故障应准确记录各种故障信息，拆检设备前应确保电容器已完全放电并采取必要的防触电措施。
apqfs并联有源电力滤波器故障案例分析
五
** 结语**
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