廣州東方電力有限公司 肖樹紅

某電廠四臺320MW 燃煤發(fā)電機組各裝備一套某品牌CIMR-MV1S 系列高壓變頻器，采取一拖二、刀閘切換方式驅(qū)動6kV 凝結(jié)水泵電動機。凝結(jié)水泵正常運行方式為：一臺變頻運行、一臺工頻備用，通過刀閘手動進行變頻與工頻切換。該電廠#2機組是首臺進行凝結(jié)水泵變頻改造的機組，變頻器自2006年正式投運以來總體運行情況良好、節(jié)能效果明顯。但從2017年開始#2機組凝結(jié)水泵變頻器開始進入故障多發(fā)期，陸續(xù)出現(xiàn)故障跳閘、無法啟動及高負載時出力不足等問題。由于該品牌高壓變頻器為進口產(chǎn)品，相關(guān)技術(shù)資料欠缺，發(fā)生故障后主要通過更換功率單元控制板、主控制板或功率模塊等方式進行處理，一方面成本高昂、另一方面對后續(xù)故障處理缺乏指導價值。因此有必要對該問題作進一步研究，挖掘更基礎(chǔ)的故障原因。

1 故障現(xiàn)象及檢查情況

2020年6月19日，#2機組凝結(jié)水泵B 在變頻運行方式下出現(xiàn)高負載時出力不足的現(xiàn)象，主要表現(xiàn)為：機組負荷升至約300MW 以上時，凝結(jié)水泵轉(zhuǎn)速維持在1320轉(zhuǎn)/分鐘（對應轉(zhuǎn)速指令約88%）左右不再隨變頻器轉(zhuǎn)速指令上升，導致除氧器水位緩慢下降，進而變頻器轉(zhuǎn)速指令持續(xù)上升直至100%。啟動凝結(jié)水泵A 運行（工頻）后，凝結(jié)水泵B 負載減輕，轉(zhuǎn)速瞬間上升至100%轉(zhuǎn)速指令對應的1470轉(zhuǎn)/分鐘。查看變頻器就地控制面板，發(fā)現(xiàn)變頻器內(nèi)部控制參數(shù)快速來回變化、不穩(wěn)定。經(jīng)查閱#2機組凝結(jié)水泵變頻器歷史故障記錄，曾于2013年、2018年分別發(fā)生一次同類故障，解決方法分別為更換功率單元控制板和更換一組功率模塊（含三個功率單元）。

2020年6月27日對#2機組凝泵變頻器進行了檢查，未發(fā)現(xiàn)明顯異常點，啟動試運時仍存在高負載時出力不足的問題。在參照變頻器技術(shù)手冊并咨詢廠家技術(shù)人員后，于6月29日進行了#2機組凝結(jié)水泵變頻器控制參數(shù)調(diào)整試驗（圖1）。該試驗通過調(diào)整凝結(jié)水再循環(huán)流量門開度以改變凝結(jié)水流量，模擬變頻器不同負載時運行工況，檢驗滑差補償（E2-02）、滑差補償增益（C3-01）參數(shù)對變頻器出力的影響。經(jīng)試驗，逐步將滑差補償由此前的0.4調(diào)整至0.6，滑差補償增益由此前的1.0調(diào)整至1.5，凝結(jié)水泵轉(zhuǎn)速（藍色線）逐步上升至與轉(zhuǎn)速指令（紅色線）對應。通過來回調(diào)整轉(zhuǎn)速指令，觀察變頻器實際轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)速指令匹配良好，較機組320MW 滿負荷工況下對凝結(jié)水流量的需求仍有余量，恢復了正常水平。為進一步檢驗并獲取可靠數(shù)據(jù)，將變頻器維持調(diào)整后的控制參數(shù)連續(xù)運行進行觀察。

圖1 #2機組凝結(jié)水泵變頻器控制參數(shù)調(diào)整試驗數(shù)據(jù)

7月30日，#2機組凝結(jié)水泵變頻器在正常運行1個月后再次出現(xiàn)高負載時出力不足的現(xiàn)象，說明控制參數(shù)不是主要因素，仍存在其它故障點且該故障已進一步劣化。結(jié)合歷史情況看，將故障點鎖定在功率單元上。為查找功率單元具體故障點，分析故障機理，筆者及檢修維護人員對2018年因同類故障而更換下的功率模塊進行了拆解、檢測和分析，具體檢測方法參考了文獻[1]，不在此詳述。

經(jīng)檢測，各功率單元電解電容、IGBT 模塊及整流模塊等均正常。在對功率單元控制板驅(qū)動電路進行檢測時，發(fā)現(xiàn)一功率單元控制板第四路IGBT驅(qū)動電路（每塊控制板上共有四路IGBT 驅(qū)動電路）存在異常。該功率單元控制板所采用驅(qū)動芯片為SHARP 公司出品的PC929，當PC929控制信號（3腳）為高電平時，G-E 極控制電壓（11腳）為負電壓，比如-8V DC 左右，此時IGBT 可靠關(guān)斷；當PC929控制信號為低電平時，G-E 極控制電壓為正電壓，比如+15V DC 左右，此時IGBT 能可靠導通。

在給該控制板第四路IGBT 驅(qū)動芯片PC929加如圖2中CH1（黃色線）所示1kHz 方波控制信號模擬PWM 控制信號，測IGBT G-E 極電壓CH2（藍色線）始終為-8V 左右，表明IGBT 始終處于截止狀態(tài)無法導通。檢測另三路驅(qū)動電路則工作正常（圖3），對輸入控制信號響應穩(wěn)定，表明IGBT 能隨控制信號可靠關(guān)斷或?qū)ā?/p>

圖3 驅(qū)動電路正常時IGBT 驅(qū)動信號波形

2 原因分析及處理情況

通過上述檢查已發(fā)現(xiàn)故障點為功率單元控制板驅(qū)動電路PC929芯片故障，導致其中一路IGBT 始終處于關(guān)斷狀態(tài)無法導通，等同于正向開路。該變頻器為串聯(lián)H 橋式多電平高壓變頻器（圖4）。L1、L2、L3為三相交流輸入電源，假定A、B 點間直流電壓為V，正常情況下功率單元T1、T2間可輸出電壓為V、0、-V（忽略IGBT 導通壓降）[1]。

圖4 功率單元原理圖

當其中一路驅(qū)動故障導致對應IGBT 不能導通時，功率單元輸出電壓將會出現(xiàn)異常。以上述檢測的功率單元控制板為例，第四路驅(qū)動故障導致圖4中Q4始終處于關(guān)斷狀態(tài)，等同于正向開路。Q4不能正向?qū)〞r，以電流從T2流入、T1流出時為例，功率單元只能輸出0和-V 兩中電壓，輸出電壓偏離目標值從而導致變頻器對應相輸出電壓偏低。其它情形亦如是，不一一列舉。

在低負載工況下，變頻器控制系統(tǒng)可通過提高內(nèi)部控制指令值方式來彌補某個功率模塊輸出電壓偏低帶來的出力不足，而在高負載工況下，變頻器輸出指令達到上限后仍不足以彌補缺口，從而表現(xiàn)為高負載時出力不足。同時，由于Q4不能導通，只在本應輸出V 電壓時表現(xiàn)為輸出電壓偏低，而在本應輸出-V 電壓時輸出不受影響，本應輸出0電壓時視具體控制方式可能會偏低或不受影響。在變頻器以電機轉(zhuǎn)速為閉環(huán)控制目標時，會出現(xiàn)內(nèi)部控制指令快速來回變化，變頻器輸出電壓、功率等快速變化，轉(zhuǎn)速亦出現(xiàn)波動的現(xiàn)象。因此，觀察變頻器內(nèi)部控制指令是否穩(wěn)定也是判斷變頻器是否工作正常的一個參考[2]。

根據(jù)上述檢查、分析情況，判斷導致變頻器出力不足的原因在于功率單元控制板驅(qū)動電路工作異常，更換控制板即可消除故障。對2018年更換下的變頻器功率模進行了修復，為驗證功率模塊修復工作的有效性并解決#2凝結(jié)水泵變頻器高負載時出力不足的問題，參照以往經(jīng)驗，決定用修復的功率模塊替換曾經(jīng)出現(xiàn)過故障報警的B 相功率模塊（包含B4、B5、B6功率單元）并成功解決變頻器高負載時出力不足的問題。筆者對故障驅(qū)動電路進行更詳細的檢查，發(fā)現(xiàn)其工作異常的原因為PC929芯片故障，更換該芯片后即恢復正常。進一步檢測本次故障更換下的控制板，亦發(fā)現(xiàn)同樣存在因PC929故障導致某路驅(qū)動電路工作異常的情況。

綜上，當變頻器運行一定年限后，應定期對變頻器主要部件特別是功率單元進行檢查、檢測，研究故障發(fā)生機理并做好預防性維護才是防范故障的要點。直接更換控制板成本高昂，同時也是一種資源浪費。如查實基礎(chǔ)故障點為IGBT 驅(qū)動芯片PC929工作不良，完全可通過更換PC929的方式對控制板進行修復，以節(jié)約資源、降低成本。