ABB 變頻器門極驅(qū)動板分離式技術(shù)改造及其應(yīng)用

（北京京能清潔能源電力股份有限公司內(nèi)蒙古分公司 內(nèi)蒙古呼和浩特 010000）

0 引言

變頻器作為風(fēng)電機(jī)組的核心部件，其運(yùn)行的可靠性直接關(guān)乎著風(fēng)力發(fā)電的經(jīng)濟(jì)效益［1］。隨著風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模的逐步擴(kuò)大，ABB 變頻器因其自身獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)獲得了越來越多的應(yīng)用，其故障問題也逐漸凸顯出來［2-3］。在變頻器運(yùn)行初期其故障率較小，但隨著運(yùn)行年限的增長，變頻器故障率可達(dá)到整個機(jī)組總故障率的三分之一左右，這嚴(yán)重影響了風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電效率，且故障問題帶來的風(fēng)機(jī)停機(jī)發(fā)電量損失、備件消耗成本、人工維護(hù)成本等使得風(fēng)電平價(jià)上網(wǎng)后無利可圖［4］。因此，對變頻器的故障類型及其產(chǎn)生原理進(jìn)行分析并提出有效的技術(shù)改造措施，對降低變頻器的故障率、提高機(jī)組發(fā)電效益和降低生產(chǎn)運(yùn)行成本具有十分顯著的意義。

1 ABB 變頻器在風(fēng)電機(jī)組中的應(yīng)用

ABB 變頻器因其結(jié)構(gòu)緊湊、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。傳統(tǒng)的工業(yè)領(lǐng)域中，安裝變頻器的電氣室一般均配有獨(dú)立的凈化間、散熱空調(diào)以及除濕系統(tǒng)，以確保變頻器工作在最佳的狀態(tài)。然而，考慮到風(fēng)電領(lǐng)域風(fēng)電機(jī)組內(nèi)部空間的局限性和運(yùn)行環(huán)境的特殊性，無法給變頻器配備凈化間和空調(diào)，導(dǎo)致其易長期運(yùn)行于高溫、高濕狀態(tài)，由此引發(fā)的故障率居高不下。

ABB 變頻器隨著運(yùn)行時間的增長，其故障率逐年遞增。據(jù)某風(fēng)電企業(yè)不完全統(tǒng)計(jì)，其配置了ABB 變頻器的風(fēng)電機(jī)組，因變頻器故障停機(jī)數(shù)約占機(jī)組全年故障停機(jī)總數(shù)的三分之一，這極大地影響了風(fēng)電企業(yè)的發(fā)電效率。同時，變頻器故障導(dǎo)致的維修費(fèi)用和備件采購費(fèi)用也加大了企業(yè)的運(yùn)營成本。因此對ABB 變流器采取合適的技術(shù)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(yùn)行于高溫狀態(tài)下，加劇了門極驅(qū)動板AGDR 的老化和IGBT 內(nèi)部絕緣材料的失效，由此引發(fā)的門極驅(qū)動板AGDR 對IGBT 的控制失效，使得機(jī)組頻繁報(bào)出“SC短路故障”或IGBT 因漏電流過大而炸毀，導(dǎo)致機(jī)組停機(jī)。

IGBT 爆炸破壞性極大，短路產(chǎn)生的過電流也會導(dǎo)致周邊很多連帶板卡燒毀，給風(fēng)電企業(yè)帶來較大的損失。根據(jù)風(fēng)電現(xiàn)場反饋的數(shù)據(jù)得知，ACS800-67 變頻器模塊“SC 短路故障”和IGBT 炸機(jī)的故障率高達(dá)80%以上。若要徹底解決ACS800 變頻器在風(fēng)電應(yīng)用中高溫、高故障率、高備件消耗的“三高”問題，把門極驅(qū)動板和IGBT 進(jìn)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(qū)動板與IGBT 為一體式焊接工藝，如圖1 所示。門極驅(qū)動板或IGBT 任一部件故障時，需整體更換IGBT 模塊，從而導(dǎo)致維護(hù)成本較高。

圖1 門極驅(qū)動板與IGBT 焊接一體圖

對此，擬采用一種ABB 變頻器門極驅(qū)動板分離式技術(shù)改造方案，即將變頻器原有的IGBT 模塊和門極驅(qū)動板分離，分離后原有的IGBT 模塊保留，增加新的IGBT 保護(hù)電路板和新型分離式門極驅(qū)動板。分離后的IGBT 模塊需和保護(hù)電路板焊接，由于IGBT 內(nèi)部集成度高、針腳細(xì)密，在現(xiàn)場有限的條件下，需謹(jǐn)慎作業(yè)。分離后的IGBT 和門極驅(qū)動板散熱表面積均增大，加大了散熱面積。IGBT 炸機(jī)后對其他電路板進(jìn)行隔離保護(hù)，避免擴(kuò)大連帶損失。

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

圖2 新型分離式門極驅(qū)動板和原有的IGBT（含保護(hù)板）

以型號為FS450R17KE3 的IGBT 為例，其額定電流為450 A，將其與門極驅(qū)動板分離后，需進(jìn)行1 500 V 的絕緣測試、容值測試、續(xù)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(fā)現(xiàn)任一指標(biāo)異?；虿粷M足標(biāo)注值則為判定為損壞。需要注意的是，常溫狀態(tài)下未帶滿載的測試，測試結(jié)果無法準(zhǔn)確判定IGBT 的好壞。同時，可采取以下策略優(yōu)化門極驅(qū)動電路，以降低其本身的損壞幾率：①改善驅(qū)動板工作電源，采用專用電源控制芯片控制，減少損耗及發(fā)熱量；②采用集成式邏輯芯片，減少板卡故障點(diǎn)；③采用專用的門極驅(qū)動芯片，系統(tǒng)運(yùn)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(qū)動板安裝在冷卻風(fēng)扇的出風(fēng)口位置，避免高溫老化，延長門極驅(qū)動板的壽命。優(yōu)化的新型分離式門極驅(qū)動板如圖3 所示。

圖3 優(yōu)化后的新型分離式門極驅(qū)動板

為避免變頻器各模塊電路工作于高溫環(huán)境，可通過改善變頻器功率模塊的通風(fēng)環(huán)境，降低其系統(tǒng)故障率。其主要實(shí)現(xiàn)方法為：拆除原系統(tǒng)風(fēng)扇電源板及變頻板，增加風(fēng)扇控制電路，將風(fēng)扇控制系統(tǒng)更改為380 V 工頻直接供電的工作模式，一來可加大系統(tǒng)通風(fēng)量，二來可減少風(fēng)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(fēng)扇如圖4 所示。

圖4 380 V 工頻直接供電風(fēng)扇

以變頻器內(nèi)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(jìn)行充電測試和零速測試，用軟件監(jiān)控波形。如果沒有異常，自動啟機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行30 min，監(jiān)控波形及狀態(tài)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(yīng)用效益

（1）通過分離門極驅(qū)動板，降低變頻器故障率。以一個標(biāo)準(zhǔn)4.95 MW 風(fēng)電場，裝備33 臺1.5 MW 雙饋機(jī)型為例，集中進(jìn)行分離IGBT 并更換新型門極驅(qū)動板。技改后12 個月內(nèi)“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(guān)故障，如電流不平衡和炸機(jī)等故障，這是因?yàn)樵撋壏桨笩o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(tǒng)運(yùn)行可靠性，減少系統(tǒng)運(yùn)行成本。2017 年，ABB 公司已正式停產(chǎn)ACS800 系列變頻器，僅提供備件銷售。2017—2019 年，其備件價(jià)格以10%增幅逐年上漲。用戶今后面臨備件價(jià)格上漲、周期延長的困境。通過此項(xiàng)技改，可以延長現(xiàn)有ACS800-67 系列的使用壽命，大幅度降低后期備件采購費(fèi)用。

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

5 總結(jié)

本文提出了一種ABB 變頻器門極驅(qū)動板分離式技術(shù)改造方法，將原有門極驅(qū)動板與IGBT 主體分離，增加了1 塊隔離保護(hù)板，有效地避免了IGBT 炸機(jī)后導(dǎo)致的連帶損失，對其他電路板進(jìn)行了有效隔離保護(hù)。對門極驅(qū)動板電路進(jìn)行優(yōu)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(fēng)扇的出口位置，增大了系統(tǒng)通風(fēng)散熱效果。應(yīng)用效果表明，該技術(shù)改造方案能夠有效降低變頻器故障率。