毛春华（福建龙净环保股份有限公司，福建 龙岩 364000）

高频电源与三相电源运行特性浅析及组合应用

毛春华
（福建龙净环保股份有限公司，福建 龙岩 364000）

概述了电除尘设备对高压电源的要求，同时对高频电源、三相电源的原理、供电和闪络特性进行了分析比较，并介绍了两种电源在600MW机组上的组合应用情况。

高频电源；三相电源；供电； 闪络特性；组合应用

随着供电技术的发展，高频电源、三相电源逐渐取代了传统的单相工频电源，成为电除尘器节能提效的新选择。本文通过对高频电源、三相电源的原理、供电和闪络运行特性进行分析比较，并结合两种电源在600MW机组电除尘器上的组合应用情况，供相关改造参考。

1　电除尘对高压电源的要求

电除尘设备供电电源的核心在于供电特性及控制策略的差别，如何选择和应用好高压供电电源，降低电除尘的运行电耗，同时保证排放达标是电除尘对高压电源最主要的要求。

电除尘器的前级电场尤其是一电场粉尘的收集量大大高于后级电场，且一电场粉尘浓度高，需要较大的电晕电流，另外在粉尘颗粒中低比电阻情况下，电除尘要求高压电源的供电波形纹波因数小，电压波形平直，尽可能工作在临界火花状态，为电场输入更多的电晕功率，从而提高除尘效率。

电除尘在高比电阻粉尘工况下易产生反电晕现象，高压电源克服反电晕的途径是在给定的时段里不断地重复供电和恢复供电，降低通过粉尘层的平均电流，使电除尘器能在反电晕得到抑制的条件下运行。理论和实践证明，间歇供电时的供电脉宽小，上升率高，有利于抑制反电晕并提高除尘效率。另外从节能的角度，高压电源的间歇比选择范围大，更能实现节能最大化。

高频电源与三相电源的共性是提高设备输出频率，三相电源的输出频率为300Hz，高频电源的输出频率为20k～50kHz，频率的提高使得设备在全波供电时输出电压波形平直，但因两种设备的电路结构、控制原理和工作频率不同，设备的全波供电、间歇供电性能、闪络特性差异较大。

2　高频电源与三相电源的工作原理

2.1高频电源工作原理

国内外的高频电源，其原理如图1所示。采用的总体技术方案为：三相交流电源输入 — 整流 — 高频逆变 — 升压整流输出直流高压。全波供电时，通过调节高频逆变环节的开关频率调节输入到变压器的谐振电流平均值，控制设备输出的二次电流平均值，从而调节设备的输出电压，即调频方式调压。

间歇供电时，设备开关频率可以调节，同时通过控制逆变电路开通Pon和关断Poff的时间，实现间歇供电，间歇比任意可调。

图1　高频电源原理图

2.2三相电源工作原理

三相电源主电路如图2所示。三相交流380V电源经三相晶闸管调压电路，送至三相高压硅整流变压器的初级，经升压整流后输出直流高压。全波供电时，与工频电源类似，通过微机控制器控制晶闸管的导通角调节设备输出电压。间歇供电通过顺序触发可控硅，再停止n次触发的形式实现，受电路和晶闸管特性限制，无法实现任意可调。

图2　三相电源原理图

3　高频电源与三相电源运行特性

3.1高频电源与三相电源全波供电特性

在中低比电阻粉尘工况，高压电源通常工作在全波供电方式或纯直流供电方式，采用最高平均电压控制、临界火花率控制策略以提高输出平均电压和电流，以提高电晕功率，提高除尘效率。

3.1.1高频电源纯直流供电特性

高频电源在纯直流供电方式下，通过调节逆变电路的开关频率，从而调节输出二次直流电流和二次直流电压的大小。如图3、图4所示，高频电源开关频率从5kHz提高到10kHz时，谐振电流平均值提高，经整流变压器输出的二次电流平均值提高，在同一电场条件下，输出的二次电压提高，从2.4V提高到3.2V，实际输出电压从45kV提高到约60kV。

图3　开关频率5kHz谐振电流和二次电压波形

图4　开关频率10kHz谐振电流和二次电压波形

由于除尘器电场具有电容电阻双重特性，高频电源开关频率在5kHz、10kHz，甚至1kHz时，输出二次电压波形均为一条直线，纹波系数小于1%，均能在临界火花状态下运行。另外当开关频率不变时，高频电源输出的二次电流平均值不变，具有恒流特性，当粉尘浓度增大时，电除尘的等效电阻增大，高频电源输出的二次电压提高，输入到电场的电晕功率增加，强化了粉尘荷电，保证了除尘效果，对电除尘具有自适应特性。

3.1.2三相电源全波供电特性

由图2可知，三相电源主电路一共用到了6个晶闸管，va1和va2、vb1和vb2、vc1和vc2分别是反并联结构，触发信号相差180°，这6个晶闸管按照触发顺序va1、vc2、vb1、va2、vc1、vb2的顺序触发，触发信号依次相差60°。任何时候必须有两个晶闸管同时导通形成回路。全波供电时，通过控制晶闸管开通时所对应的相位，调节输出电压的有效值，从而达到调压的目的。如图5、图6所示，控制角为60°时，二次电压纹波约为5%，二次电压实际约为60kV； 如图7、8所示，控制角增大到90°时，输入到变压器的电压平均值减小， 二次电压降为52kV，二次电流平均值减小。

3.1.3全波供电特性比较

综上分析可见，高频电源与三相电源的控制原理不同，三相电源通过调节可控硅的导通角调节设备的输出，二次电压电流频率固定为300Hz，二次电压纹波小于5%，二次电压平均值接近于峰值；高频电源二次电流频率0～50kHz可调，二次电压纹波小于1%，即使在开关频率为1kHz的频率下，高频电源的输出二次电压波形仍为一条直线，二次电压平均值等于峰值，可稳定工作于次火花状态，并且高频电源的恒流特性对电除尘的粉尘浓度工况变化具有自适应性。

图5　α=60°A相电压波形

图6　α=60°二次电流和二次电压波形

图7　α=90°A相电压波形

图8　α=90°二次电流和二次电压波形

3.2高频电源与三相电源间歇供电特性

在高比电阻粉尘工况，高压电源通常工作在间歇供电方式，以克服反电晕现象。理论与实践证明，间歇供电时的供电脉宽小，上升率高，有利于抑制反电晕并提高除尘效率。比如在一定的条件下，工频电源的“单脉冲”往往比“双脉冲”效果好，单脉冲的脉宽比较小，有利于抑制反电晕，而且单脉冲仅仅导通一个半波，使熄灭火花比较容易。工频电源单脉冲间歇供电比通常固定，设为（1︰2；1︰4……；1︰20）， 即为（10ms︰20ms；10ms︰40ms……；10ms︰200ms）。

3.2.1高频电源间歇供电特性

高频电源在间歇供电方式时，通过控制逆变电路开通Pon和关断Poff的时间，实现间歇供电，高频电源谐振频率为40kHz时，二次电流单脉冲宽度以25μs为单位，间歇供电时，Pon及Poff均为25μs的倍数，可以任意调整，不受工频50Hz频率限制，其Pon宽度通常设定在几百微秒到几毫秒之间，在较窄的高压脉冲作用下，可以有效提高脉冲峰值电压，增加高比电阻粉尘的荷电量。图9、图10、图1 1分别为间歇供电（5ms︰60ms）、（5 m s︰ 5 m s）（1ms︰400ms）测试波形图，间歇供电比任意可调，能为电除尘提供最合适的供电波形，在满足除尘效率的情况下实现节能最大化。

3.2.2三相电源间歇供电特性分析

图9　间歇供电（5ms︰60ms）

图10　间歇供电（5ms︰5ms）

图11　间歇供电（1ms︰400ms）

控制功能较为完善的三相电源同样具备间歇供电功能，晶闸管按照va1、vc2、vb1、va2、vc1、vb2的顺序触发，任何时候要有两个相的晶闸管同时导通才能形成回路，三相电源通常采用顺序触发6个晶闸管后在停n次触发，即可实现间歇控制1︰n的要求，其中导通时间固定为20ms，目前三相电源导通时间和关断时间比最小可控制在6.67ms︰16.7ms，如图12所示，间歇供电间歇比无法任意可调。由于电路固有性质，间歇供电脉宽最小约为6.67ms。

图12　三相电源间歇供电波形

3.2.3间歇供电特性比较

高频电源间歇脉冲宽度任意可调，具有更窄的脉冲宽度，和间歇比选择范围，可以为电除尘提供最合适的波形并实现节能最大化。三相电源间歇供电由于电路的固有性质，间歇供电脉冲宽度最小约6.67ms，间歇比无法实现任意可调。

3.3高频电源与三相电源闪络特性

电除尘高压电源火花控制策略总体一致，检测到火花放电以后，通常采用封锁开关管的驱动脉冲或触发信号，输出电压降为零，等待除尘电场的介质恢复，控制输出电压的上升速率，一般分为快升阶段、慢升阶段，火花逼近阶段。

3.3.1高频电源火花控制特性

高频电源工作频率高，火花闪络响应时间在20～50μs内，电场闪络时迅速封锁输出，并降低逆变电路的开关频率，降低高频电源输出二次电压值，之后再迅速提高逆变电路的开关频率，尽快恢复电场电压同时控制不出现连续闪络，一般在15ms恢复全功率供电，在100次/min的火花率下，平均输出高压无下降。高频电源的串联谐振逆变器具有恒流特性，在输出短路时有极好的限流能力，如图13所示，在火花闪络点，二次电流约为平均电流的1.1倍左右，可以有效抑制电场火花的电流冲击，能满足电除尘器持续火花放电和短路冲击的要求，适应负载的大范围变化。

3.3.2三相电源火花控制特性

三相电源在无闪络发生时，电路处于2个或3个可控硅导通的状态，当闪络发生时，迅速封锁6路触发脉冲，已经开通的可控硅需承受反向电压后关断，因此闪络发生后，闪络关断时间约在10～20ms之间，较长时间的闪络必然导致高能量火花的产生，严重时可能拉弧。如图14所示，火花闪络持续时间大约为15ms，闪络时输出电流达到闪络前4倍，闪络冲击大，一般在300ms恢复全功率供电。为了避免高能量火花甚至电弧损伤收尘极板，三相电源应有灵敏的火花检测和处理方法，通常为确保极板间的绝缘强度恢复，应保持几个半波的关断后再恢复触发脉冲，一般在300ms后恢复全功率供电。

图13　高频电源火花波形图

图14　三相电源火花波形图

4　高频电源与三相电源的节能提效组合应用

4.1高频电源与三相电源在电除尘电场的应用

高频电源具备纯直流供电纹波小于1%的特性，并对电场闪络冲击抑制特性好，另外目前的国产高频电源容量已经达到160kW，非常适用于含尘浓度高的前级电场，尤其是火花闪络频繁产生的一电场，另外高频电源具备间歇比任意可调的间歇供电特性，在电除尘器的后级电场应用，能在保证除尘效率的情况下，实现节能最大化。

三相电源全波供电纹波小于5%，但由于闪络火花冲击大，一般不建议用于闪络频繁的一电场，三相电源具备电源容量大，输出电压可以达到95kV，具有间歇供电功能的三相电源推荐用于飞灰粒径细小、比电阻相对较高的电除尘的后级电场。

4.2高频电源与三相电源在广东某电厂的提效节能组合应用

广东某电厂#3炉600MW机组配套电除尘器成套设备均为卧式BE型电除尘器，电除尘器型号为BE856/4-4，双列双室四电场结构，同极距405mm，阴极线采用针刺线，阴阳极均采用顶部电磁锤振打方式，设计煤种入口含尘浓度为5.1g/m3，正常处理烟气量为862m3/s，电除尘设计收尘效率为99.6%，保证收尘效率为99.52%。截至2013年底已投运近10年。采用常规分区供电，每台电除尘器配套10台高压硅整流设备，共20台，每个室的一电场有2台高压电源（GGAJ02K- 0.7/72kV和GGAJ02k-1.5/72kV）各1台，二电场有1台高压电源（ GGAJ02k- 2.0/72kV），三、四电场各有1台高压电源（GGAJ02k-1.5/80kV）。

#3炉电除尘器在机组负荷600MW时，功耗在1500kW以下，平均出口烟尘浓度在33mg/Nm3。电除尘无法满足新的排放要求，且能耗较高。2014年，用户经过调研后决定采用改造周期短的高效电源进行改造，考虑到提效的需要，同时考虑到原工频电源额定输出平均值72kV远低于峰值电压，高效电源的峰值与平均值接近，高效电源电压比工频电源等级选用高一个级别，考虑到高频电源目前没有90kV的电压等级，电源选型时一电场分别采用1.0A/80kV和1.8A/80kV高频电源，二电场采用2.0A/80kV高频电源，三、四电场采用1.8A/90kV的三相电源进行改造。

调试时，一电场第一分区的1.0A/80kV高频电源采用纯直流供电方式，一电场第二分区以及二电场高频电源及三、四电场三相电源采用间歇供电方式运行，同时与低压设备配合实现高低压联动断电振打功能。2014年11月，#3机组测试结果表明，平均烟尘浓度为15.04mg/Nm3，达到小于20mg/Nm3的性能要求，测试期间平均高压耗电量为389.4kW，达到小于880.5kW的性能要求，取得了很好的改造效果。

5　结语

高频电源纯直流供电纹波小于1%，高频电源的串联谐振逆变器具有恒流特性，在输出短路时有极好的限流能力，很适合用于电除尘器的前级电场，同时高频电源的间歇供电比任意可调，用于后级电场可以有效抑制反电晕，并能在保证除尘效率下实现最大的节能，并且国产高频电源已经发展到第二代甚至第三代高防护型产品，可实现防水、防尘、适应海边盐雾腐蚀环境等；三相电源全波供电纹波小于5%，但由于闪络火花冲击大，不建议用于火花频繁的前级电场，三相电源的容量可以达到很大，具有间歇供电的三相电源可用于飞灰粒径细小、比电阻相对较高的电除尘的后级电场，两种电源的组合应用可以取得很好的改造效果和性价比。

［1］ 陈颖.电除尘器高频电源串并联混合谐振变换器的应用［J］.自动化应用，2011.

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［3］ 陈坚.电力电子学-电力电子变换和控制技术［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