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提高高压变频器安全性及运行可靠性的策略

李铜林

李铜林. 提高高压变频器安全性及运行可靠性的策略[J]. 南方能源建设,2024,11(5):1-6. doi:  10.16516/j.ceec.2023-184
引用本文: 李铜林. 提高高压变频器安全性及运行可靠性的策略[J]. 南方能源建设,2024,11(5):1-6. doi:  10.16516/j.ceec.2023-184
LI Tonglin. Strategies for improving the safety and operational reliability of high-voltage frequency converters [J]. Southern energy construction, 2024, 11(5): 1-6. DOI: 10.16516/j.ceec.2023-184 doi:  10.16516/j.ceec.2023-184
Citation: LI Tonglin. Strategies for improving the safety and operational reliability of high-voltage frequency converters [J]. Southern energy construction, 2024, 11(5): 1-6. DOI: 10.16516/j.ceec.2023-184 doi:  10.16516/j.ceec.2023-184

提高高压变频器安全性及运行可靠性的策略

doi: 10.16516/j.ceec.2023-184
详细信息
    作者简介:

    李铜林,1990-,男,工程师,华中科技大学电气工程专业硕士。主要从事发电控制保护自动化研究及设计(e-mail)litonglin@gedi.com.cn

    通讯作者:

    李铜林,1990-,男,工程师,华中科技大学电气工程专业硕士。主要从事发电控制保护自动化研究及设计(e-mail)litonglin@gedi.com.cn

  • 中图分类号: TM756.2

Strategies for Improving the Safety and Operational Reliability of High-Voltage Frequency Converters

图(3)
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-07-05
  • 修回日期:  2023-08-23
  • 网络出版日期:  2023-09-05

提高高压变频器安全性及运行可靠性的策略

doi: 10.16516/j.ceec.2023-184
    作者简介:

    李铜林,1990-,男,工程师,华中科技大学电气工程专业硕士。主要从事发电控制保护自动化研究及设计(e-mail)litonglin@gedi.com.cn

    通讯作者: 李铜林,1990-,男,工程师,华中科技大学电气工程专业硕士。主要从事发电控制保护自动化研究及设计(e-mail)litonglin@gedi.com.cn
  • 中图分类号: TM756.2

摘要:   目的  “节能减排”是近些年来国家对工业项目的技术要求,变频技术可使工艺设备在不同工况下调整出力,从而节约资源。但变频器属于电力电子设备,IGBT元件本身故障率相对较高,且对运行环境要求苛刻,因此提高高压变频器的安全性、运行可靠性十分重要。  方法  在高压变频器个别功率单元故障退出情况下,依据中性点漂移技术,调整中性点位置及三相电压之间的夹角,使高压变频器可以在旁路掉部分故障功率单元后仍可以正常运行;将高压变频器的实时状态送至DCS,根据DCS逻辑组态,实现高压变频器整机自动旁路技术;设置单独的高压变频器室,通过空调、通风、风道系统等,为高压变频器提供一个相对较好的运行环境。  结果  通过对高压变频器采取内部策略和外部环境策略后,高压变频器的故障率有所降低,延长了高压变频器的无故障安全运行时间。   结论  采用中性点漂移技术及整机自动旁路技术,可以降低高压变频器的故障概率及频次;联合改善运行环境的温度和湿度条件,可以提高变频器持续可靠运行时间,对提高变频器的安全性及运行可靠性有显著帮助。

English Abstract

李铜林. 提高高压变频器安全性及运行可靠性的策略[J]. 南方能源建设,2024,11(5):1-6. doi:  10.16516/j.ceec.2023-184
引用本文: 李铜林. 提高高压变频器安全性及运行可靠性的策略[J]. 南方能源建设,2024,11(5):1-6. doi:  10.16516/j.ceec.2023-184
LI Tonglin. Strategies for improving the safety and operational reliability of high-voltage frequency converters [J]. Southern energy construction, 2024, 11(5): 1-6. DOI: 10.16516/j.ceec.2023-184 doi:  10.16516/j.ceec.2023-184
Citation: LI Tonglin. Strategies for improving the safety and operational reliability of high-voltage frequency converters [J]. Southern energy construction, 2024, 11(5): 1-6. DOI: 10.16516/j.ceec.2023-184 doi:  10.16516/j.ceec.2023-184
    • 近些年来,我国的发电厂发展迅速[1-2],在发展大型煤电厂作为电力“兜底保障”的同时,也在大力发展燃机电厂及风电、光伏等新能源发电厂,形成了蓬勃发展的电力市场[3]。随着“双碳”概念的提出,发电厂的节能环保要求,也迈向了一个新的高度。为了评价节能环保效果,厂用电率的大小成为衡量发电厂经济、适用、环保性能的一个重要指标[4-5]。不同季节、不同工况下部分工艺设备的运行需求存在较大差别,因此需要采用变频技术,针对工艺设备的运行使用要求来采取合理的调速方式,进而控制工艺设备的出力使其和工艺的实时需求相匹配,避免不必要的资源浪费,降低厂用电率,为发电厂的“节能减排”贡献一份力量。

      但由于变频设备为电力电子设备,其核心部件为IGBT元件[6],因此其本身的设备安全性与可靠性比传统的电力设备相对逊色[7],并且电力电子元件对运行环境的要求较高,因此必须采取一定的措施以提高变频器安全性和运行可靠性[8-10]

      笔者通过阅读相关文献,发现大多数相关文献均是以电厂实例出发,针对电厂实际遇到变频器运行问题,提出具体解决措施,如清洁模数块、检查变频器螺栓是否松动、定期清洗过滤网、定期更换电源模块等,实践应用效果很好,但缺乏对变频器发生外在故障的内部原因进行理论分析。因此本文通过系统分析引起高压变频器故障、寿命缩短的原因,从内部策略和外部策略两个方面,提出解决措施。

    • 变频技术是将交流电通过整流逆变后,改变交流电频率的一种电力电子技术[11]。变频器是利用变频技术,改变电机的转速,进而改变工艺设备的转速,以用来调节工艺设备出力的一种设备[12-13]。变频器按电压等级可以分为低压变频器和高压变频器。其中高压变频器由于变频器本体庞大、IGBT元件较多,容易出现故障问题[14];一旦停运对电厂的安全运行影响很大,因此提高高压变频器的安全性和运行可靠性十分重要[15]

      变频技术在发电厂中应用十分广泛,以传统火电为例,凝结水泵采用变频调速方式已经成为行业主流配置方式[16-17]。一些电厂的闭式水泵、低加疏水泵、循环水泵等也采用变频方式,其中凝结水泵由于配置方式常为一用一备,因此采用一台变频器拖动两台工艺设备的配置十分常见,即“一拖二”配置方式;而循环水泵由于循环水多采用母管制,因此全厂的循环水泵多采用公用配置方式,而非机组配置方式,配置的几台循环水泵存在同时运行的工况,因此循环水泵多采用一台变频器拖动一台工艺设备的方式,即“一拖一”配置方式。

    • 以凝结水泵为例,发电厂工艺设备采用变频调试方式的优势主要有:

      1)实现“节能减排”[18]。由于凝结水流速的变化和凝结水泵发出的功率呈线性关系,因此通过调整凝结水泵的输出功率,可以调节凝结水的流量,以适应不同季节、工况的工艺需求;

      2)提高系统稳定性。采用变频调速方式,可以实现凝结水流量和压力的协调控制[19-20],使工艺流程更加协调,提高凝结水系统稳定性;

      3)延长工艺设备的自然寿命。采用变频技术可以调整凝结水系统的流量,大部分工况下均为降低流量运行,降低流量可以减少水流对设备和叶轮的冲击,减少设备的磨损,因此可以提高工艺设备运行的自然使用寿命。

    • 变频技术的出现及应用,帮助发电厂解决了一些技术问题,但由于变频器为电力电子器件,其运行可靠性相对较低[21]。已投运发电厂的变频器在运行过程中容易发生故障,降低了电厂的运行可靠性。以已投运的S电厂为例,此电厂共设有高压变频器10台,其中“一拖二”高压变频器6台,“一拖一”高压变频器4台,电压等级采用10 kV。笔者统计了其半年时间内各种类型的故障发生频次,其中故障类型包括功率单元故障、变频装置过温受潮、电源故障及其他故障,总故障频次为16次,平均一个月发生3次左右大大小小的高压变频器故障,其中变频器本身功率单元的问题占70%左右,运行环境(如潮湿等)造成的变频系统故障占30%左右。由此可见,提高变频器本体的功率单元的可靠性及提高运行环境的舒适度,对提高变频器的无故障运行持续时间十分重要[22]

    • 高压变频器主要由三大部分组成:功率单元、移相变压器和变频器自身的控制系统。这三大部分中,功率单元为IGBT元件,故障率也较高。

    • 目前,高压变频器多采用功率单元串联多电平的技术,以6 kV为例,每相采用5个功率单元串联组成,其拓扑结构图如图1所示,每个功率单元可以看成是1个690 V的电源,则每一相电压为3450 V(5个690 V电源串联),在每相夹角为120°的情况下,线电压为相电压的1.732倍,约为6000 V。

      图  1  6 kV变频器功率单元系统图

      Figure 1.  The system diagram of 6 kV inverter power unit

      由于功率单元为IGBT元件,其设备本身的安全稳定性较一般的电力设备低,且在传统的高压变频器中,某功率单元发生故障(以图1的A4、A5为例),与故障单元在同一相的其余正常工作单元(A1-A3)将会承受更大的电压,会造成IGBT元件发热增加,长时间运行下去,将会损坏IGBT元件。

    • 为了解决上述问题,我们引入了自动旁路掉故障单元的中性点漂移技术。所谓中性点漂移技术,是指旁路掉故障功率单元后,变频器控制后台将以A点为圆心,以A相的残留电压为半径,和以B、C为圆心,以3450 V为半径画圆的交点为新中性点,通过调整中性点的位置以及故障相和正常相之间的夹角,控制线电压保持6000 V不变,在新的平衡下继续运行,以尽量降低个别故障单元发生故障后对变频器设备造成的影响。待新的平衡后,系统图如图2所示。

      图  2  旁路故障功率单元后6 kV变频器功率单元系统图

      Figure 2.  The system diagram of 6 kV inverter power unit behind bypass fault power unit

      找寻新的中性点的过程将由变频器的控制系统完成,变频器的控制系统实时监测ABC三相电压,当其中一相有电压变化时,控制系统可以根据新的ABC三相电压,利用三角函数原理和矢量计算,通过调整相之间的夹角,保持输出线电压保持不变。控制系统并将发出报警信号,提醒运维人员A4、A5功率单元的故障状况,让运维人员了解到功率单元的实时状态,以便及时采取措施。

    • 以“一拖二”变频器为例,传统项目的主回路示意图如图3所示。

      图  3  一拖二变频方案主回路示意图

      Figure 3.  The main circuit schematic diagram of the one driven two frequency conversion scheme

      其主要工作逻辑如下: 输入电源为6 kV、50 Hz,用于对电动机进行调速。两台泵互为备用。正常运行时选择其中任意一台电机为变频方式,另一台为工频方式。

      基本原理: 图中K1,K2,K3,K4为隔离刀闸,其中K1与K3相互闭锁,K2与K4相互闭锁,K1与K4相互闭锁,K2与K3相互闭锁。

      一般有三种工作状态,具体如下:

      (1)M1处于变频状态,M2处于工频状态:即K1闭合,K2处于变频位置,K3断开,K4处于工频位置;

      (2)M2处于变频状态,M1处于工频状态:即K3闭合,K4处于变频位置,K1断开,K2处于工频位置;

      (3)M1处于工频备用状态,M2处于工频状态:即K1,K3断开,K2,K4处于工频位置。

      旁路柜是第1种工作状态时,当变频器出现故障时,变频器联跳M1高压进线开关QF1,DCS根据M1高压进线开关QF1的状态合闸M2高压进线开关QF2,联起M2,从而转换到M2的工频运行。

      旁路柜是第2种工作状态时,当变频器出现故障时,变频器联跳M2高压进线开关QF2,DCS根据M2高压进线开关的状态合闸M1高压进线开关QF1,联起M1,从而转换到M1的工频运行。

      旁路柜是第3种工作状态时,当需要由工频运行切回到变频运行时,如M1在工频运行状态,则断开M1高压进线开关QF1、合上K1、将K2转换到变频位置,然后再合上M1高压进线开关QF1,启动变频器,M1变频运行。如M2在工频运行状态,则断开M2高压进线开关QF2、合上K3、将K4转换到变频位置,然后再合上M2高压进线开关QF2,启动变频器,M2变频运行。

      当某个相上较多的功率单元发生问题、移相变压器等遇到故障,变频器需要退出时,可以通过在DCS做逻辑,在第1种或第2种运行状态下,自动切换到工频运行状态,以满足工艺需求。电厂运维人员及时检查变频器状况,尽快维修,以便尽快恢复变频器的使用。

    • 由于IGBT元件对运行环境要求的严苛性,改善变频器的工作环境,对提高变频器的运行安全性十分重要。

    • 由于功率单元、移相变压器、控制系统等对温度的敏感性很高,IGBT元件在正常运行时会产生热量,通过散热器进行散热,但过高的环境温度会使IGBT元件和散热器之间存在较大的温差,因此会产生热应力,对IGBT元件的正常运行产生较大的隐患,因此必须采取措施稳定变频器室的温度。

      1)变频器屏柜中需安装风机,对变频器中的热敏感元件进行物理降温。

      2)由于变频器柜发热严重,因此可以安装专用的变频风道,将设备产生的大量热量直接通过风道排向室外,以减少室内的温升。同时还需在风道的出风口对面开几个进风口,以保证变频器室内压力的恒定。

      3)装设空调系统,并采用冗余电源配置方案,以提高空调系统运行的可靠性和稳定性,减少因空调故障或空调电源消失导致变频器室内温度超标。

    • 由于水是良好的导体,当环境中湿度变大时,空气中的水蒸气会附着在IGBT元件的表面,凝结成小水珠,形成导电通路,可能造成设备的短路,因此湿润的环境可以增大空气击穿以及短路的风险,且根据S电厂的运行经验,空气湿润对变频器故障的发生影响很大,因此必须采取措施控制变频器室的湿度。

      1)提高变频器室的防水及排水能力,避免房间发生漏雨、漏水现象。

      2)对电缆通道应防堵严密,避免水通过电缆通道流入室内。

      3)空调系统应有抽湿功能,可以调节室内的干湿度。

      4)变频器室应封闭良好,尽量减少外界湿气的进入。

      5)对设备空间进行金属阻锈防腐。

    • 本文通过调查S电厂高压变频器运行期间故障率的分布情况,总结出变频器高故障率的几大影响因素,并逐个分析其对变频器的影响。针对变频器内部影响因素提出了中性点漂移方法及DCS逻辑自动旁路控制的策略,并提出稳定变频器室温度、湿度控制的方法,为提高发电厂中的变频器的安全性和运行可靠性提供依据。

参考文献 (22)

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