電除塵器用高頻電源的供電特性研究

陳 穎

（福建龍凈環保股份有限公司，福建 龍巖 364000）

電除塵器用高頻電源的供電特性研究

陳 穎

（福建龍凈環保股份有限公司，福建 龍巖 364000）

高頻電源作為電除塵器的新型供電電源，適應電除塵器頻繁閃絡、工況復雜多變的要求。簡要介紹了高頻電源基本原理，敘述了高頻電源閃絡控制特性，對其純直流供電特性和間歇供電特性進行了研究分析，并實測了該兩種供電方式下的功率因數和效率。工程實例表明，組合應用高頻電源兩種不同供電方式，可獲得良好的供電和能效特性，達到電除塵器提效節能的目的。

高頻電源；純直流供電；間歇供電；提效節能

1 前言

目前，國內外電除塵器用的高頻電源諧振頻率一般為20k～50kHz，電源容量逐步增大，最大輸出電流2.0A，輸出電壓80kV，輸出容量160kW，已形成系列化產品，基本能滿足火電廠600MW機組以及1000MW機組電除塵器全電場應用的要求。

高頻電源作為電除塵器的新型供電電源，普遍采用LC串聯諧振拓撲結構，具有恒流特性，閃絡時主電路不產生大幅沖擊電流，設備穩定性好，有利于除塵器復雜工況下的高效可靠運行，已逐步成為市場主流產品。高頻電源具有純直流供電和間歇供電兩種供電方式，可以為電除塵器提供最合適的電壓波形，從而提高除塵效率。實驗表明，高頻電源在純直流供電方式下即使開關頻率降低為1kHz時輸出電壓紋波仍非常小，在間歇供電方式下，仍能保持較高的效率和功率因數，具備優越的供電和能效特性。對高頻電源兩種供電方式的特性進行研究分析，合理組合應用這兩種供電方式，優化設定參數可提高除塵器提效節能效果。

2 高頻電源基本原理

國外除塵用高頻電源在20世紀90年代開始研發，實用效果顯著。國內高頻電源十多年前開始試制，進展迅速，現已實際投入電除塵器應用近10年，行業標準已于2014年發布，應用趨于成熟。國內外諧振頻率達到20kHz以上的高頻電源，其原理如圖1所示。采用的總體技術方案為：三相交流電源輸入 - 整流 - 高頻逆變 - 升壓整流輸出直流負高壓給電除塵器供電。

圖1 高頻電源原理圖

3 電除塵器用高頻電源供電特性

電除塵器的高壓供電電源，無論采用何種原理，都必須適應電除塵器頻繁閃絡、工況復雜多變的要求，在確保除塵效率的情況下尋求節能的最大化，這就要求設備能夠提供接近純直流到間歇幅度很大的各種電壓波形，快速響應閃絡，恢復供電電壓。

通常而言，對于中、低比電阻粉塵工況，采用純直流供電方式居多；對于高比電阻粉塵工況，采用間歇供電方式居多。高頻電源與工頻電源相比其優勢在于火花閃絡時主回路電流不上沖，電場電壓恢復快，純直流供電時的二次輸出電壓紋波通常小于3%，運行平均電壓可達工頻電源的1.3倍，間歇供電間歇比任意可調，工況適應性更強。

3.1 高頻電源閃絡特性

電除塵器用高頻電源為串聯負載串聯諧振變換器拓撲結構，采用調頻（PFM）方式工作，為零電流諧振開關，其約束條件是變換器開關頻率小于2/1的諧振頻率[1]，具恒流特性。

如圖2所示，發生火花閃絡時，串聯諧振變換器的恒流特性可以有效抑制電流的大幅波動和電場火花的電流沖擊，可以迅速熄滅火花并且快速恢復電場能量[2]。這種特性特別適合電除塵器現場工況頻繁的火花沖擊、短路機率高的情況。而且，其恒流特性有明顯的火花抑制作用，火花擊穿的臨界電壓顯著提高。高頻電源火花閃絡響應時間在20～50μs內，電場閃絡時迅速封鎖輸出，并降低逆變電路的開關頻率，降低高頻電源輸出二次電壓值，之后再迅速提高逆變電路的開關頻率，盡快恢復電場電壓同時控制不出現連續閃絡。

圖2 高頻電源火花閃絡波形

3.2 高頻電源純直流供電特性

高頻電源在純直流供電方式下，通過調節逆變電路的開關頻率，從而調節輸出二次直流電壓和二次直流電流的大小。

在純直流供電方式下，當輸出電壓接近額定值時（如圖3所示），高頻電源的開關頻率通常能達到10kHz以上，二次電壓輸出波形為一條直線，紋波系數小于1%。由于除塵器電場具有電容電阻雙重特性，其中電場容性的濾波作用使得二次電壓波形平滑，因此紋波系數小。圖4為高頻電源在1kHz的較低開關頻率下的二次電壓波形，此時的二次電壓值約為25kV，電壓波形仍為一條直線，紋波依然很小。在實際工況下，高頻電源的輸出通常在50k～70kV，此時開關頻率介于10k～20kHz之間，輸出均為一條直線，均能在臨界火花狀態下運行。有關理論和實踐表明，在電除塵器正常運行范圍內，電暈電流和電暈功率都隨電場電壓的升高而增大[3]。因此，在同樣的電場里，高頻電源運行于臨界火花狀態，運行電壓明顯高于工頻電源，可以比工頻電源輸入更多的電暈功率，從而提高除塵效率。

圖3 高頻電源純直流供電二次電壓波形（10kHz開關頻率）

圖4 高頻電源純直流供電二次電壓波形（1kHz開關頻率）

由于二次電壓紋波系數已在3%以內，通過提高高頻電源工作頻率來降低紋波從而提升二次電壓均值的空間不大。如高頻電源諧振頻率提高到50k～200kHz或者200kHz以上時，其對二次電壓的提高微乎其微，對電除塵效率提升幾乎沒有幫助。因此，國內外高頻電源諧振頻率一般都為20k～50kHz，純直流供電方式其實際運行開關頻率多介于10k～20kHz之間。

3.3 高頻電源間歇供電特性

常規工頻高壓電源受工業電網5 0 H z頻率限制，二次電流波形以1 0 m s為單位，單半波間歇供電比通常為（1∶2；1∶4……；1∶20）十種，即為（10ms∶20ms；10ms∶40ms……；10ms∶200ms）10種，雙半波間歇供電比通常為（2∶2；2∶4……；2∶20）10種，即為（20ms∶20ms；20ms∶40ms……；20ms∶200ms）10種，供電波形無法任意調節。高頻電源在間歇供電方式時，通過控制逆變電路開通Pon和關斷Poff的時間，實現間歇供電，高頻電源諧振頻率為40kHz時，二次電流單脈沖寬度以25μs為單位，間歇供電時，Pon及Poff均為25μs的倍數，可以任意調整，不受工頻50Hz頻率限制。如圖5所示，通道2為二次電流波形，通道1為二次電壓波形，通過調整Pon、Poff的時間值，從而獲得純直流到脈動幅度很大的各種電壓波形給電除塵器供電，滿足電除塵的各種工況要求。

圖5 高頻電源間歇供電波形

高頻電源在間歇供電方式時，其Pon寬度通常設定在幾百微秒到幾毫秒之間，在較窄的高壓脈沖作用下，可以有效提高脈沖峰值電壓，增加高比電阻粉塵的荷電量。通過尋找、跟蹤最佳的脈沖寬度和脈沖頻度，抑制反電暈現象，增加粉塵驅進速度，以獲得最佳的除塵效果。毫無疑問，應用間歇供電節能效果良好。在高比電阻粉塵工況下除塵電源系統節能可達50%以上，其節能降耗成效十分可觀。

3.4 高頻電源不同供電方式下的功率因數和效率

3.4.1 高頻電源純直流供電方式下的功率因數和效率

在模擬電場條件下，通過改變高頻電源開關頻率來調節高頻電源的二次輸出直流電壓，并測試對應的效率和功率因數。二次電壓每間隔5kV記錄一組數據，其值從30k～72.5kV的測試數據如表1所示。

從表1中可以看出，高頻電源純直流供電方式下改變開關頻率時設備效率介于0.84～0.93之間，功率因數介于0.69～0.92之間。設備輸出二次電壓為30kV，二次電流為196mA時，直流輸出總功率為5.88kW，設備有功功率為7kW，示波器觀察設備開關頻率僅為1.63kHz，此時設備效率為0.84，設備功率因數為0.69。由此可見，即使在較低的開關頻率下，設備仍能正常工作，并保持較高的效率和功率因數，設備本身損耗很低。

3.4.2 高頻電源間歇供電方式下的功率因數和效率

設備間歇供電測試結果如表2所示，供電間歇比從3 ∶ 2調至3 ∶ 5，設備效率介于0.87～0.82，功率因數介于0.85～0.67；供電間歇比從5 ∶ 2調至5 ∶ 5，設備效率介于0.87～0.81，功率因數介于0.76～0.63；供電間歇比從8 ∶ 2調至8 ∶ 5，設備效率介于0.92～0.78，功率因數介于0.66～0.65。由此可見，高頻電源即使在間歇供電方式下，設備仍能保持較高的效率和功率因數。

4 高頻電源應用及測試數據

國投宣城發電有限責任公司1#爐600MW機組電除塵器原為雙列雙室5電場電除塵器，2011年4月進行了節能改造，效果顯著。由于燃用煤種波動的原因，除塵器出口排放濃度波動較大，2013年1#爐再次進行節能提效改造，改造項目要求保證改造后電除塵出口煙塵排放濃度小于40mg/Nm3。

由于提效需要，1～4電場采用1.6A/72kV高頻電源替代原有工頻電源，5電場掏空改為雙區結構，并進行相應的配套改造。1電場高頻電源采用純直流供電方式，2、3、4電場高頻電源采用間歇供電方式，5電場分荷電區和收塵區，采用工頻電源供電。改造完畢后，國電科學技術研究院于2013年7月對改造效果進行了測試，1#機組電除塵器除塵效率平均值為99.9%，1#機組電除塵器出口煙氣煙塵質量濃度平均值為27.1mg/m3，滿足保證值要求。1#機組電除塵器改造前滿負荷工況條件下總電耗值為609.2kW，改造后總電耗值為425.2kW，比改造前降低30.2%。

前級電場采用純直流供電、后級電場采用間歇供電的組合方法合理地利用了高頻電源兩種供電方式的優勢特性，達到優勢互補的目的，既提效又節能。

表1 1.6A/72kV高頻電源純直流供電時實測數據（模擬電場負載）

表2 1.6A/72kV高頻電源間歇脈沖供電時實測數據（模擬電場負載）

5 結語

高頻電源的恒流特性特別適應于閃絡頻繁的除塵工況，閃絡時電流不會出現大幅沖擊上揚，設備可靠性高。測試數據表明，高頻電源無論是純直流供電還是間歇供電，包括在較低的開關頻率下，都能保持較高的功率因數和效率，設備自身損耗小。高頻電源通常諧振頻率為20k～50kHz，在純直流供電方式時，二次電壓紋波系數小于3%，電場運行電壓高，電暈功率大，可提高除塵效率。由于紋波系數已很小，即使諧振頻率繼續提高到50kHz以上，也無法提高除塵效率，意義不大。在高比電阻粉塵工況下，應用間歇供電，可有效抑制反電暈現象，不僅提效還可大幅節能。在許多應用現場，高頻電源多采用純直流供電與間歇供電組合來滿足提效節能要求，表現出良好的供電和能效特性。

[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] 陳穎，郭俊，毛春華，等.電除塵器高頻電源的提效節能應用[J].中國環保產業，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