高頻電源與三相電源運行特性淺析及組合應(yīng)用

毛春華（福建龍凈環(huán)保股份有限公司，福建 龍巖 364000）

高頻電源與三相電源運行特性淺析及組合應(yīng)用

毛春華
（福建龍凈環(huán)保股份有限公司，福建 龍巖 364000）

概述了電除塵設(shè)備對高壓電源的要求，同時對高頻電源、三相電源的原理、供電和閃絡(luò)特性進行了分析比較，并介紹了兩種電源在600MW機組上的組合應(yīng)用情況。

高頻電源；三相電源；供電； 閃絡(luò)特性；組合應(yīng)用

隨著供電技術(shù)的發(fā)展，高頻電源、三相電源逐漸取代了傳統(tǒng)的單相工頻電源，成為電除塵器節(jié)能提效的新選擇。本文通過對高頻電源、三相電源的原理、供電和閃絡(luò)運行特性進行分析比較，并結(jié)合兩種電源在600MW機組電除塵器上的組合應(yīng)用情況，供相關(guān)改造參考。

1　電除塵對高壓電源的要求

電除塵設(shè)備供電電源的核心在于供電特性及控制策略的差別，如何選擇和應(yīng)用好高壓供電電源，降低電除塵的運行電耗，同時保證排放達標(biāo)是電除塵對高壓電源最主要的要求。

電除塵器的前級電場尤其是一電場粉塵的收集量大大高于后級電場，且一電場粉塵濃度高，需要較大的電暈電流，另外在粉塵顆粒中低比電阻情況下，電除塵要求高壓電源的供電波形紋波因數(shù)小，電壓波形平直，盡可能工作在臨界火花狀態(tài)，為電場輸入更多的電暈功率，從而提高除塵效率。

電除塵在高比電阻粉塵工況下易產(chǎn)生反電暈現(xiàn)象，高壓電源克服反電暈的途徑是在給定的時段里不斷地重復(fù)供電和恢復(fù)供電，降低通過粉塵層的平均電流，使電除塵器能在反電暈得到抑制的條件下運行。理論和實踐證明，間歇供電時的供電脈寬小，上升率高，有利于抑制反電暈并提高除塵效率。另外從節(jié)能的角度，高壓電源的間歇比選擇范圍大，更能實現(xiàn)節(jié)能最大化。

高頻電源與三相電源的共性是提高設(shè)備輸出頻率，三相電源的輸出頻率為300Hz，高頻電源的輸出頻率為20k～50kHz，頻率的提高使得設(shè)備在全波供電時輸出電壓波形平直，但因兩種設(shè)備的電路結(jié)構(gòu)、控制原理和工作頻率不同，設(shè)備的全波供電、間歇供電性能、閃絡(luò)特性差異較大。

2　高頻電源與三相電源的工作原理

2.1高頻電源工作原理

國內(nèi)外的高頻電源，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 — 升壓整流輸出直流高壓。全波供電時，通過調(diào)節(jié)高頻逆變環(huán)節(jié)的開關(guān)頻率調(diào)節(jié)輸入到變壓器的諧振電流平均值，控制設(shè)備輸出的二次電流平均值，從而調(diào)節(jié)設(shè)備的輸出電壓，即調(diào)頻方式調(diào)壓。

間歇供電時，設(shè)備開關(guān)頻率可以調(diào)節(jié)，同時通過控制逆變電路開通Pon和關(guān)斷Poff的時間，實現(xiàn)間歇供電，間歇比任意可調(diào)。

圖1　高頻電源原理圖

2.2三相電源工作原理

三相電源主電路如圖2所示。三相交流380V電源經(jīng)三相晶閘管調(diào)壓電路，送至三相高壓硅整流變壓器的初級，經(jīng)升壓整流后輸出直流高壓。全波供電時，與工頻電源類似，通過微機控制器控制晶閘管的導(dǎo)通角調(diào)節(jié)設(shè)備輸出電壓。間歇供電通過順序觸發(fā)可控硅，再停止n次觸發(fā)的形式實現(xiàn)，受電路和晶閘管特性限制，無法實現(xiàn)任意可調(diào)。

圖2　三相電源原理圖

3　高頻電源與三相電源運行特性

3.1高頻電源與三相電源全波供電特性

在中低比電阻粉塵工況，高壓電源通常工作在全波供電方式或純直流供電方式，采用最高平均電壓控制、臨界火花率控制策略以提高輸出平均電壓和電流，以提高電暈功率，提高除塵效率。

3.1.1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(diào)節(jié)逆變電路的開關(guān)頻率，從而調(diào)節(jié)輸出二次直流電流和二次直流電壓的大小。如圖3、圖4所示，高頻電源開關(guān)頻率從5kHz提高到10kHz時，諧振電流平均值提高，經(jīng)整流變壓器輸出的二次電流平均值提高，在同一電場條件下，輸出的二次電壓提高，從2.4V提高到3.2V，實際輸出電壓從45kV提高到約60kV。

圖3　開關(guān)頻率5kHz諧振電流和二次電壓波形

圖4　開關(guān)頻率10kHz諧振電流和二次電壓波形

由于除塵器電場具有電容電阻雙重特性，高頻電源開關(guān)頻率在5kHz、10kHz，甚至1kHz時，輸出二次電壓波形均為一條直線，紋波系數(shù)小于1%，均能在臨界火花狀態(tài)下運行。另外當(dāng)開關(guān)頻率不變時，高頻電源輸出的二次電流平均值不變，具有恒流特性，當(dāng)粉塵濃度增大時，電除塵的等效電阻增大，高頻電源輸出的二次電壓提高，輸入到電場的電暈功率增加，強化了粉塵荷電，保證了除塵效果，對電除塵具有自適應(yīng)特性。

3.1.2三相電源全波供電特性

由圖2可知，三相電源主電路一共用到了6個晶閘管，va1和va2、vb1和vb2、vc1和vc2分別是反并聯(lián)結(jié)構(gòu)，觸發(fā)信號相差180°，這6個晶閘管按照觸發(fā)順序va1、vc2、vb1、va2、vc1、vb2的順序觸發(fā)，觸發(fā)信號依次相差60°。任何時候必須有兩個晶閘管同時導(dǎo)通形成回路。全波供電時，通過控制晶閘管開通時所對應(yīng)的相位，調(diào)節(jié)輸出電壓的有效值，從而達到調(diào)壓的目的。如圖5、圖6所示，控制角為60°時，二次電壓紋波約為5%，二次電壓實際約為60kV； 如圖7、8所示，控制角增大到90°時，輸入到變壓器的電壓平均值減小， 二次電壓降為52kV，二次電流平均值減小。

3.1.3全波供電特性比較

綜上分析可見，高頻電源與三相電源的控制原理不同，三相電源通過調(diào)節(jié)可控硅的導(dǎo)通角調(diào)節(jié)設(shè)備的輸出，二次電壓電流頻率固定為300Hz，二次電壓紋波小于5%，二次電壓平均值接近于峰值；高頻電源二次電流頻率0～50kHz可調(diào)，二次電壓紋波小于1%，即使在開關(guān)頻率為1kHz的頻率下，高頻電源的輸出二次電壓波形仍為一條直線，二次電壓平均值等于峰值，可穩(wěn)定工作于次火花狀態(tài)，并且高頻電源的恒流特性對電除塵的粉塵濃度工況變化具有自適應(yīng)性。

圖5　α=60°A相電壓波形

圖6　α=60°二次電流和二次電壓波形

圖7　α=90°A相電壓波形

圖8　α=90°二次電流和二次電壓波形

3.2高頻電源與三相電源間歇供電特性

在高比電阻粉塵工況，高壓電源通常工作在間歇供電方式，以克服反電暈現(xiàn)象。理論與實踐證明，間歇供電時的供電脈寬小，上升率高，有利于抑制反電暈并提高除塵效率。比如在一定的條件下，工頻電源的“單脈沖”往往比“雙脈沖”效果好，單脈沖的脈寬比較小，有利于抑制反電暈，而且單脈沖僅僅導(dǎo)通一個半波，使熄滅火花比較容易。工頻電源單脈沖間歇供電比通常固定，設(shè)為（1︰2；1︰4……；1︰20）， 即為（10ms︰20ms；10ms︰40ms……；10ms︰200ms）。

3.2.1高頻電源間歇供電特性

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(guān)斷Poff的時間，實現(xiàn)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(shù)，可以任意調(diào)整，不受工頻50Hz頻率限制，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。圖9、圖10、圖1 1分別為間歇供電（5ms︰60ms）、（5 m s︰ 5 m s）（1ms︰400ms）測試波形圖，間歇供電比任意可調(diào)，能為電除塵提供最合適的供電波形，在滿足除塵效率的情況下實現(xiàn)節(jié)能最大化。

3.2.2三相電源間歇供電特性分析

圖9　間歇供電（5ms︰60ms）

圖10　間歇供電（5ms︰5ms）

圖11　間歇供電（1ms︰400ms）

控制功能較為完善的三相電源同樣具備間歇供電功能，晶閘管按照va1、vc2、vb1、va2、vc1、vb2的順序觸發(fā)，任何時候要有兩個相的晶閘管同時導(dǎo)通才能形成回路，三相電源通常采用順序觸發(fā)6個晶閘管后在停n次觸發(fā)，即可實現(xiàn)間歇控制1︰n的要求，其中導(dǎo)通時間固定為20ms，目前三相電源導(dǎo)通時間和關(guān)斷時間比最小可控制在6.67ms︰16.7ms，如圖12所示，間歇供電間歇比無法任意可調(diào)。由于電路固有性質(zhì)，間歇供電脈寬最小約為6.67ms。

圖12　三相電源間歇供電波形

3.2.3間歇供電特性比較

高頻電源間歇脈沖寬度任意可調(diào)，具有更窄的脈沖寬度，和間歇比選擇范圍，可以為電除塵提供最合適的波形并實現(xiàn)節(jié)能最大化。三相電源間歇供電由于電路的固有性質(zhì)，間歇供電脈沖寬度最小約6.67ms，間歇比無法實現(xiàn)任意可調(diào)。

3.3高頻電源與三相電源閃絡(luò)特性

電除塵高壓電源火花控制策略總體一致，檢測到火花放電以后，通常采用封鎖開關(guān)管的驅(qū)動脈沖或觸發(fā)信號，輸出電壓降為零，等待除塵電場的介質(zhì)恢復(fù)，控制輸出電壓的上升速率，一般分為快升階段、慢升階段，火花逼近階段。

3.3.1高頻電源火花控制特性

高頻電源工作頻率高，火花閃絡(luò)響應(yīng)時間在20～50μs內(nèi)，電場閃絡(luò)時迅速封鎖輸出，并降低逆變電路的開關(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關(guān)頻率，盡快恢復(fù)電場電壓同時控制不出現(xiàn)連續(xù)閃絡(luò)，一般在15ms恢復(fù)全功率供電，在100次/min的火花率下，平均輸出高壓無下降。高頻電源的串聯(lián)諧振逆變器具有恒流特性，在輸出短路時有極好的限流能力，如圖13所示，在火花閃絡(luò)點，二次電流約為平均電流的1.1倍左右，可以有效抑制電場火花的電流沖擊，能滿足電除塵器持續(xù)火花放電和短路沖擊的要求，適應(yīng)負(fù)載的大范圍變化。

3.3.2三相電源火花控制特性

三相電源在無閃絡(luò)發(fā)生時，電路處于2個或3個可控硅導(dǎo)通的狀態(tài)，當(dāng)閃絡(luò)發(fā)生時，迅速封鎖6路觸發(fā)脈沖，已經(jīng)開通的可控硅需承受反向電壓后關(guān)斷，因此閃絡(luò)發(fā)生后，閃絡(luò)關(guān)斷時間約在10～20ms之間，較長時間的閃絡(luò)必然導(dǎo)致高能量火花的產(chǎn)生，嚴(yán)重時可能拉弧。如圖14所示，火花閃絡(luò)持續(xù)時間大約為15ms，閃絡(luò)時輸出電流達到閃絡(luò)前4倍，閃絡(luò)沖擊大，一般在300ms恢復(fù)全功率供電。為了避免高能量火花甚至電弧損傷收塵極板，三相電源應(yīng)有靈敏的火花檢測和處理方法，通常為確保極板間的絕緣強度恢復(fù)，應(yīng)保持幾個半波的關(guān)斷后再恢復(fù)觸發(fā)脈沖，一般在300ms后恢復(fù)全功率供電。

圖13　高頻電源火花波形圖

圖14　三相電源火花波形圖

4　高頻電源與三相電源的節(jié)能提效組合應(yīng)用

4.1高頻電源與三相電源在電除塵電場的應(yīng)用

高頻電源具備純直流供電紋波小于1%的特性，并對電場閃絡(luò)沖擊抑制特性好，另外目前的國產(chǎn)高頻電源容量已經(jīng)達到160kW，非常適用于含塵濃度高的前級電場，尤其是火花閃絡(luò)頻繁產(chǎn)生的一電場，另外高頻電源具備間歇比任意可調(diào)的間歇供電特性，在電除塵器的后級電場應(yīng)用，能在保證除塵效率的情況下，實現(xiàn)節(jié)能最大化。

三相電源全波供電紋波小于5%，但由于閃絡(luò)火花沖擊大，一般不建議用于閃絡(luò)頻繁的一電場，三相電源具備電源容量大，輸出電壓可以達到95kV，具有間歇供電功能的三相電源推薦用于飛灰粒徑細(xì)小、比電阻相對較高的電除塵的后級電場。

4.2高頻電源與三相電源在廣東某電廠的提效節(jié)能組合應(yīng)用

廣東某電廠#3爐600MW機組配套電除塵器成套設(shè)備均為臥式BE型電除塵器，電除塵器型號為BE856/4-4，雙列雙室四電場結(jié)構(gòu)，同極距405mm，陰極線采用針刺線，陰陽極均采用頂部電磁錘振打方式，設(shè)計煤種入口含塵濃度為5.1g/m3，正常處理煙氣量為862m3/s，電除塵設(shè)計收塵效率為99.6%，保證收塵效率為99.52%。截至2013年底已投運近10年。采用常規(guī)分區(qū)供電，每臺電除塵器配套10臺高壓硅整流設(shè)備，共20臺，每個室的一電場有2臺高壓電源（GGAJ02K- 0.7/72kV和GGAJ02k-1.5/72kV）各1臺，二電場有1臺高壓電源（ GGAJ02k- 2.0/72kV），三、四電場各有1臺高壓電源（GGAJ02k-1.5/80kV）。

#3爐電除塵器在機組負(fù)荷600MW時，功耗在1500kW以下，平均出口煙塵濃度在33mg/Nm3。電除塵無法滿足新的排放要求，且能耗較高。2014年，用戶經(jīng)過調(diào)研后決定采用改造周期短的高效電源進行改造，考慮到提效的需要，同時考慮到原工頻電源額定輸出平均值72kV遠(yuǎn)低于峰值電壓，高效電源的峰值與平均值接近，高效電源電壓比工頻電源等級選用高一個級別，考慮到高頻電源目前沒有90kV的電壓等級，電源選型時一電場分別采用1.0A/80kV和1.8A/80kV高頻電源，二電場采用2.0A/80kV高頻電源，三、四電場采用1.8A/90kV的三相電源進行改造。

調(diào)試時，一電場第一分區(qū)的1.0A/80kV高頻電源采用純直流供電方式，一電場第二分區(qū)以及二電場高頻電源及三、四電場三相電源采用間歇供電方式運行，同時與低壓設(shè)備配合實現(xiàn)高低壓聯(lián)動斷電振打功能。2014年11月，#3機組測試結(jié)果表明，平均煙塵濃度為15.04mg/Nm3，達到小于20mg/Nm3的性能要求，測試期間平均高壓耗電量為389.4kW，達到小于880.5kW的性能要求，取得了很好的改造效果。

5　結(jié)語

高頻電源純直流供電紋波小于1%，高頻電源的串聯(lián)諧振逆變器具有恒流特性，在輸出短路時有極好的限流能力，很適合用于電除塵器的前級電場，同時高頻電源的間歇供電比任意可調(diào)，用于后級電場可以有效抑制反電暈，并能在保證除塵效率下實現(xiàn)最大的節(jié)能，并且國產(chǎn)高頻電源已經(jīng)發(fā)展到第二代甚至第三代高防護型產(chǎn)品，可實現(xiàn)防水、防塵、適應(yīng)海邊鹽霧腐蝕環(huán)境等；三相電源全波供電紋波小于5%，但由于閃絡(luò)火花沖擊大，不建議用于火花頻繁的前級電場，三相電源的容量可以達到很大，具有間歇供電的三相電源可用于飛灰粒徑細(xì)小、比電阻相對較高的電除塵的后級電場，兩種電源的組合應(yīng)用可以取得很好的改造效果和性價比。

［1］ 陳穎.電除塵器高頻電源串并聯(lián)混合諧振變換器的應(yīng)用［J］.自動化應(yīng)用，2011.

［2］ Grass N.Application of different type of high-voltage supplies on industrial electrostatic precipitators.Industry Application. IEEE，2004.1513-1520.

［3］ 陳堅.電力電子學(xué)-電力電子變換和控制技術(shù)［M］.北京：高等教育出版社，2012.

Operation Characteristics’ Analysis of High Frequency Power Supply and Three-phase Power Supply and its Composite Applications

MAO Chun-hua
（Fujian Longking Co.， Ltd， Fujian Longyan 364000， China）

This article simply explains the demand of ESP on high voltage power supply， and at the same time， the article analyzes and compares the principle， power supply and flashover characteristic of the high frequency power supply and three-phase power supply， and introduces the composite application of two kinds of power supply in 600 MW generating set.

high frequency power supply； three-phase power supply； power supply； flashover characteristic； composite applications

X701

A

1006-5377（2016）08-0049-05