国产高压变频器在百万机组的运行可靠性研究

赵曙伟

（神华广东国华粤电台山发电有限公司，广东台山529228）

国产高压变频器在百万机组的运行可靠性研究

赵曙伟

（神华广东国华粤电台山发电有限公司，广东台山529228）

广东台山电厂二期2台百万机组的凝结水泵使用了国产高压变频器，为了提高运行可靠性，需要从设计选型、运行控制、日常维护等各个环节进行详细分析并采取相应的预控措施，通过对实际应用情况和应用中出现的问题进行阐述，提出对提高高压变频器运行可靠性的一些注意事项，最终达到了提高凝结水系统稳定可靠性的目的。

高压变频器；百万机组；可靠性

1 引言

为降低厂用电能耗，广东台山电厂二期2台百万机组的凝结水泵使用了变频控制，每台机组有3台1 600kW的50%容量凝结水泵，其中A，B泵使用了某公司MLVERΤ-D06/2100.B（额定功率2 100kV·A，额定电流200 A，额定电压6kV）高压变频器，C泵使用的是工频泵。正常运行方式下，2台变频泵运行、工频泵备用。通过2 a多来的运行数据统计，A，B 2台凝结水泵工频运行时日耗电量约为5.1～6.4万kW·h，而A，B 2台凝结水泵变频运行时日耗电量约为3.8～4.4万kW·h，体现出变频器较好的节能效果，由此也带来一定的经济效益。

鉴于凝结水泵在火电机组中的重要性和节能工作的必要性，如何充分发挥高压变频器的作用、如何保证高压变频器的运行可靠性就显得尤为重要，另外高压变频器的核心元器件如功率模块、主控箱等价格不菲。由此可以看出，如果变频器运行不稳定或发生故障将会给机组带来一定的安全威胁以及昂贵的维护成本，就会削弱变频器带来的节能成果。因此必须从各方面加强对高压变频器运行可靠性的研究。

2 系统概述

凝结水泵高压变频器为直接“高-高”型，设计原理是将电网送来的三相6kV/50Hz交流电经移相变压器，供电给18个功率模块，每个功率模块的额定输出电压为577 V，相邻功率模块的输出连接起来，每相6个功率模块进行叠加，使得高压变频器的额定输出相电压为3 464 V。三相共18个功率模块，形成Y连接结构，使得线电压为6 000 V，直接供给电动机。变频器叠加拓扑结构如图1所示。

图1 变频器叠加拓扑结构图Fig.1 Converter overlay topology

其中移相变压器为Y/Yn/△接线方式，二次△侧共18套副边绕组，采用延边三角形连接，每相分为6个不同的相位组，互差10°（电角度），分别为±5°，±15°，±25°移相角度。凝结水泵高压变频系统如图2所示。

图2 凝结水泵高压变频系统图Fig.2 High voltage frequency conversion of condensate pump system diagram

3 设计选型可靠性分析

3.1 额定电流

国产主流品牌的高压变频器多采用多级电容串联实现整流后的升压，大功率电力电子元件（整流逆变单元）都采用IGBΤ。单只IGBΤ的额定电流应大于电动机额定电流的1.5～2倍以上，因此凝结水泵MLVERΤ-D06/2100.B变频器选择的IGBΤ额定电流为450 A，达到2.25倍变频器额定电流，具有一定的安全裕度。

3.2 过载能力

高压变频器的额定电流应大于电动机的额定电流并有足够的安全裕度，且能达到150%，1 min的过载能力，才能避免由于工况急剧变化时，引起变频器过载、停机或闭锁输出。所以根据凝结水泵171 A的额定电流，选用的变频器额定电流为200 A，并具有256.5 A（150%电动机额定电流、128%变频器额定电流）、60 s的过载能力。

3.3 过电压能力

当发电机组满负荷运行时突然甩去全部负荷，电枢反应突然消失，此时由于调整系统和自动励磁调整装置都是由惯性环节组成，发电机转速仍将升高，而励磁电流不能突变，使得发电机电压在短时间内要升高，6kV厂用母线电压也会随之升高，因此高压变频器必须具备承受一定过电压的能力。凝结水泵高压变频器在额定输入电压（6kV）±10%范围内可保持正常运行，1.2倍额定输入电压时无时限过压报警，单个功率模块过压旁通运行，多个功率模块同时过压变频器则会系统重故障而停机。

台山电厂二期百万机组50%甩负荷试验时6kV母线相电压最高约至3.79kV，为变频器额定输入电压的1.1倍；100%甩负荷试验时，6kV母线相电压最高约至3.81kV，为变频器额定输入电压的1.1倍。由以上数据可看出，变频器的过电压能力基本满足100%甩负荷时的稳定运行要求，但是安全裕度不大。据此分析，因为6kV厂用母线额定电压为6.3kV，而变频器的额定输入电压为6kV，使其在正常运行时即处于略高于额定电压的状态下，如果选用额定输入电压为6.3kV的变频器，则承受过电压的能力会更强一些。

3.4 控制电源

采用可以实现自动切换的2路控制电源，尽可能使用可靠性较高的直流电源（至少主电源用直流），同时配置的UPS在2路电源均失去的情况下至少可以保持15 min以上的供电时间，以提供给维护人员检查电源回路或运行人员安全操作的时间，因此在检修时要对电源切换回路和UPS的性能进行全面检测，确保其工作正常。通过以上措施，可避免当仅使用交流控制电源时，在厂用电切换或外部故障引起厂用母线电压短时失去后，UPS又无法提供控制电源，造成变频器停机，设备停运。

3.5 控制回路

为了有效防止运行人员的误操作和在变频器输入输出刀闸未合的情况下误合高压侧开关在高压侧开关就地和远方合闸回路中均要有变频方式合闸允许条件闭锁。当投入工频方式时应当使用工频方式刀闸接点直接串入高压侧开关的合闸回路，作为合闸允许条件，不应使用经变频器PLC逻辑程序输出的工频方式接点作为合闸允许条件，避免变频器停电检修时，高压侧开关无法合闸。

4 运行可靠性分析

4.1 升频时间

变频器的升频时间是考核变频器过载能力的重要指标，要充分考虑在最恶劣变化工况下，变频器能够及时作出调节响应并且不会导致变频器过载。由于凝结水泵变频器在并入系统后不能实现工频启动后在线转变频运行，所以要想投入变频运行必须在启动时就以变频方式启动。

变频器从0Hz增加至50Hz设定为180 s，而此时凝结水母管压力为额定压力，变频泵在变频启动的过程中出口压力一直是低于额定压力的，所以出口逆止门顶不开，使变频泵一直处于打闷泵的状态。对于打闷泵的状态，凝结水泵本体厂家已明确要求不能超过2 min，因为打闷泵时，叶轮高速旋转与液体产生摩擦发热，水被加热气化，易使叶轮汽蚀并产生剧烈振动，严重时还会使泵的密封爆裂。为了满足凝结水泵变频启动至50Hz时间少于2 min的要求，将变频器从0Hz升至50Hz的升频时间由180 s提高到了120 s，并通过试验验证了在保证凝结水泵安全运行的同时，变频器未发生过载等异常现象，提高了凝结水系统的可靠性。

4.2 频率阈值

通过对高压变频器的调节能力与凝结水泵本体的适应能力进行对比分析发现，在根据凝结水母管压力自动调节的方式下，变频器的频率调节在0.2Hz左右频繁波动，虽然此波动属于正常调节，对电气系统影响较小，但是对于泵本体就有6r/min的频繁变化。如果长期波动可能导致泵本体振动偏大、轴承损坏等不良影响，降低泵的使用寿命。

为了解决频率波动问题，对高压变频器的给定频率阈值进行优化，由初始的0.2Hz提高到0.5Hz，但同时降低了高压变频器的调节品质，使得2台并列运行的变频凝结水泵运行电流偏差在2～8A之间。因此在DCS逻辑中对压力调节死区范围进行优化，消除了高压变频器调节的频繁波动，同时为了提高高压变频器的调节品质，变频器的给定频率阈值恢复至初始的0.2Hz。经过长期检验，运行情况良好。

4.3 逻辑程序

在正常运行方式下，2台变频泵运行、工频泵作为热备用。当其中一台变频泵因变频器故障或保护动作跳开高压侧开关时，另一台运行正常的变频泵应由DCS逻辑将运行频率升至50Hz，再联琐启动工频泵，避免2台并列运行的泵由于出力不同而造成出力较小的变频泵发生闷泵现象。但是由于变频器从运行频率降至频率为0时才会停机，在此期间变频器逻辑程序中只要变频器有频率输出就认为变频器在运行，输出变频运行信号，DCS逻辑由此判断因故障停运的变频泵仍在运行而无法启动工频泵，最终导致工频泵启动慢而造成凝结水母管压力和凝汽器水位无法维持。因此修改DCS变频泵停运判断逻辑，在变频器停运信号中串联6kV高压侧开关停运信号，这样在因故障6kV高压侧开关跳开后可及时联启工频备用泵。

作为一项节能措施，在机组低负荷时，采取单泵运行方式，即单台变频泵运行、另一台变频泵和工频泵备用。由于在变频器逻辑程序中，高压侧开关合闸后必须等待30 s才可以启动变频器，所以在运行变频泵故障停运或凝结水母管压力较低需要联琐启动备用变频泵时，虽然可以及时将高压侧电源开关合闸，但是泵却无法及时投入运行。针对此种情况，备用变频泵的高压侧开关应处于合闸状态为运行变频泵做备用，这样才可以及时将备用泵投入运行。

5 日常维护可靠性分析

5.1 运行环境

广东台山电厂地处南海铜鼓湾，多年平均气温22.6℃，多年极端最高气温37℃，多年平均相对湿度81%。由于靠近大海，环境中盐碱含量较高，空气潮湿，而变频器主要由电子元器件组成，因此电路板必须要有三防漆的保护，使其免受坏境的侵蚀，从而提高并延长它们的使用寿命，确保使用的安全性和可靠性。而实际上没有一种三防漆可以完全抵抗周遭的不利作用，大部分的不利作用是累积性的，长期的恶劣环境最终会使三防漆的保护作用失效。因此变频器的运行环境必须予以重视。

由于凝结水泵变频器室位置布置的缘故，设备投运初期室内环境受外界自然环境影响较大，室内湿度经常会达到100%，并且多次出现变频器停运期间，功率柜、控制柜内积水严重，柜内的电子元器件（如功率模块、主控箱、UPS电源等）损坏，造成了一定的经济损失。

为此，把环境治理作为一项重点工作，采取了诸如加装除湿机、开设冷却通风口等一系列治理手段，最终将变频器室内环境温度控制在30℃以下，湿度降至75%以下，功率模块运行温度控制在40℃以下，满足了变频器的运行环境要求，并且在变频器核心部位加装温湿度表计，时刻监视其运行环境状况，提高了变频器的运行可靠性。

5.2 变频器散热

高压变频器柜内散热方式是通过柜顶风机将热气抽出，并将环境空气通过防尘滤网吸入，因此在变频器的布置上，要尽量安排在密闭的空间内，保持环境清洁。空气中的灰尘会由于柜顶风机的吸力进入变频器柜内，会导致绝缘下降或击穿损坏电子元器件，设置防尘滤网的作用就是要阻止灰尘的进入；若灰尘堵塞滤网则会造成功率柜散热效果差，易导致功率模块过热失效损坏，因此要定期进行防尘滤网的清洁、更换。

5.3 功率模块维护

由于变频器主要是由电子元器件组成，其中电解电容在系统中起着非常重要的作用，特别要注意的是当变频器停用3个月以上时，需要给变频器功率模块充放电3次，每次充电时间30 min，等模块放净电才能进行下一次充电。模块充电的意义在于模块内的电容器里充的是液体，长时间停用会造成液体结晶，直接带负荷会造成模块的损坏，所以为了激活功率模块才要进行充电。这对于作为备品备件的功率模块也是同样的道理。

6 结论

随着国产主流品牌高压变频器技术的逐渐成熟和制造工艺的不断提升，就设备本身而言，稳定性和可靠性基本满足生产现场的要求，关键在于电力生产工作者在使用过程中如何能够保证充分发挥它的作用和优势，这是值得不断去摸索和研究的。

Study on Operation Reliability in Millions of Units of the Domestic High Voltage Converter

ZHAO Shu-wei
（Shenhua Guangdong Guohua Yuedian Taishan Power Plant Co.，Ltd.，Taishan 529228，Guangdong，China）

The domestic high voltage converter was used in Guangdong Taishan power plant two sets of one million units of the condensate pump，in order to improve the operation reliability，the aspects of design，operation，maintenance was analyzed detailed and corresponding measures was take，based on the actual situation and the problems of application，put forward the some matters needing attention to improve operation reliability of high voltage frequency converter，and ultimately improves the condensation water system stability and reliability.

high voltage converter；millions of units；reliability

TM46

A

2014-01-02

修改稿日期：2014-06-19

赵曙伟（1977-），男，本科，工程师，Email：695964873@qq.com