ABB 變頻器門極驅動板分離式技術改造及其應用

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0 引言

變頻器作為風電機組的核心部件，其運行的可靠性直接關乎著風力發電的經濟效益［1］。隨著風電裝機規模的逐步擴大，ABB 變頻器因其自身獨特的優點獲得了越來越多的應用，其故障問題也逐漸凸顯出來［2-3］。在變頻器運行初期其故障率較小，但隨著運行年限的增長，變頻器故障率可達到整個機組總故障率的三分之一左右，這嚴重影響了風電機組的發電效率，且故障問題帶來的風機停機發電量損失、備件消耗成本、人工維護成本等使得風電平價上網后無利可圖［4］。因此，對變頻器的故障類型及其產生原理進行分析并提出有效的技術改造措施，對降低變頻器的故障率、提高機組發電效益和降低生產運行成本具有十分顯著的意義。

1 ABB 變頻器在風電機組中的應用

ABB 變頻器因其結構緊湊、性能穩定等優點，廣泛應用于工業領域。傳統的工業領域中，安裝變頻器的電氣室一般均配有獨立的凈化間、散熱空調以及除濕系統，以確保變頻器工作在最佳的狀態。然而，考慮到風電領域風電機組內部空間的局限性和運行環境的特殊性，無法給變頻器配備凈化間和空調，導致其易長期運行于高溫、高濕狀態，由此引發的故障率居高不下。

ABB 變頻器隨著運行時間的增長，其故障率逐年遞增。據某風電企業不完全統計，其配置了ABB 變頻器的風電機組，因變頻器故障停機數約占機組全年故障停機總數的三分之一，這極大地影響了風電企業的發電效率。同時，變頻器故障導致的維修費用和備件采購費用也加大了企業的運營成本。因此對ABB 變流器采取合適的技術升級改造、降低故障率顯得尤為迫切。

2 ABB 變頻器故障原因分析

ABB 變頻器長時間運行于高溫狀態下，加劇了門極驅動板AGDR 的老化和IGBT 內部絕緣材料的失效，由此引發的門極驅動板AGDR 對IGBT 的控制失效，使得機組頻繁報出“SC短路故障”或IGBT 因漏電流過大而炸毀，導致機組停機。

IGBT 爆炸破壞性極大，短路產生的過電流也會導致周邊很多連帶板卡燒毀，給風電企業帶來較大的損失。根據風電現場反饋的數據得知，ACS800-67 變頻器模塊“SC 短路故障”和IGBT 炸機的故障率高達80%以上。若要徹底解決ACS800 變頻器在風電應用中高溫、高故障率、高備件消耗的“三高”問題，把門極驅動板和IGBT 進行分離是解決此類問題最直接有效的方法。

3 IGBT 分離式升級改造

原集成式IGBT 模塊的門極驅動板與IGBT 為一體式焊接工藝，如圖1 所示。門極驅動板或IGBT 任一部件故障時，需整體更換IGBT 模塊，從而導致維護成本較高。

圖1 門極驅動板與IGBT 焊接一體圖

對此，擬采用一種ABB 變頻器門極驅動板分離式技術改造方案，即將變頻器原有的IGBT 模塊和門極驅動板分離，分離后原有的IGBT 模塊保留，增加新的IGBT 保護電路板和新型分離式門極驅動板。分離后的IGBT 模塊需和保護電路板焊接，由于IGBT 內部集成度高、針腳細密，在現場有限的條件下，需謹慎作業。分離后的IGBT 和門極驅動板散熱表面積均增大，加大了散熱面積。IGBT 炸機后對其他電路板進行隔離保護，避免擴大連帶損失。

分離式技術改造完成后，IGBT 和門極驅動板可以單獨更換，降低了后續的備件成本。改造后的IGBT 模塊驅動電路如圖2 所示，分離后的IGBT 主體與隔離保護電路板進行連接，隔離保護電路板可有效避免IGBT 炸機后對其它重要電路板的沖擊損壞。

圖2 新型分離式門極驅動板和原有的IGBT（含保護板）

以型號為FS450R17KE3 的IGBT 為例，其額定電流為450 A，將其與門極驅動板分離后，需進行1 500 V 的絕緣測試、容值測試、續流二極管橋測試、門極測試以及對測溫電阻的測試。如果檢測發現任一指標異常或不滿足標注值則為判定為損壞。需要注意的是，常溫狀態下未帶滿載的測試，測試結果無法準確判定IGBT 的好壞。同時，可采取以下策略優化門極驅動電路，以降低其本身的損壞幾率：①改善驅動板工作電源，采用專用電源控制芯片控制，減少損耗及發熱量；②采用集成式邏輯芯片，減少板卡故障點；③采用專用的門極驅動芯片，系統運行更可靠；④升級控制芯片溫度等級，將工作溫度范圍升級至125°；⑤將門極驅動板安裝在冷卻風扇的出風口位置，避免高溫老化，延長門極驅動板的壽命。優化的新型分離式門極驅動板如圖3 所示。

圖3 優化后的新型分離式門極驅動板

為避免變頻器各模塊電路工作于高溫環境，可通過改善變頻器功率模塊的通風環境，降低其系統故障率。其主要實現方法為：拆除原系統風扇電源板及變頻板，增加風扇控制電路，將風扇控制系統更改為380 V 工頻直接供電的工作模式，一來可加大系統通風量，二來可減少風扇電源板及變頻板引起的故障率和備件消耗。380 V 工頻直接供電風扇如圖4 所示。

圖4 380 V 工頻直接供電風扇

以變頻器內部ISU 模塊為例，技改前后的對比如圖5 所示。對升級組裝完成的變頻器進行充電測試和零速測試，用軟件監控波形。如果沒有異常，自動啟機并網運行30 min，監控波形及狀態字，如無異常則保存離線文件，功率模塊IGBT 分離式技改升級完成。

圖5 變頻器ISU 模塊技改前后對比效果圖

4 技改后的應用效益

（1）通過分離門極驅動板，降低變頻器故障率。以一個標準4.95 MW 風電場，裝備33 臺1.5 MW 雙饋機型為例，集中進行分離IGBT 并更換新型門極驅動板。技改后12 個月內“SC短路”類故障率將平均減少60%。但是該技改方案的缺陷在于無法大幅度降低IGBT 類相關故障，如電流不平衡和炸機等故障，這是因為該升級方案無法替換下來原有舊的IGBT，所以升級后還需消耗一部分IGBT 備件。

（2）提高變頻器系統運行可靠性，減少系統運行成本。2017 年，ABB 公司已正式停產ACS800 系列變頻器，僅提供備件銷售。2017—2019 年，其備件價格以10%增幅逐年上漲。用戶今后面臨備件價格上漲、周期延長的困境。通過此項技改，可以延長現有ACS800-67 系列的使用壽命，大幅度降低后期備件采購費用。

（3）減少人工投入成本和作業強度。ABB 變頻器模塊重量大，維修更換勞動強度大，通過降低故障率有效降低風場工作人員的勞動強度，同時也能降低檢修人員的機械傷害和電擊傷害的風險。

5 總結

本文提出了一種ABB 變頻器門極驅動板分離式技術改造方法，將原有門極驅動板與IGBT 主體分離，增加了1 塊隔離保護板，有效地避免了IGBT 炸機后導致的連帶損失，對其他電路板進行了有效隔離保護。對門極驅動板電路進行優化升級，減少了其自身的故障率，并將其安裝于采用380 V 工頻供電冷卻風扇的出口位置，增大了系統通風散熱效果。應用效果表明，該技術改造方案能夠有效降低變頻器故障率。