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

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。

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。

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。

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。