廣州東方電力有限公司 肖樹紅

某電廠四臺(tái)320MW 燃煤發(fā)電機(jī)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(dòng)6kV 凝結(jié)水泵電動(dòng)機(jī)。凝結(jié)水泵正常運(yùn)行方式為：一臺(tái)變頻運(yùn)行、一臺(tái)工頻備用，通過刀閘手動(dòng)進(jìn)行變頻與工頻切換。該電廠#2機(jī)組是首臺(tái)進(jìn)行凝結(jié)水泵變頻改造的機(jī)組，變頻器自2006年正式投運(yùn)以來總體運(yùn)行情況良好、節(jié)能效果明顯。但從2017年開始#2機(jī)組凝結(jié)水泵變頻器開始進(jìn)入故障多發(fā)期，陸續(xù)出現(xiàn)故障跳閘、無法啟動(dòng)及高負(fù)載時(shí)出力不足等問題。由于該品牌高壓變頻器為進(jìn)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(jìn)行處理，一方面成本高昂、另一方面對(duì)后續(xù)故障處理缺乏指導(dǎo)價(jià)值。因此有必要對(duì)該問題作進(jìn)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(jī)組凝結(jié)水泵B 在變頻運(yùn)行方式下出現(xiàn)高負(fù)載時(shí)出力不足的現(xiàn)象，主要表現(xiàn)為：機(jī)組負(fù)荷升至約300MW 以上時(shí)，凝結(jié)水泵轉(zhuǎn)速維持在1320轉(zhuǎn)/分鐘（對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速指令約88%）左右不再隨變頻器轉(zhuǎn)速指令上升，導(dǎo)致除氧器水位緩慢下降，進(jìn)而變頻器轉(zhuǎn)速指令持續(xù)上升直至100%。啟動(dòng)凝結(jié)水泵A 運(yùn)行（工頻）后，凝結(jié)水泵B 負(fù)載減輕，轉(zhuǎn)速瞬間上升至100%轉(zhuǎn)速指令對(duì)應(yīng)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(jī)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(gè)功率單元）。

2020年6月27日對(duì)#2機(jī)組凝泵變頻器進(jìn)行了檢查，未發(fā)現(xiàn)明顯異常點(diǎn)，啟動(dòng)試運(yùn)時(shí)仍存在高負(fù)載時(shí)出力不足的問題。在參照變頻器技術(shù)手冊(cè)并咨詢廠家技術(shù)人員后，于6月29日進(jìn)行了#2機(jī)組凝結(jié)水泵變頻器控制參數(shù)調(diào)整試驗(yàn)（圖1）。該試驗(yàn)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(fù)載時(shí)運(yùn)行工況，檢驗(yàn)滑差補(bǔ)償（E2-02）、滑差補(bǔ)償增益（C3-01）參數(shù)對(duì)變頻器出力的影響。經(jīng)試驗(yàn)，逐步將滑差補(bǔ)償由此前的0.4調(diào)整至0.6，滑差補(bǔ)償增益由此前的1.0調(diào)整至1.5，凝結(jié)水泵轉(zhuǎn)速（藍(lán)色線）逐步上升至與轉(zhuǎn)速指令（紅色線）對(duì)應(yīng)。通過來回調(diào)整轉(zhuǎn)速指令，觀察變頻器實(shí)際轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)速指令匹配良好，較機(jī)組320MW 滿負(fù)荷工況下對(duì)凝結(jié)水流量的需求仍有余量，恢復(fù)了正常水平。為進(jìn)一步檢驗(yàn)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(yùn)行進(jìn)行觀察。

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

7月30日，#2機(jī)組凝結(jié)水泵變頻器在正常運(yùn)行1個(gè)月后再次出現(xiàn)高負(fù)載時(shí)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(diǎn)且該故障已進(jìn)一步劣化。結(jié)合歷史情況看，將故障點(diǎn)鎖定在功率單元上。為查找功率單元具體故障點(diǎn)，分析故障機(jī)理，筆者及檢修維護(hù)人員對(duì)2018年因同類故障而更換下的功率模塊進(jìn)行了拆解、檢測(cè)和分析，具體檢測(cè)方法參考了文獻(xiàn)[1]，不在此詳述。

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

在給該控制板第四路IGBT 驅(qū)動(dòng)芯片PC929加如圖2中CH1（黃色線）所示1kHz 方波控制信號(hào)模擬PWM 控制信號(hào)，測(cè)IGBT G-E 極電壓CH2（藍(lán)色線）始終為-8V 左右，表明IGBT 始終處于截止?fàn)顟B(tài)無法導(dǎo)通。檢測(cè)另三路驅(qū)動(dòng)電路則工作正常（圖3），對(duì)輸入控制信號(hào)響應(yīng)穩(wěn)定，表明IGBT 能隨控制信號(hào)可靠關(guān)斷或?qū)ā?/p>

圖3 驅(qū)動(dòng)電路正常時(shí)IGBT 驅(qū)動(dòng)信號(hào)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(diǎn)為功率單元控制板驅(qū)動(dòng)電路PC929芯片故障，導(dǎo)致其中一路IGBT 始終處于關(guān)斷狀態(tài)無法導(dǎo)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(diǎn)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(dǎo)通壓降）[1]。

圖4 功率單元原理圖

當(dāng)其中一路驅(qū)動(dòng)故障導(dǎo)致對(duì)應(yīng)IGBT 不能導(dǎo)通時(shí)，功率單元輸出電壓將會(huì)出現(xiàn)異常。以上述檢測(cè)的功率單元控制板為例，第四路驅(qū)動(dòng)故障導(dǎo)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(shí)，以電流從T2流入、T1流出時(shí)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(biāo)值從而導(dǎo)致變頻器對(duì)應(yīng)相輸出電壓偏低。其它情形亦如是，不一一列舉。

在低負(fù)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(bǔ)某個(gè)功率模塊輸出電壓偏低帶來的出力不足，而在高負(fù)載工況下，變頻器輸出指令達(dá)到上限后仍不足以彌補(bǔ)缺口，從而表現(xiàn)為高負(fù)載時(shí)出力不足。同時(shí)，由于Q4不能導(dǎo)通，只在本應(yīng)輸出V 電壓時(shí)表現(xiàn)為輸出電壓偏低，而在本應(yīng)輸出-V 電壓時(shí)輸出不受影響，本應(yīng)輸出0電壓時(shí)視具體控制方式可能會(huì)偏低或不受影響。在變頻器以電機(jī)轉(zhuǎn)速為閉環(huán)控制目標(biāo)時(shí)，會(huì)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(dòng)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(gè)參考[2]。

根據(jù)上述檢查、分析情況，判斷導(dǎo)致變頻器出力不足的原因在于功率單元控制板驅(qū)動(dòng)電路工作異常，更換控制板即可消除故障。對(duì)2018年更換下的變頻器功率模進(jìn)行了修復(fù)，為驗(yàn)證功率模塊修復(fù)工作的有效性并解決#2凝結(jié)水泵變頻器高負(fù)載時(shí)出力不足的問題，參照以往經(jīng)驗(yàn)，決定用修復(fù)的功率模塊替換曾經(jīng)出現(xiàn)過故障報(bào)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(fù)載時(shí)出力不足的問題。筆者對(duì)故障驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行更詳細(xì)的檢查，發(fā)現(xiàn)其工作異常的原因?yàn)镻C929芯片故障，更換該芯片后即恢復(fù)正常。進(jìn)一步檢測(cè)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(dǎo)致某路驅(qū)動(dòng)電路工作異常的情況。

綜上，當(dāng)變頻器運(yùn)行一定年限后，應(yīng)定期對(duì)變頻器主要部件特別是功率單元進(jìn)行檢查、檢測(cè)，研究故障發(fā)生機(jī)理并做好預(yù)防性維護(hù)才是防范故障的要點(diǎn)。直接更換控制板成本高昂，同時(shí)也是一種資源浪費(fèi)。如查實(shí)基礎(chǔ)故障點(diǎn)為IGBT 驅(qū)動(dòng)芯片PC929工作不良，完全可通過更換PC929的方式對(duì)控制板進(jìn)行修復(fù)，以節(jié)約資源、降低成本。