一起高壓變頻器高負載時出力不足故障的分析與處理

廣州東方電力有限公司 肖樹紅

某電廠四臺320MW 燃煤發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、刀閘切換方式驅動6kV 凝結水泵電動機。凝結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、節能效果明顯。但從2017年開始#2機組凝結水泵變頻器開始進入故障多發期，陸續出現故障跳閘、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品，相關技術資料欠缺，發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，挖掘更基礎的故障原因。

1 故障現象及檢查情況

2020年6月19日，#2機組凝結水泵B 在變頻運行方式下出現高負載時出力不足的現象，主要表現為：機組負荷升至約300MW 以上時，凝結水泵轉速維持在1320轉/分鐘（對應轉速指令約88%）左右不再隨變頻器轉速指令上升，導致除氧器水位緩慢下降，進而變頻器轉速指令持續上升直至100%。啟動凝結水泵A 運行（工頻）后，凝結水泵B 負載減輕，轉速瞬間上升至100%轉速指令對應的1470轉/分鐘。查看變頻器就地控制面板，發現變頻器內部控制參數快速來回變化、不穩定。經查閱#2機組凝結水泵變頻器歷史故障記錄，曾于2013年、2018年分別發生一次同類故障，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，未發現明顯異常點，啟動試運時仍存在高負載時出力不足的問題。在參照變頻器技術手冊并咨詢廠家技術人員后，于6月29日進行了#2機組凝結水泵變頻器控制參數調整試驗（圖1）。該試驗通過調整凝結水再循環流量門開度以改變凝結水流量，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）參數對變頻器出力的影響。經試驗，逐步將滑差補償由此前的0.4調整至0.6，滑差補償增益由此前的1.0調整至1.5，凝結水泵轉速（藍色線）逐步上升至與轉速指令（紅色線）對應。通過來回調整轉速指令，觀察變頻器實際轉速與轉速指令匹配良好，較機組320MW 滿負荷工況下對凝結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據，將變頻器維持調整后的控制參數連續運行進行觀察。

圖1 #2機組凝結水泵變頻器控制參數調整試驗數據

7月30日，#2機組凝結水泵變頻器在正常運行1個月后再次出現高負載時出力不足的現象，說明控制參數不是主要因素，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動電路進行檢測時，發現一功率單元控制板第四路IGBT驅動電路（每塊控制板上共有四路IGBT 驅動電路）存在異常。該功率單元控制板所采用驅動芯片為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 始終處于截止狀態無法導通。檢測另三路驅動電路則工作正常（圖3），對輸入控制信號響應穩定，表明IGBT 能隨控制信號可靠關斷或導通。

圖3 驅動電路正常時IGBT 驅動信號波形

2 原因分析及處理情況

通過上述檢查已發現故障點為功率單元控制板驅動電路PC929芯片故障，導致其中一路IGBT 始終處于關斷狀態無法導通，等同于正向開路。該變頻器為串聯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異常。以上述檢測的功率單元控制板為例，第四路驅動故障導致圖4中Q4始終處于關斷狀態，等同于正向開路。Q4不能正向導通時，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，變頻器控制系統可通過提高內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。在變頻器以電機轉速為閉環控制目標時，會出現內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，轉速亦出現波動的現象。因此，觀察變頻器內部控制指令是否穩定也是判斷變頻器是否工作正常的一個參考[2]。

根據上述檢查、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凝結水泵變頻器高負載時出力不足的問題，參照以往經驗，決定用修復的功率模塊替換曾經出現過故障報警的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。筆者對故障驅動電路進行更詳細的檢查，發現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，亦發現同樣存在因PC929故障導致某路驅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。如查實基礎故障點為IGBT 驅動芯片PC929工作不良，完全可通過更換PC929的方式對控制板進行修復，以節約資源、降低成本。