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摘 要：随着电力电子装置等非线性负载广泛应用，大量的谐波注入电网，给电网和各用电设备造成的危害也日趋严重。有源电力滤波器（active power filter，APF）是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置，它能对大小频率都变化的谐波以及变化的无功进行补偿。本厂委托某公司对电力变压器低压侧谐波情况进行了测量，并根据测试数据，设计并安装了相应容量的有源电力滤波器柜。而在运行过程中，有源电力滤波器柜的直流母线电容接连出现鼓包现象，因此对各种可能的原因进行罗列，并根据现场情况对原因逐一分析，得出了相关原因以及改进措施。
关键词：有源电力滤波器;谐波;电容鼓包;谐振
0引言
随着电力电子设备的大量应用，各种非线性负载导致电流波形畸变，在电网中产生了大量的谐波电流，目前国内外的主要滤波装置为有源电力滤波器，该装置的投入使用很大程度上改善了电网的谐波。直流母线电容是有源电力滤波器中的重要器件，起着稳定母线电压和能量储能及交换的作用，而本厂有源电力滤波器中的直流母线电容接二连三的出现鼓包现象[1]，严重影响了设备的正常运行，造成电网谐波无法补偿，谐波电流增加，对用电设备带来了损害。
1 有源电力滤波器原理与结构
有源电力滤波器的工作原理如图1所示：通过检测补偿对象的电压和电流，经指令电流运算电路计算得出补偿电流的指令信号，然后该信号经补偿电流控制输出和主电路放大，得出补偿电流，补偿电流与非线性负载电流中要补偿的谐波与无功等电流抵消[2]，最终得到期望的正弦波电流。
有源电力滤波器主要有两部分构成，即控制电路和主电路。控制电路分为指令运算电路和电流跟踪控制电路，实现谐波电流检测、基准补偿电流计算及PWM信号的输出等功能，该部分主要是通过数字信号处理器采用编程语言来实现。主电路分为三相PWM变流器和驱动电路，实现补偿电流的输出，其主电路拓扑图如图2所示。主电路主要由交流接触器（KM1、KM2）、进线电感（L）、三相全桥电压型PWM变流器、滤波电容（C1-C3）和电解电容（C4-C7）等构成。直流母线的电解电容用来储存直流侧能量;滤波电容主要滤出高频谐波;电阻R1和接触器KM1构成泄放电容电荷回路。
2 电容器鼓包常见原因
电容鼓包漏液的最终原因是因为过热。电解电容因为其结构特性，内部装有电解液，在使用过程中如果出现过压、过流、流入谐波或者谐振现象，这时电容的漏电流增大，电容会在短时间内迅速发热，导致电容的温度升高，电容内部的电解液会因高温变成气体致使电容内部的压力增大。当这个压力超过其外壳承受压力的时候，电容就会鼓包爆浆。
通过上述对电容鼓包现象和根本原因的分析，从两个方面对其作出分析：（1）有源电力滤波器[3]自身问题;（2）外界因素。
2.1 有源电力滤波器自身问题
（1）整流桥损坏，IGBT并联的二极管被击穿，有交流电流通过电解电容，电解电容是存在极性的，如果电压反向，且过大，就会导致电容损坏。
（2）电容过压保护（APF设定值为830V）或过流保护未及时动作，长时间过压或者过流使得电容过热而鼓包。
（3）由于電容泄放电荷回路故障，导致其带电荷合闸。因为合闸瞬间的电压极性可能与电容器上残留电荷的极性相反而引起鼓包。
2.2 外界因素
（1）高次谐波电流叠加于基波电流，使电容器总电流增大。
（2）某一高次谐波在系统感抗和电容器容抗之间引起并联谐振，使流入电容器的电流成倍增长。
（3）电容器内部对某一高次谐波发生局部串联谐振，从而引起过流。
（4）系统中低频纹波电流的产生，使得电容发热，过热导致鼓包。
3 直流母线电容鼓包原因分析
从APF自身分析，按照设计要求，当系统过压或者过流时，直流母线电压超过830V，或输出电流超过IGBT额定电流时，会报故障且切断主回路。而通过查看相关监控视频，APF提示故障后，很短时间内电容和IGBT模块直接炸开，而不是系统进行保护动作。那么就可能存在有源电力滤波器保护电路故障，无法正常动作。
在有源电力滤波器装设完后，厂里又增加了一些变频器等电力电子设备，特别是卷包车间从原来的7台设备增加到12台，容量增加很大，制丝车间相应的也增加了很多设备。设备容量增加的同时，也造成了谐波容量的增大，谐波次数的增加，而有源电力滤波器的容量是固定的，且其设置的相关参数（相位角等）也是根据原来的谐波容量设定的，就会造成其谐波补偿率降低，很可能使有源电力滤波器以及无功补偿柜与整个厂的供配电系统和负载不匹配，在特定的情况下，某一高次谐波就会使电容器发生串联谐振或者并联谐振，流经电容的电流过大，就会导致过热而鼓包。另外，低频和高频谐波电流的增大，使得流经电容的电流增大而导致过热鼓包，这也是一种可能的原因。
4 结论
通过上述对有源电力滤波器的工作原理，以及直流母线电容鼓包爆浆原因的分析，可以得出，电容鼓包爆浆的主要可能原因：（1）有源电力滤波器的保护电路存在故障，无法正常动作;（2）由于非线性设备增加，谐波容量增大，可能导致电容发生谐振，或者是谐波电流与基波电流的叠加，使得电容电流过大而发热引起的故障。要从根本上解决电容鼓包爆浆的问题，需检查源电力滤波器的保护功能是否完好，并重新检测配电系统谐波电流容量，是否与系统匹配，重新对有源滤波系统设计，使其满足整个供配电系统谐波补偿的需求。
参考文献：
[1] 刘亮，邓名高. 有源电力滤波器直流母线电容损坏分析[J]. 电工技术，2011，01：69-70.
[2] 唐欣，滕本科，涂春鸣. 并联型有源电力滤波器的无功功率选择性补偿方法[J]. 高电压技术，2012，06：1480-1485.
[3] 张耀文. 基于DSP的并联有源电力滤波器的应用研究[D].山东大学，2007.
关键词：有源电力滤波器;谐波;电容鼓包;谐振
0引言
随着电力电子设备的大量应用，各种非线性负载导致电流波形畸变，在电网中产生了大量的谐波电流，目前国内外的主要滤波装置为有源电力滤波器，该装置的投入使用很大程度上改善了电网的谐波。直流母线电容是有源电力滤波器中的重要器件，起着稳定母线电压和能量储能及交换的作用，而本厂有源电力滤波器中的直流母线电容接二连三的出现鼓包现象[1]，严重影响了设备的正常运行，造成电网谐波无法补偿，谐波电流增加，对用电设备带来了损害。
1 有源电力滤波器原理与结构
有源电力滤波器的工作原理如图1所示：通过检测补偿对象的电压和电流，经指令电流运算电路计算得出补偿电流的指令信号，然后该信号经补偿电流控制输出和主电路放大，得出补偿电流，补偿电流与非线性负载电流中要补偿的谐波与无功等电流抵消[2]，最终得到期望的正弦波电流。
有源电力滤波器主要有两部分构成，即控制电路和主电路。控制电路分为指令运算电路和电流跟踪控制电路，实现谐波电流检测、基准补偿电流计算及PWM信号的输出等功能，该部分主要是通过数字信号处理器采用编程语言来实现。主电路分为三相PWM变流器和驱动电路，实现补偿电流的输出，其主电路拓扑图如图2所示。主电路主要由交流接触器（KM1、KM2）、进线电感（L）、三相全桥电压型PWM变流器、滤波电容（C1-C3）和电解电容（C4-C7）等构成。直流母线的电解电容用来储存直流侧能量;滤波电容主要滤出高频谐波;电阻R1和接触器KM1构成泄放电容电荷回路。
2 电容器鼓包常见原因
电容鼓包漏液的最终原因是因为过热。电解电容因为其结构特性，内部装有电解液，在使用过程中如果出现过压、过流、流入谐波或者谐振现象，这时电容的漏电流增大，电容会在短时间内迅速发热，导致电容的温度升高，电容内部的电解液会因高温变成气体致使电容内部的压力增大。当这个压力超过其外壳承受压力的时候，电容就会鼓包爆浆。
通过上述对电容鼓包现象和根本原因的分析，从两个方面对其作出分析：（1）有源电力滤波器[3]自身问题;（2）外界因素。
2.1 有源电力滤波器自身问题
（1）整流桥损坏，IGBT并联的二极管被击穿，有交流电流通过电解电容，电解电容是存在极性的，如果电压反向，且过大，就会导致电容损坏。
（2）电容过压保护（APF设定值为830V）或过流保护未及时动作，长时间过压或者过流使得电容过热而鼓包。
（3）由于電容泄放电荷回路故障，导致其带电荷合闸。因为合闸瞬间的电压极性可能与电容器上残留电荷的极性相反而引起鼓包。
2.2 外界因素
（1）高次谐波电流叠加于基波电流，使电容器总电流增大。
（2）某一高次谐波在系统感抗和电容器容抗之间引起并联谐振，使流入电容器的电流成倍增长。
（3）电容器内部对某一高次谐波发生局部串联谐振，从而引起过流。
（4）系统中低频纹波电流的产生，使得电容发热，过热导致鼓包。
3 直流母线电容鼓包原因分析
从APF自身分析，按照设计要求，当系统过压或者过流时，直流母线电压超过830V，或输出电流超过IGBT额定电流时，会报故障且切断主回路。而通过查看相关监控视频，APF提示故障后，很短时间内电容和IGBT模块直接炸开，而不是系统进行保护动作。那么就可能存在有源电力滤波器保护电路故障，无法正常动作。
在有源电力滤波器装设完后，厂里又增加了一些变频器等电力电子设备，特别是卷包车间从原来的7台设备增加到12台，容量增加很大，制丝车间相应的也增加了很多设备。设备容量增加的同时，也造成了谐波容量的增大，谐波次数的增加，而有源电力滤波器的容量是固定的，且其设置的相关参数（相位角等）也是根据原来的谐波容量设定的，就会造成其谐波补偿率降低，很可能使有源电力滤波器以及无功补偿柜与整个厂的供配电系统和负载不匹配，在特定的情况下，某一高次谐波就会使电容器发生串联谐振或者并联谐振，流经电容的电流过大，就会导致过热而鼓包。另外，低频和高频谐波电流的增大，使得流经电容的电流增大而导致过热鼓包，这也是一种可能的原因。
4 结论
通过上述对有源电力滤波器的工作原理，以及直流母线电容鼓包爆浆原因的分析，可以得出，电容鼓包爆浆的主要可能原因：（1）有源电力滤波器的保护电路存在故障，无法正常动作;（2）由于非线性设备增加，谐波容量增大，可能导致电容发生谐振，或者是谐波电流与基波电流的叠加，使得电容电流过大而发热引起的故障。要从根本上解决电容鼓包爆浆的问题，需检查源电力滤波器的保护功能是否完好，并重新检测配电系统谐波电流容量，是否与系统匹配，重新对有源滤波系统设计，使其满足整个供配电系统谐波补偿的需求。
参考文献：
[1] 刘亮，邓名高. 有源电力滤波器直流母线电容损坏分析[J]. 电工技术，2011，01：69-70.
[2] 唐欣，滕本科，涂春鸣. 并联型有源电力滤波器的无功功率选择性补偿方法[J]. 高电压技术，2012，06：1480-1485.
[3] 张耀文. 基于DSP的并联有源电力滤波器的应用研究[D].山东大学，2007.