電除塵器用高頻電源的供電特性研究

陳 穎

（福建龍凈環(huán)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(huán)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(yīng)電除塵器頻繁閃絡(luò)、工況復(fù)雜多變的要求。簡(jiǎn)要介紹了高頻電源基本原理，敘述了高頻電源閃絡(luò)控制特性，對(duì)其純直流供電特性和間歇供電特性進(jìn)行了研究分析，并實(shí)測(cè)了該兩種供電方式下的功率因數(shù)和效率。工程實(shí)例表明，組合應(yīng)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(dá)到電除塵器提效節(jié)能的目的。

高頻電源；純直流供電；間歇供電；提效節(jié)能

1 前言

目前，國(guó)內(nèi)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(chǎn)品，基本能滿(mǎn)足火電廠600MW機(jī)組以及1000MW機(jī)組電除塵器全電場(chǎng)應(yīng)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(lián)諧振拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具有恒流特性，閃絡(luò)時(shí)主電路不產(chǎn)生大幅沖擊電流，設(shè)備穩(wěn)定性好，有利于除塵器復(fù)雜工況下的高效可靠運(yùn)行，已逐步成為市場(chǎng)主流產(chǎn)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(shí)驗(yàn)表明，高頻電源在純直流供電方式下即使開(kāi)關(guān)頻率降低為1kHz時(shí)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(shù)，具備優(yōu)越的供電和能效特性。對(duì)高頻電源兩種供電方式的特性進(jìn)行研究分析，合理組合應(yīng)用這兩種供電方式，優(yōu)化設(shè)定參數(shù)可提高除塵器提效節(jié)能效果。

2 高頻電源基本原理

國(guó)外除塵用高頻電源在20世紀(jì)90年代開(kāi)始研發(fā)，實(shí)用效果顯著。國(guó)內(nèi)高頻電源十多年前開(kāi)始試制，進(jìn)展迅速，現(xiàn)已實(shí)際投入電除塵器應(yīng)用近10年，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)已于2014年發(fā)布，應(yīng)用趨于成熟。國(guó)內(nèi)外諧振頻率達(dá)到20kHz以上的高頻電源，其原理如圖1所示。采用的總體技術(shù)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(fù)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(wú)論采用何種原理，都必須適應(yīng)電除塵器頻繁閃絡(luò)、工況復(fù)雜多變的要求，在確保除塵效率的情況下尋求節(jié)能的最大化，這就要求設(shè)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(yīng)閃絡(luò)，恢復(fù)供電電壓。

通常而言，對(duì)于中、低比電阻粉塵工況，采用純直流供電方式居多；對(duì)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(yōu)勢(shì)在于火花閃絡(luò)時(shí)主回路電流不上沖，電場(chǎng)電壓恢復(fù)快，純直流供電時(shí)的二次輸出電壓紋波通常小于3%，運(yùn)行平均電壓可達(dá)工頻電源的1.3倍，間歇供電間歇比任意可調(diào)，工況適應(yīng)性更強(qiáng)。

3.1 高頻電源閃絡(luò)特性

電除塵器用高頻電源為串聯(lián)負(fù)載串聯(lián)諧振變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用調(diào)頻（PFM）方式工作，為零電流諧振開(kāi)關(guān)，其約束條件是變換器開(kāi)關(guān)頻率小于2/1的諧振頻率[1]，具恒流特性。

如圖2所示，發(fā)生火花閃絡(luò)時(shí)，串聯(lián)諧振變換器的恒流特性可以有效抑制電流的大幅波動(dòng)和電場(chǎng)火花的電流沖擊，可以迅速熄滅火花并且快速恢復(fù)電場(chǎng)能量[2]。這種特性特別適合電除塵器現(xiàn)場(chǎng)工況頻繁的火花沖擊、短路機(jī)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(luò)響應(yīng)時(shí)間在20～50μs內(nèi)，電場(chǎng)閃絡(luò)時(shí)迅速封鎖輸出，并降低逆變電路的開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)頻率，盡快恢復(fù)電場(chǎng)電壓同時(shí)控制不出現(xiàn)連續(xù)閃絡(luò)。

圖2 高頻電源火花閃絡(luò)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(guò)調(diào)節(jié)逆變電路的開(kāi)關(guān)頻率，從而調(diào)節(jié)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(dāng)輸出電壓接近額定值時(shí)（如圖3所示），高頻電源的開(kāi)關(guān)頻率通常能達(dá)到10kHz以上，二次電壓輸出波形為一條直線(xiàn)，紋波系數(shù)小于1%。由于除塵器電場(chǎng)具有電容電阻雙重特性，其中電場(chǎng)容性的濾波作用使得二次電壓波形平滑，因此紋波系數(shù)小。圖4為高頻電源在1kHz的較低開(kāi)關(guān)頻率下的二次電壓波形，此時(shí)的二次電壓值約為25kV，電壓波形仍為一條直線(xiàn)，紋波依然很小。在實(shí)際工況下，高頻電源的輸出通常在50k～70kV，此時(shí)開(kāi)關(guān)頻率介于10k～20kHz之間，輸出均為一條直線(xiàn)，均能在臨界火花狀態(tài)下運(yùn)行。有關(guān)理論和實(shí)踐表明，在電除塵器正常運(yùn)行范圍內(nèi)，電暈電流和電暈功率都隨電場(chǎng)電壓的升高而增大[3]。因此，在同樣的電場(chǎng)里，高頻電源運(yùn)行于臨界火花狀態(tài)，運(yùn)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(kāi)關(guān)頻率）

圖4 高頻電源純直流供電二次電壓波形（1kHz開(kāi)關(guān)頻率）

由于二次電壓紋波系數(shù)已在3%以?xún)?nèi)，通過(guò)提高高頻電源工作頻率來(lái)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(shí)，其對(duì)二次電壓的提高微乎其微，對(duì)電除塵效率提升幾乎沒(méi)有幫助。因此，國(guó)內(nèi)外高頻電源諧振頻率一般都為20k～50kHz，純直流供電方式其實(shí)際運(yùn)行開(kāi)關(guān)頻率多介于10k～20kHz之間。

3.3 高頻電源間歇供電特性

常規(guī)工頻高壓電源受工業(yè)電網(wǎng)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(wú)法任意調(diào)節(jié)。高頻電源在間歇供電方式時(shí)，通過(guò)控制逆變電路開(kāi)通Pon和關(guān)斷Poff的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)間歇供電，高頻電源諧振頻率為40kHz時(shí)，二次電流單脈沖寬度以25μs為單位，間歇供電時(shí)，Pon及Poff均為25μs的倍數(shù)，可以任意調(diào)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(guò)調(diào)整Pon、Poff的時(shí)間值，從而獲得純直流到脈動(dòng)幅度很大的各種電壓波形給電除塵器供電，滿(mǎn)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(shí)，其Pon寬度通常設(shè)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(guò)尋找、跟蹤最佳的脈沖寬度和脈沖頻度，抑制反電暈現(xiàn)象，增加粉塵驅(qū)進(jìn)速度，以獲得最佳的除塵效果。毫無(wú)疑問(wèn)，應(yīng)用間歇供電節(jié)能效果良好。在高比電阻粉塵工況下除塵電源系統(tǒng)節(jié)能可達(dá)50%以上，其節(jié)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(shù)和效率

3.4.1 高頻電源純直流供電方式下的功率因數(shù)和效率

在模擬電場(chǎng)條件下，通過(guò)改變高頻電源開(kāi)關(guān)頻率來(lái)調(diào)節(jié)高頻電源的二次輸出直流電壓，并測(cè)試對(duì)應(yīng)的效率和功率因數(shù)。二次電壓每間隔5kV記錄一組數(shù)據(jù)，其值從30k～72.5kV的測(cè)試數(shù)據(jù)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(kāi)關(guān)頻率時(shí)設(shè)備效率介于0.84～0.93之間，功率因數(shù)介于0.69～0.92之間。設(shè)備輸出二次電壓為30kV，二次電流為196mA時(shí)，直流輸出總功率為5.88kW，設(shè)備有功功率為7kW，示波器觀察設(shè)備開(kāi)關(guān)頻率僅為1.63kHz，此時(shí)設(shè)備效率為0.84，設(shè)備功率因數(shù)為0.69。由此可見(jiàn)，即使在較低的開(kāi)關(guān)頻率下，設(shè)備仍能正常工作，并保持較高的效率和功率因數(shù)，設(shè)備本身?yè)p耗很低。

3.4.2 高頻電源間歇供電方式下的功率因數(shù)和效率

設(shè)備間歇供電測(cè)試結(jié)果如表2所示，供電間歇比從3 ∶ 2調(diào)至3 ∶ 5，設(shè)備效率介于0.87～0.82，功率因數(shù)介于0.85～0.67；供電間歇比從5 ∶ 2調(diào)至5 ∶ 5，設(shè)備效率介于0.87～0.81，功率因數(shù)介于0.76～0.63；供電間歇比從8 ∶ 2調(diào)至8 ∶ 5，設(shè)備效率介于0.92～0.78，功率因數(shù)介于0.66～0.65。由此可見(jiàn)，高頻電源即使在間歇供電方式下，設(shè)備仍能保持較高的效率和功率因數(shù)。

4 高頻電源應(yīng)用及測(cè)試數(shù)據(jù)

國(guó)投宣城發(fā)電有限責(zé)任公司1#爐600MW機(jī)組電除塵器原為雙列雙室5電場(chǎng)電除塵器，2011年4月進(jìn)行了節(jié)能改造，效果顯著。由于燃用煤種波動(dòng)的原因，除塵器出口排放濃度波動(dòng)較大，2013年1#爐再次進(jìn)行節(jié)能提效改造，改造項(xiàng)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(chǎng)采用1.6A/72kV高頻電源替代原有工頻電源，5電場(chǎng)掏空改為雙區(qū)結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行相應(yīng)的配套改造。1電場(chǎng)高頻電源采用純直流供電方式，2、3、4電場(chǎng)高頻電源采用間歇供電方式，5電場(chǎng)分荷電區(qū)和收塵區(qū)，采用工頻電源供電。改造完畢后，國(guó)電科學(xué)技術(shù)研究院于2013年7月對(duì)改造效果進(jìn)行了測(cè)試，1#機(jī)組電除塵器除塵效率平均值為99.9%，1#機(jī)組電除塵器出口煙氣煙塵質(zhì)量濃度平均值為27.1mg/m3，滿(mǎn)足保證值要求。1#機(jī)組電除塵器改造前滿(mǎn)負(fù)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(jí)電場(chǎng)采用純直流供電、后級(jí)電場(chǎng)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(yōu)勢(shì)特性，達(dá)到優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的目的，既提效又節(jié)能。

表1 1.6A/72kV高頻電源純直流供電時(shí)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)（模擬電場(chǎng)負(fù)載）

表2 1.6A/72kV高頻電源間歇脈沖供電時(shí)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)（模擬電場(chǎng)負(fù)載）

5 結(jié)語(yǔ)

高頻電源的恒流特性特別適應(yīng)于閃絡(luò)頻繁的除塵工況，閃絡(luò)時(shí)電流不會(huì)出現(xiàn)大幅沖擊上揚(yáng)，設(shè)備可靠性高。測(cè)試數(shù)據(jù)表明，高頻電源無(wú)論是純直流供電還是間歇供電，包括在較低的開(kāi)關(guān)頻率下，都能保持較高的功率因數(shù)和效率，設(shè)備自身?yè)p耗小。高頻電源通常諧振頻率為20k～50kHz，在純直流供電方式時(shí)，二次電壓紋波系數(shù)小于3%，電場(chǎng)運(yùn)行電壓高，電暈功率大，可提高除塵效率。由于紋波系數(shù)已很小，即使諧振頻率繼續(xù)提高到50kHz以上，也無(wú)法提高除塵效率，意義不大。在高比電阻粉塵工況下，應(yīng)用間歇供電，可有效抑制反電暈現(xiàn)象，不僅提效還可大幅節(jié)能。在許多應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)，高頻電源多采用純直流供電與間歇供電組合來(lái)滿(mǎn)足提效節(jié)能要求，表現(xiàn)出良好的供電和能效特性。

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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