电除尘器用高频电源的供电特性研究

陈 颖

（福建龙净环保股份有限公司，福建 龙岩 364000）

电除尘器用高频电源的供电特性研究

陈 颖

（福建龙净环保股份有限公司，福建 龙岩 364000）

高频电源作为电除尘器的新型供电电源，适应电除尘器频繁闪络、工况复杂多变的要求。简要介绍了高频电源基本原理，叙述了高频电源闪络控制特性，对其纯直流供电特性和间歇供电特性进行了研究分析，并实测了该两种供电方式下的功率因数和效率。工程实例表明，组合应用高频电源两种不同供电方式，可获得良好的供电和能效特性，达到电除尘器提效节能的目的。

高频电源；纯直流供电；间歇供电；提效节能

1 前言

目前，国内外电除尘器用的高频电源谐振频率一般为20k～50kHz，电源容量逐步增大，最大输出电流2.0A，输出电压80kV，输出容量160kW，已形成系列化产品，基本能满足火电厂600MW机组以及1000MW机组电除尘器全电场应用的要求。

高频电源作为电除尘器的新型供电电源，普遍采用LC串联谐振拓扑结构，具有恒流特性，闪络时主电路不产生大幅冲击电流，设备稳定性好，有利于除尘器复杂工况下的高效可靠运行，已逐步成为市场主流产品。高频电源具有纯直流供电和间歇供电两种供电方式，可以为电除尘器提供最合适的电压波形，从而提高除尘效率。实验表明，高频电源在纯直流供电方式下即使开关频率降低为1kHz时输出电压纹波仍非常小，在间歇供电方式下，仍能保持较高的效率和功率因数，具备优越的供电和能效特性。对高频电源两种供电方式的特性进行研究分析，合理组合应用这两种供电方式，优化设定参数可提高除尘器提效节能效果。

2 高频电源基本原理

国外除尘用高频电源在20世纪90年代开始研发，实用效果显著。国内高频电源十多年前开始试制，进展迅速，现已实际投入电除尘器应用近10年，行业标准已于2014年发布，应用趋于成熟。国内外谐振频率达到20kHz以上的高频电源，其原理如图1所示。采用的总体技术方案为：三相交流电源输入 - 整流 - 高频逆变 - 升压整流输出直流负高压给电除尘器供电。

图1 高频电源原理图

3 电除尘器用高频电源供电特性

电除尘器的高压供电电源，无论采用何种原理，都必须适应电除尘器频繁闪络、工况复杂多变的要求，在确保除尘效率的情况下寻求节能的最大化，这就要求设备能够提供接近纯直流到间歇幅度很大的各种电压波形，快速响应闪络，恢复供电电压。

通常而言，对于中、低比电阻粉尘工况，采用纯直流供电方式居多；对于高比电阻粉尘工况，采用间歇供电方式居多。高频电源与工频电源相比其优势在于火花闪络时主回路电流不上冲，电场电压恢复快，纯直流供电时的二次输出电压纹波通常小于3%，运行平均电压可达工频电源的1.3倍，间歇供电间歇比任意可调，工况适应性更强。

3.1 高频电源闪络特性

电除尘器用高频电源为串联负载串联谐振变换器拓扑结构，采用调频（PFM）方式工作，为零电流谐振开关，其约束条件是变换器开关频率小于2/1的谐振频率[1]，具恒流特性。

如图2所示，发生火花闪络时，串联谐振变换器的恒流特性可以有效抑制电流的大幅波动和电场火花的电流冲击，可以迅速熄灭火花并且快速恢复电场能量[2]。这种特性特别适合电除尘器现场工况频繁的火花冲击、短路机率高的情况。而且，其恒流特性有明显的火花抑制作用，火花击穿的临界电压显著提高。高频电源火花闪络响应时间在20～50μs内，电场闪络时迅速封锁输出，并降低逆变电路的开关频率，降低高频电源输出二次电压值，之后再迅速提高逆变电路的开关频率，尽快恢复电场电压同时控制不出现连续闪络。

图2 高频电源火花闪络波形

3.2 高频电源纯直流供电特性

高频电源在纯直流供电方式下，通过调节逆变电路的开关频率，从而调节输出二次直流电压和二次直流电流的大小。

在纯直流供电方式下，当输出电压接近额定值时（如图3所示），高频电源的开关频率通常能达到10kHz以上，二次电压输出波形为一条直线，纹波系数小于1%。由于除尘器电场具有电容电阻双重特性，其中电场容性的滤波作用使得二次电压波形平滑，因此纹波系数小。图4为高频电源在1kHz的较低开关频率下的二次电压波形，此时的二次电压值约为25kV，电压波形仍为一条直线，纹波依然很小。在实际工况下，高频电源的输出通常在50k～70kV，此时开关频率介于10k～20kHz之间，输出均为一条直线，均能在临界火花状态下运行。有关理论和实践表明，在电除尘器正常运行范围内，电晕电流和电晕功率都随电场电压的升高而增大[3]。因此，在同样的电场里，高频电源运行于临界火花状态，运行电压明显高于工频电源，可以比工频电源输入更多的电晕功率，从而提高除尘效率。

图3 高频电源纯直流供电二次电压波形（10kHz开关频率）

图4 高频电源纯直流供电二次电压波形（1kHz开关频率）

由于二次电压纹波系数已在3%以内，通过提高高频电源工作频率来降低纹波从而提升二次电压均值的空间不大。如高频电源谐振频率提高到50k～200kHz或者200kHz以上时，其对二次电压的提高微乎其微，对电除尘效率提升几乎没有帮助。因此，国内外高频电源谐振频率一般都为20k～50kHz，纯直流供电方式其实际运行开关频率多介于10k～20kHz之间。

3.3 高频电源间歇供电特性

常规工频高压电源受工业电网5 0 H z频率限制，二次电流波形以1 0 m s为单位，单半波间歇供电比通常为（1∶2；1∶4……；1∶20）十种，即为（10ms∶20ms；10ms∶40ms……；10ms∶200ms）10种，双半波间歇供电比通常为（2∶2；2∶4……；2∶20）10种，即为（20ms∶20ms；20ms∶40ms……；20ms∶200ms）10种，供电波形无法任意调节。高频电源在间歇供电方式时，通过控制逆变电路开通Pon和关断Poff的时间，实现间歇供电，高频电源谐振频率为40kHz时，二次电流单脉冲宽度以25μs为单位，间歇供电时，Pon及Poff均为25μs的倍数，可以任意调整，不受工频50Hz频率限制。如图5所示，通道2为二次电流波形，通道1为二次电压波形，通过调整Pon、Poff的时间值，从而获得纯直流到脉动幅度很大的各种电压波形给电除尘器供电，满足电除尘的各种工况要求。

图5 高频电源间歇供电波形

高频电源在间歇供电方式时，其Pon宽度通常设定在几百微秒到几毫秒之间，在较窄的高压脉冲作用下，可以有效提高脉冲峰值电压，增加高比电阻粉尘的荷电量。通过寻找、跟踪最佳的脉冲宽度和脉冲频度，抑制反电晕现象，增加粉尘驱进速度，以获得最佳的除尘效果。毫无疑问，应用间歇供电节能效果良好。在高比电阻粉尘工况下除尘电源系统节能可达50%以上，其节能降耗成效十分可观。

3.4 高频电源不同供电方式下的功率因数和效率

3.4.1 高频电源纯直流供电方式下的功率因数和效率

在模拟电场条件下，通过改变高频电源开关频率来调节高频电源的二次输出直流电压，并测试对应的效率和功率因数。二次电压每间隔5kV记录一组数据，其值从30k～72.5kV的测试数据如表1所示。

从表1中可以看出，高频电源纯直流供电方式下改变开关频率时设备效率介于0.84～0.93之间，功率因数介于0.69～0.92之间。设备输出二次电压为30kV，二次电流为196mA时，直流输出总功率为5.88kW，设备有功功率为7kW，示波器观察设备开关频率仅为1.63kHz，此时设备效率为0.84，设备功率因数为0.69。由此可见，即使在较低的开关频率下，设备仍能正常工作，并保持较高的效率和功率因数，设备本身损耗很低。

3.4.2 高频电源间歇供电方式下的功率因数和效率

设备间歇供电测试结果如表2所示，供电间歇比从3 ∶ 2调至3 ∶ 5，设备效率介于0.87～0.82，功率因数介于0.85～0.67；供电间歇比从5 ∶ 2调至5 ∶ 5，设备效率介于0.87～0.81，功率因数介于0.76～0.63；供电间歇比从8 ∶ 2调至8 ∶ 5，设备效率介于0.92～0.78，功率因数介于0.66～0.65。由此可见，高频电源即使在间歇供电方式下，设备仍能保持较高的效率和功率因数。

4 高频电源应用及测试数据

国投宣城发电有限责任公司1#炉600MW机组电除尘器原为双列双室5电场电除尘器，2011年4月进行了节能改造，效果显著。由于燃用煤种波动的原因，除尘器出口排放浓度波动较大，2013年1#炉再次进行节能提效改造，改造项目要求保证改造后电除尘出口烟尘排放浓度小于40mg/Nm3。

由于提效需要，1～4电场采用1.6A/72kV高频电源替代原有工频电源，5电场掏空改为双区结构，并进行相应的配套改造。1电场高频电源采用纯直流供电方式，2、3、4电场高频电源采用间歇供电方式，5电场分荷电区和收尘区，采用工频电源供电。改造完毕后，国电科学技术研究院于2013年7月对改造效果进行了测试，1#机组电除尘器除尘效率平均值为99.9%，1#机组电除尘器出口烟气烟尘质量浓度平均值为27.1mg/m3，满足保证值要求。1#机组电除尘器改造前满负荷工况条件下总电耗值为609.2kW，改造后总电耗值为425.2kW，比改造前降低30.2%。

前级电场采用纯直流供电、后级电场采用间歇供电的组合方法合理地利用了高频电源两种供电方式的优势特性，达到优势互补的目的，既提效又节能。

表1 1.6A/72kV高频电源纯直流供电时实测数据（模拟电场负载）

表2 1.6A/72kV高频电源间歇脉冲供电时实测数据（模拟电场负载）

5 结语

高频电源的恒流特性特别适应于闪络频繁的除尘工况，闪络时电流不会出现大幅冲击上扬，设备可靠性高。测试数据表明，高频电源无论是纯直流供电还是间歇供电，包括在较低的开关频率下，都能保持较高的功率因数和效率，设备自身损耗小。高频电源通常谐振频率为20k～50kHz，在纯直流供电方式时，二次电压纹波系数小于3%，电场运行电压高，电晕功率大，可提高除尘效率。由于纹波系数已很小，即使谐振频率继续提高到50kHz以上，也无法提高除尘效率，意义不大。在高比电阻粉尘工况下，应用间歇供电，可有效抑制反电晕现象，不仅提效还可大幅节能。在许多应用现场，高频电源多采用纯直流供电与间歇供电组合来满足提效节能要求，表现出良好的供电和能效特性。

[1] Lippincott A C．A capacitor-charging power supply using a seriesresonant topology，constant on-time variable frequency control，and zero-current switching[J]．IEEE Trans．Ind．Elec．，1991，38（6）：438-447．

[2] 陈颖，郭俊，毛春华，等.电除尘器高频电源的提效节能应用[J].中国环保产业，2010（12）：28-31.

[3] McLean，K．J．Electrostatic precipitators.Physical Science，Measurement and Instrumentation，Management and Education Reviews[J]．IEE Proceedings A，1988，135(6)：347-361．

Study on Power Supply Characteristics of Electrical Source with High Frequency Used by Electrostatic Precipitator

CHEN Ying

X701

A

1006-5377（2015）06-0047-04