绿色恒高频电源在湿式电除尘上的应用

　　摘 要：本文介绍了电除尘用高频高压电源的一种技术方案，分析了其方案原理和技术特性。实际使用表明，电除尘采用高频调压、恒频逆变的工作方式，具有功率因数高，电网电流谐波含量小，高压输出波动小，电流输出能力强、输出电流调节快速等优点。

　　高频高压电源由于其显著的性能优势在电除尘行业得到了大量应用，其调节速度快，满足了电除尘器大部分的要求，提高了电除尘设备的除尘效率。与可控硅电源有着本质的不同，采用的谐振式电路结构使高频电源具有良好的恒流源特性，电源可工作在稳态短路情况，非常适合电除尘工况。

　　随着高频电源逐步替代工频电源，特别是湿式电除尘应用中，除尘本体需要单机容量更大的高频电源设备，传统的高频电源为调频型工作方式，目前大容量高频电源往往采用水冷散热方式，系统复杂、维护困难、成本高的问题非常突出。同时随着电源设备容量的提高，高频除尘电源的电网输入功率因数、电网电流谐波畸变率等电能质量问题对厂区电网的影响逐渐受到重视，新建电除尘项目时，电网系统中往往需要额外配置无功补偿和电力滤波设备，但由于电除尘应用的特殊性，本体发生闪络时电源立即关断电能输出，容易引起电网无功功率过补偿，损坏补偿电容，电力滤波器也易发生谐振烧毁。

　　针对调频式高频电源在实际应用中存在的问题，市场上出现了调幅型高频电源，电流输出能力强，电源工况适应性得到大幅提高，其中基于空间矢量PWM整流技术(SVPWM)的绿色恒高频电源，通过高频整流调压，恒频逆变的方式运行，具有功率因数高(>

　　0.99)，电网电流谐波含量小(93%)等特点，在多个湿电除尘项目得到验证，是工频电源和调频型高频电源的提效与节能改造理想的更新换代产品。

　　调频型电除尘高频电源方案出现较早，来源于阿尔斯通90年代的技术方案，通过二极管不控整流将电网三相交流电压转换为530V直流电压，其上叠加有300Hz的交流电压，通过单相桥式逆变电路将直流电压逆变为2kHz~20kHz的交流电压，经高频变压器升压后通过高压硅堆整流得到叠加有300Hz交流纹波的直流电压。通过调节逆变频率来实现对输出电流平均值的调节，大功率高频电源由于变压器输入为高频大电流，IGBT和高频变压器功耗大，往往需要采用并联方案，主电路结构如图1所示。

　　调频型高频电源使用的高频变压器一次电压低，一次电流大，变压器变比大，造成变压器的铜耗和铁耗大，电源转换效率低。IGBT开关频率高，为降低IGBT的损耗必须使IGBT工作软开关状态，而软开关的实现依赖于谐振电容、变压器漏感、变压器匝间电容、除尘本体等效电容等参数，调频型高频电源的逆变频率时刻在变化，易造成IGBT失去软开关而工作在硬开关状态，大幅增加IGBT的功耗而损坏。

　　随着电力电子技术的发展，出现了空间矢量PWM整流技术，目前广泛应用于光伏逆变器、高压变频器、电动汽车充电桩等领域，相较于传统技术方案具有不可比拟的技术优势。针对传统调频型高频电除尘高压电源在实际中存在的问题，市场上出现了基于空间矢量PWM技术的绿色恒高频电除尘高压电源产品，相对于传统高频电源的性能优势在多个湿电项目中得到了验证。

　　绿色恒高频电源通过三相IGBT整流桥对电网交流电压进行高频整流并升压，IGBT逆变桥对得到的直流电压进行恒频逆变，通过PWM整流方式对变压器一次电压的幅值进行快速调节，进而对二次直流输出直流高压进行调节，采用的主电路结构如图2所示。

　　通过空间矢量PWM整流方式，将电网交流电压整流为幅值可调(600～1300V)的直流电压，高频电源的逆变频率恒定不变，通过调节一次电压的幅值对高压输出电流进行快速调节，二次电压输出无300Hz交流纹波问题，电源输出的平均电压更接近击穿点，除尘效率更高。

　　采用空间矢量PWM整流方式，电源的电网输入电流的幅值和相位任意可调，任意输出功率下均可实现电网输入功率因数恒为1。

　　采用空间矢量PWM整流方式，电网输入电流无低次谐波，只有高频开关纹波，通过简单的LC滤波方式，电网输入电流总谐波畸变率小。

　　采用调幅工作方式，对除尘本体集成电容等参数无要求，变压器工作中恒高频状态，电源的电流输出能力强，工况适应性好。

　　绿色恒高频电源对输出瞬时功率的峰值进行控制，控制每次输出给本体的能量大小，使输出电压尽可能接近火花放电点，并根据本体目前的运行工况实时快速变化，变压器恒高频(18kHz)运行，电源的电流输出能力强，特别是湿式电除尘应用中，由于喷淋系统产生的以及烟气本身携带的水汽，造成火花闪络点的随机性，绿色恒高频电源有很好的适应性，其输出的瞬时能量调节波形如图3所示。瞬时功率峰值控制带来的另一个优势就是可以实现火花的能级控制，当发生瞬间闪络或者微弱火花时，持续时间极端，此时电源不关机，当发生大火花时，电源在亚微妙时间内关闭输出，显著提供本体的除尘效率。

　　传统的调频型高频电源通过对输出功率的平均值进行调节，即控制单位时间内输出能量的份数，调节速度慢，要保证本体不放电，只能使平均输出电压远离闪络点，同一本体情况下的电流输出能力弱，特别是工况恶劣场合，为本体避免放电，开关频率很低(有时小于6kHz)，常出现空升试验电流输出正常而带载运行时电流很小的情况，传统的调频型高频电源对输出能量平均值的调节如图4所示。电除尘本体可等效为电阻与电容的并联，而电容的容抗与频率呈反比，即频率越高电容的容抗越小，本体的阻抗就越小，同样输出电压下电场的电晕电流就越大，除尘效率就越高，与传统调频高频电源在恶劣工况下的差异尤为明显。

　　绿色恒高频电源相较于传统的调频型高频电源在除尘效率、转换效率、电能质量、工况适应性、工程电缆费用、运行电费等方面均有提高。

　　绿色恒高频电除尘电源在焦化、钢铁等多个行业得到了实际应用，性能优异。临汾某焦化公司的煤炭焦化产线产生的烟气经脱硫后原先为直接排放方式，为满足大气污染物排放限值，脱硫后烟气增加湿式电除尘处理，高压电源选用绿色恒高频电源，项目目前已经经过环保局组织的验收，项目概况如下：

　　绿色恒高频电源运行界面如图5所示，二次电流满载输出，对输出瞬时峰值峰值进行控制，输出能量尽可能接近放电点并根据放电点快速变化，电源输出能力强。二次高压输出经过第三方检测仪表检验，真实可靠，电网输入功率因数和有功功率在低压配电室配置多功能功率表实时监测，数据一致，不存在电源规格虚标情况。

　　采用CA8331三相电能质量分析仪对绿色恒高频电源的电能质量进行测试，电网电流谐波畸变率和功率因数如图6所示，指标优异，体现绿色电源的特性。特别是对于类似该项目的小型厂矿企业，由于电网容量小，除尘电源的电能质量对系统的影响较大。

　　绿色恒高频电除尘电源具有除尘效率高，转换效率高、电晕电流输出能力强、电能质量指标最优等特点，恒高频运行方式使电源能够适应各种复杂工况。采用绿色恒高频电源，不需用户增配无功补偿与电力滤波设备，工程建设电缆相对同容量的调频型高频电源可减小一个规格，同时节省用户的运行电费，是工频电源和调频型高频电源的提效与节能改造理想的更新换代产品。

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