电除尘高效电源选型设计方法

谢友金

（厦门绿洋电气有限公司，福建 厦门 361101）

电除尘高效电源选型设计方法

谢友金

（厦门绿洋电气有限公司，福建 厦门 361101）

电除尘高效电源种类现主要是三相电源、高频电源和脉冲电源。高效电源较常规单相电源，具有更高的能量转换效率、除尘效率以及更好的节能效率。根据高效电源电除尘提效机理，分析并阐述了三种高效电源在电除尘容性负载状态下的负载响应特性，介绍了三种高效电源的选型设计方法，以提高高效电源的选型和应用水平。

高效电源；单相电源；高频电源；三相电源；脉冲电源

1 前言

随着《火电厂大气污染物排放标准》（GB13223-2011）和《煤电节能减排升级与改造行动计划（2014～2020年）》的正式实施。人们除了关注以低低温电除尘和湿法电除尘本体技术外，以高效电源为核心的电除尘器提效改造技术方案，已成为“超低排放”烟气协同治理中，电除尘器提效改造的主流招投标方案，得到普遍关注，并在多个提效改造案例中效果显著，得到了五大电力集团公司的普遍认可，高效电源也成为招投标的关键词。但在大规模高效电源提效改造案例中，完全满足提效改造要求，且长期稳定高效运行案例占比并不高，这很大程度是因为广大业主对高效电源的技术性能特点不够熟悉，存在明显的选型偏差所造成的。

目前，电除尘高效电源种类主要有：高频电源、三相电源和脉冲电源三种。顾名思义，高效电源比常规单相电源，具有更高的能量转换效率、更高的除尘效率以及更好的节能效率。这三者中，能量转换效率基本是由电路拓扑结构决定的，三种高效电源都是采用三相交流平衡输入，能量转换效率≥90%，这是区别于单相电源的共同特征，也是定义高效电源的理论依据。最值得关注的是高效电源是否具有更高的除尘效率，以及更好的节能效率。

本文根据电除尘高效电源提效机理，以理论计算为依据，阐述了三种高效电源技术的性能特点，以及在电除尘容性负载状态下的负载响应特性，介绍了三种高效电源的选型设计方法，以提高业主对高效电源选型和应用的水平，发挥高效电源在“超低排放”烟气协同治理中的作用，推动高效电源技术进步。

2 高效电源的提效机理

电除尘提效机理，主要依据多依奇效率公式：

其中：

A — 电除尘集尘总面积；

Q — 处理烟气量；

ω— 粉尘驱进速度。

对于现役电除尘器提效达标改造，在电除尘本体结构和烟气工况没有改变的条件下，就意味着比集尘面积A/Q是个定值，所能提高除尘效率的因素，只有粉尘驱进速度ω，因此，高效电源提效改造的理论依据就是有效提高粉尘驱进速度ω。

粉尘驱进速度（ω≈d×Ea×Ep)与电场平均场强和峰值场强的乘积成正比。换言之，通过有效提高二次输出峰值电压和平均电压，是高效电源提高粉尘驱进速度的技术手段，判断高效电源改造后的提效效果，可直接通过改造后的二次峰值电压和平均电压的提高幅度来评估。要想高效电源改造后大幅提高二次输出峰值电压和平均电压，就应以单相电源选型经验为基准，从理论上分析高效电源的技术性能特点，以及在电除尘容性负载响应特性，由此来推导高效电源额定电压选型规格，再通过高效电源改造案例的实际运行电压提高幅度来评估。如果改造后的实际运行电压没有明显提高，就不能证明其具有提效改造的效果。

3 高效电源的额定电压选型基准

过去几十年，只有一种单相高压电源，因而在选型时，采用平均电压（应是有效值）的选型习惯一直延续至今。现在出现了高频电源、三相电源和脉冲电源，若仍然以平均电压作为选型依据，显然是不科学的。因为高效电源输出的电压波形和工作频率发生了根本性的变化，施加到电除尘容性负载时，负载响应的特性差异很大，平均电压与峰值电压的纹波系数完全不一样，如果仍然按照平均电压选型，容易造成选型偏差，若出现额定电压选型偏低，将会直接影响烟气粉尘荷电效率，直接影响粉尘驱进速度提效幅度，最终会导致改造后满足不了达标排放的要求。

为了便于计算和分析，本文以某电场集尘面积2500m2，电场同极距400mm，电流密度0.4mA/m2为例。根据传统单相电源选型原则，高压电源选型规格应为1.0A/72kV。交流正弦波有效值与峰值之间比例为，额定电压的有效值72kV，对应的峰值。而平均值是指一个正弦周期内积分总和的平均值，与有效值没有直接关系。正弦波平均电压值与峰值电压之间比例为0.637，如果72kV定义为电压平均值，真正的峰值电压应该为113kV。所以传统的额定电压选型应是有效值，而不是平均值，因而平均值的说法有误，应更正。

当1.0A/72kV高压电源进行空载试验升压时，当高压控制柜二次电流表头指示额定值1.0A时，二次电压表头指示的电压值一般≤65kV，这个值就是二次平均电压值。由此得出一个结论，高压电源高压控制柜的一次表头指示值为有效值，二次表头指示值为平均值，而变压器铭牌的额定输出电压是有效值。当1.0A/72kV高压电源空载升压后，二次电流达到额定值1.0A，而二次电压≤65kV的原因，并不是设备制造的设计参数有问题，而是因为整流变压器铭牌参数是有效值，而高压柜二次表头的指示值则是平均值。

整流变压器的二次电压是有效值，是因为整流变压器的所有输入输出选型设计参数都是按有效值计算的，计算结果不可能产生平均值。空载试验电压≤65kV也证明了铭牌上的额定输出电压72kV是有效值。

高压控制柜二次表头指示值是平均值，是因为电除尘的负载是一个典型的容性负载，升压过程就是积分过程，从负载取样的二次电压值，在直流表头的指示值必然是平均电压值。

为了提高高压电源选型的科学性、合理性，必须先准确判断烟气工况粉尘的最大闪络击穿点，这个值就是电源选型的峰值电压。由于极配和工况因素影响，常规单相电源在实际负载的运行电压一般为50k～55kV，较理想的工况，末级电场运行平均电压接近60kV，由此可以推导出在带载条件下，烟气粉尘介质的最大闪络击穿峰值电压=60/0.637=94.2kV。本文设定峰值电压95kV作为高效电源额定电压的选型依据，对应单相电源额定输出电压，相当于66kV档。国际上通行的额定电压选型方法都是根据峰值电压的。

4 三相电源的额定电压选型

三相电源采用三相交流同步输入，三相同步移相调压，三相同步升压整流后，加到放电极。各相电压、电流完全平衡，相位相差120度。三相电源等效于A、B、C三个单相电源交替叠加输出，三相电源的平均电压等于常规单相1.5倍，与三相峰值电压比例为0.955，电能最大转换效率达到95%，是典型的高效电源。三相电源属于工频范畴，本文采用正弦波形模拟仿真计算A、B、C三个单相电源通过交替叠加输出的平均电压值，该值就是三相电源的平均电压值。

现以峰值电压95kV为基准，输入工频50Hz正弦波sinA、sinB、sinC和角频率ω，建立2个完整周期的三相正弦整流波形模拟仿真表，如表1所示。

表1 50Hz正弦波sinA、sinB、sinC仿真表

注：1）理论上，单相正弦波最大电压平均值=95×0.637=60.5kV。与仿真表中A、B、C各相统计平均值基本相符。2）理论上，三相最大电压平均值=峰值× 0.955=90.725kV,与仿真表统计值基本相符。

由上述三相正弦波模拟仿真表自动生成的波形如图1、图2、图3所示。

图1 三相交流输出波形图

图2 三相整流波形图

图3 三相整流叠加输出波形图

根据上述仿真图表可知：

脉动幅度=〔（峰值电压 - 平均电压）/ 峰值电压〕× 100% = 36.3%。

三相电源整流输出最大平均电压为90.725kV，有效值 = 67.185×1.35 = 90.699kV。

脉动幅度 =〔（峰值电压-平均电压）/ 峰值电压〕× 100% = 4.5%。

由此得出，400mm极距电场，峰值电压为95kV时，采用50Hz工频正弦波sinA、sinB、sinC三个单相仿真时，直接得到的三相电源平均电压和有效值电压均＞90kV，由此可确定：当单相电源额定电压66kV时，对应的三相电源额定电压应为90kV，三相电源的本质由A、B、C三台单相电源交替叠加构成（如表2）。一些招标文件中指定三相电源额定电压为72kV、80kV甚至85kV，都是缺乏科学依据的，明显偏低。

表2 单/三相电源输出电压对应值

5 高频电源的额定电压选型

高频电源在电路拓扑上采用交-直-交-直的变换方式，逆变开关和高频变压器都采用单相方式，本质上属于单相电源的属性，是一种频率压缩版的单相电源。主要技术特点：1）逆变频率从50Hz提高到20kHz；2）电能转换效率从70%提高到90%以上；3）具有灵活的间歇脉冲节能控制特性。

由于高频电源工作频率高，输出负载特性与电场等效电容大小密切相关。因为电除尘负载由极板极线构成，是一个典型的容性负载。根据实测和理论计算经验，电除尘电场每平米的集尘面积等效电容约为30pF，假设某电场的集尘面积为2500m2，对应等效电容值= 2500×30=75nF，电流密度0.4mA/m2，额定输出电流= 500×0.4=1000mA，设定峰值电压95kV，根据上一节单相正弦波形模拟仿真得出的单相电源平均电压值 = 60kV。

据此，可采用容性负载充电计算公式计算高频电源在电除尘电容负载状态下的瞬时输出电压值，即负载响应特性。为了便于对比，本文同时列举了单相电源、三相电源和高频电源三种的容性负载响应特性。计算公式为：负载瞬时电压值 = 平均电压值 + 脉动电压的负载充电值。

三种电源的运算参数和计算结果如表3所示。

表3 三种电源电容性负载响应特性

将负载等效电容作为变量，不同等效电容负载计算的结果如表4、图4所示。

表4 三种电源不同电容性负载变化趋势

图4 三种电源不同电容性负载变化趋势

由表4和图4的结果，并结合正弦波模拟仿真值可知，当峰值电压为95kV时，三种电源二次电压脉动范围为：单相电源60k～91.2kV，三相电源82k～93.2kV，高频电源60k～60.9kV。由此得出三种电源电容性负载脉动波形图，如图5所示。

根据上述分析可知，三相电源对电除尘容性负载的适应性最好，满载瞬时电压达到额定峰值电压的98.15%，轻载或开路时等于峰值电压。

高频电源在轻载或者开路状态下，负载瞬时电压接近峰值电压，满载瞬时电压接近单相电源的平均输出电压，几乎是纯平均直流电压，没有峰值电压特性。

图5 三种电源电容性负载脉动波形图

该结论表明：高频电源在轻载或开路状态下，与单相电源特性基本一致，但在电除尘等效容性负载状态下，高频电源所施加到电场的电压波形99.5%被负载电容滤波，脉动幅度只有0.4%，输出电压波形几乎为纯直流平均电压（只有单相电源瞬时响应电压值的2/3）。

目前，高频电源变压器铭牌额定输出电压一般为72kV或者80kV，换算成开路峰值电压分别为101.8kV和113kV，带电除尘负载时的实际输出电压为65kV和72kV，与常规单相电源相比较，峰值电压下降26kV，比三相电源峰值电压相比较下降28kV。即便将高频电源用于一、二电场，改造后的除尘效率也很难得到明显提高，近几年众多改造应用案例也契合了这个结论。

由此推导，400mm同极距电场，单相电源空载火花击穿电压为95kV。理论上高频电源的额定电压也应选择95kV，但此时负载开路时的峰值电压≥134kV，过电压保护难度大，因此建议高频电源额定电压的选型应≥90kV，否则很难体现提效优势。这个结论同时也说明，电除尘高压电源并非频率越高越好，现有的高频电源没有提效优势。

单相、三相、高频三种直流高压电源额定输出电压选型值如表5所示。

表5 三种高压电源额定电压选型表（单位：kV）

6 脉冲电源的选型设计方法

脉冲电源选型分为基础电压和脉冲电压，基础电压部分额定电流可直接参照三相电源选型。脉冲电压部分应满足等效电容在100μs内快速充电值选型。丹麦史密斯公司第四代脉冲电源是业界标杆产品，基础最大电压60kV，脉冲最大电压80kV，脉冲宽度75μs，叠加组合后最大电压140kV，大幅超过了400mm电场闪络击穿电压值。

脉冲电源为了在电除尘负载获得真正微秒级脉冲电压波形，必须根据负载等效电容，具备足够大的瞬态脉冲输出功率。为此，史密斯公司脉冲电源分为基础部分和脉冲部分，脉冲部分采用两级升压的技术方案：第一级从380V升到2.5kV，第二级从2.5kV升到80kV，脉冲逆变开关选用1200A/3300V顶级IGBT模块并联使用，脉冲输出平均电流超过30A，按脉冲平均重复频率500Hz（2ms）计算，脉冲瞬态峰值电流应达600A，瞬态最大输出功率达4800kW。

脉冲电源之所以可能比高频电源或三相电源具有更高的提效幅度，是因为微秒级脉冲电压波形，脉冲电压瞬间超越电场直流电压所能接受的闪络击穿电压值，且不会发生闪络放电。如果脉冲电压无法超过直流电源闪络击穿放电电压值，或者输出的脉冲电压波形被负载电容滤波无法获得脉冲电压波形，就无法证明脉冲电源具有更好的提效性能。

据韩国某公司资料，基础最大电压35kV，脉冲最大电压65kV，叠加后最大电压100kV，脉冲宽度20～1000μs，输出平均电流为400/200mA，脉冲重复频率30～1000Hz，取500Hz，脉冲瞬态峰值电流为8A（具体参数见表6）。但这种脉冲电源有两点质疑：一是脉冲宽度20～1000μs，因为：1）在电场内烟气粉尘在阴极附近被荷电后，迁移到阳极板所需的最大时间为150μs，如果脉冲宽度≥150μs，就必然会发生闪络击穿放电，从技术上无法超越直流电源最大闪络击穿峰值电压，就无法体现脉冲电源的技术优势；2）输出电流只有400/200mA，在带载情况下，根本无法满足135/57.5nF负载电容快速充电要求，无法产生有效的脉冲电压输出波形。

目前，国内脉冲电源的技术参数和韩国产品相类似。现场考察国内某企业的脉冲电源，交流输入电流14A，交流输入功率9.2kVA，输出平均电流200mA，输出电压60k～80kV，假设脉冲重复频率500Hz，脉冲瞬态最大峰值电流4A。根据脉冲电源理论，不足10kVA的脉冲发生器，是不可能瞬间把脉冲电压施加到电场，并产生高强度粉尘荷电效应的。

表6 韩国某公司脉冲电源技术参数

为了证明上述结论，模拟仿真电除尘等效电容充电理论，以证明脉冲电源的负载响应特性。

根据实测和理论计算经验，电除尘电场每平米集尘面积的等效电容为30pF，假设某电场集尘面积为2500m2，对应等效电容值= 2500×30 = 75nF。

脉冲电源负载瞬时电压值 = 基础额定电压值 + 脉冲额定电压瞬态充电值，计算公式如下：

表7、表8分别列出了国内外现有三种脉冲电源的技术参数和计算结果。

表7 国内外三种脉冲电源技术性能分析

表8 三种脉冲电源不同电容负载响应特性趋势

三种脉冲电源不同等效电容负载特性，自动生成的负载响应特性如图6所示。

图6 三种脉冲电源不同电容负载响应趋势

上述计算结果表明，丹麦史密斯公司的脉冲电源在75μs内，负载脉冲电压波形上冲幅度达到99.95%。而韩国和国内脉冲电源在100μs内，上冲幅度分别只有15.13%和7.88%，几乎没有产生脉冲效应，瞬时电压叠加值只有44kV，明显低于单相电源91kV和三相电源峰值电压93kV，因而不能证明此类脉冲电源能取得比直流电源更好的除尘效果。

由此可知，脉冲电源技术的性能差异很大，用户需慎重评估和选用。

7 高效电源的额定电流选型

三相电源和高频电源采用三相制交流输入，理论上额定电流可比单相电源增大倍；在容性负载状态下，单相电源脉动幅度32.3%，三相电源脉动幅度为2.65%，高频电源脉动幅度为0.4%，输出电压几乎是纯直流，由此推算，实际允许的额定输出电流应≥倍。该结果表明，三相电源和高频电源与单相电源相比较，在相同负载条件下，额定电流几乎可以翻倍，但在实际应用中是没有必要的。因为，三相电源和高频电源为了获得更高的提效效果，额定电压选型应≥90kV，才能满足电除尘容性负载临界击穿闪络运行条件。由于额定电压从72kV提高到90kV以上的提高幅度达25%，等效于设备输出容量增大了25%，对提效改造已经提供了有效保障。因此，额定电流选型不必要完全按照理论推算，根据笔者工作单位的多年选型应用经验，一般建议电流密度可由单相电源的0.4mA/m2提高到0.5mA/m2左右。

如此电流密度选型也是有条件限制的，特别是后级电场，必须采用间歇节能供电技术。高频电源具有灵活的间歇脉冲供电特性，除前级电场需要纯直流供电外，后级电场一般建议采用间歇脉冲供电模式。三相电源必须要求具备间歇脉冲供电功能，否则，电流密度取0.5mA/m2是无法满足后级电场实际运行要求的，因而三相电源间歇脉冲节能供电功能尤为重要。

特别强调高效电源间歇脉冲供电特性的另一个重要原因是鉴于对设备总能耗的考虑，因为绝大部分改造工程项目对能耗都有考核。根据上述选型方法，额定电压已提高25%，额定电流再提高10%～20%，两者叠加后，设备的总动力负荷将增加30%～40%。如果不采用间歇脉冲供电技术而完全按照纯直流模式，整台机组高压电源的总能耗将大幅度增大，同时也可能造成振打清灰难等问题，不利于长期达标稳定运行。

根据经验，三相电源第一电场建议采用全波连续供电（0.7），二电场采用1:2（0.5），三四电场选择1:4（0.25），五电场选择1:6（0.16）比较合适，五个电场合计平均功耗系数k = 0.372≤0.40，即便设备总动力负荷增加40%，最终运行负荷系数也只有0.56，略低于单相电源全波运行功耗系数0.6，可为提效和能耗考核双达标提供保障。

8 结语

由于市场利益驱使，一些产品难免有些扩大宣传，高效电源能否在提效改造中真正满足要求，用户不能简单地任由商业诱导。

高频电源在技术层面上的确具有提效和节能作用，但通过上述理论计算分析可知，高频电源输出的峰值电压波形99.5%被负载等效电容滤波，施加到负载的运行电压几乎为纯直流平均电压，只有单相电源峰值电压的2/3，对粉尘荷电性能不但没有提高，反而下降了。除了间歇脉冲节能模式外，几乎没有体现提高除尘效率的技术优势，即便用于第一、二电场也没有优势。要想发挥高频电源性能优势，唯一的办法是将额定输出电压提高到95kV以上，现有高频电源额定电压基本都是72kV和80kV，明显低于允许选型额定输出电压值。一旦将高频电源额定输出电压提高到95kV，负载开路电压≥134kV，对高频变压器自身绝缘耐压将是考验。因为高频谐振高压电源在负载开路状态下，负载等效电容与逆变谐振电容可能不谐振，谐振电路失效，输出波形乱码，升压变压器变比失控，将会产生超高输出电压，直接威胁设备的自身安全。其次，大功率（≥1.8A）高频电源低端（等效负载≤15%）线性度差，也容易失控。因此，高频电源额定输出电压允许且需要提高，在开路或轻载状态下，产品可靠性将受到严重考验。也说明为什么高频电源额定输出电压，长期没有达到负载允许额定电压选型值的真正原因。

三相电源对于电除尘容性负载适应性最好，脉动幅度只有2.65%，对于400mm同极距电场，额定电压选型90kV时，施加到电场的空载最大输出电压93.2kV，比单相电源91.2kV提高2kV。三相二次平均电压达到90.725kV，比单相电源60.5kV提高30kV，提高幅度达1.5倍。在烟气粉尘负载状态下实际运行电压≥70kV，可比单相电源提高40%以上，理论与实践完全匹配，符合多依奇电除尘效率公式提效机理。近几年的众多改造案例已充分证明了这个结论。但由于三相电源采用三相交流交替叠加输入，对于三相可控硅同步触发和快速火花控制技术要求较高，在同类产品中，技术性能参差不齐，存在较大差距。有些三相电源在电场发生火花闪络时，火花控制特性差，二次表头直接降到底，几个周波后才能升上去，为了维持产品基本稳定运行，只能降压运行，甚至低于单相电源运行电压值，这类三相电源显然没有提效优势，改造效果难以满足要求。

LYAVC-Ⅲ新一代三相高效节能电源，是业内三相电源的标杆产品，其微秒级快速火花控制技术和6.6ms间歇脉冲控制技术，技术性能优势明显，多个应用案例效果显著，产品的可靠性与单相电源完全一致。

综上所述，高效电源具有潜在提效和节能优势，但高效电源技术门槛也相对提高，同类产品性能差异较大，一些缺乏自主开发能力，依赖外来技术的产品性能缺乏保障。建议广大客户在电除尘高效电源提效改造招投标中，应注重对产品的技术性能评估，注重对投标单位的产品技术来源和自主开发能力评估，注重对产品应用案例提效节能效果的测评，只有正确选用产品，才有可能满足电除尘提效达标改造要求，才有利于规范市场秩序，有利于推动行业技术进步和健康发展。

[1]第四代Coromax电除尘用脉冲电源，丹麦史密斯公司[G].第12届国际电除尘学术论文集.

[2]韩国达文西斯脉冲电源产品宣传资料[Z].

Designing Method for Type Selection of High Efficiency Electric Source of Electric Precipitation

XIE You-jin
(Xiamen Lvyang Electric Co., Ltd, Fujian Xiamen 361101, China)

In accordance with the efficiency-raising mechanism of electric precipitation of high efficiency electrical source, the paper analyzes and expounds the load response characteristic of three kinds of high-efficiency electrical source in capacity load state of electric precipitation; introduces the designing method for type selection of three kinds of high-efficiency electrical source.

high-efficiency electrical source; single-phase electrical source; high-frequency electrical source; three-phase electrical source; pulse electrical source

X701.2

：A

：1006-5377（2016）04-0049-08