功率电子仿真与能量回收在静电除尘器试验平台中的应用

基于德国纽伦堡Georg‑Simon‑Ohm大学与埃朗根Friedrich‑Alexander大学联合研究的静电除尘器功率电子仿真与硬件在环试验方案

关键词
静电除尘器, 仿真, 功率电子, 能量回收, 硬件在环, electrostatic precipitator, emulation, power electronics, energy feedback, 电除尘器检测, 运维成本

随着工业排放标准日趋严格，静电除尘器（ESP）的可靠性、能效与可维护性成为电除尘器选型与运行的关键。在此背景下，Georg‑Simon‑Ohm大学的Michael Hausmann、Norbert Grass 与 Friedrich‑Alexander University 的 Bernhard Piepenbreier 提出了一种基于功率电子的静电除尘器仿真与硬件在环（HIL）试验平台，可在实验室中以真实功率与工况（可达约200 kVA）验证高压电源的性能与控制策略。该平台通过两种仿真策略——控制器在环（CIL）与功率硬件在环（PHIL）——实现从控制逻辑到整机能量交换的全面测试，且通过能量回收将绝大部分能量反馈至电网，实验期间仅需补偿系统损耗，显著降低长期试验成本并提升安全性（作者与机构见文末）。

该方案核心是实时静电除尘器模型与高带宽的仿真逆变器。模型在数字信号处理器（DSP）中以10 μs 的周期计算，将除尘器低压侧等效为电容与并联电阻、以及在起辉电压后并联的冠状放电电阻，并通过开关元件模拟放电事件。CIL 模式下，采样被测电源的 IGBT 驱动脉冲，计算出输出电压后将仿真电压与电流以模拟量回馈至控制单元，从而在不产生高电压能流的条件下验证控制算法与保护逻辑，有效避免设备损伤并加快控制器开发周期。PHIL 模式则将被测高压电源通过耦合网络与双级交错升压仿真逆变器相连，仿真逆变器吸收被测装置输出并通过有源回馈单元将能量送回电网。为提高动态响应，仿真器采用两级交错拓扑，可通过相移调整快速改变仿真电压波形，实现动态工况下的验证。系统控制上采用基于状态空间平均的传递函数建模，并通过极零点抵消方法设计 PIDT1 控制器，实现近似一阶（PT1）行为以便稳定控制仿真电压。

耦合网络负责将被测电源的交流电整流并控制低压侧电容电压（即换算至低压侧的除尘器电压），同时高压变压器参数可在模型中任意调整以模拟不同工程场景。能量回收可通过直流母线直连或经电网回馈两种方式实现；后者通过有源整流控制使电网电流与电压同相、呈正弦，从而仅补偿系统损耗并避免无功与谐波注入，系统并在电网侧加入1:1隔离变压器以防止回馈互扰。

实验结果表明：在 CIL 模式下可清晰复现电容充电、放电及放电后电流波形的突变过程；PHIL 测试中，仿真电压随电源上电而上升并在冠状损耗介入后趋于缓慢增长，仿真器可实现稳态与瞬态工况的高保真复现。网侧电流控制与谐波抵消策略则保证了回馈过程对电网的友好性与高能量回收效率，降低试验能耗并利于长时间稳定运行。

面向中国市场，该平台对浆纸、钢铁、水泥与化工等高粉尘行业具有直接的工程价值：一方面，能在投运前通过仿真与实测数据校验高压电源与控制器，避免现场调试导致的停产风险；另一方面，能量回收与谐波控制有助于降低运维电耗与运行成本，支持企业实现排放达标与节能降耗目标。结合艾尼科（Enelco）在极板、极线布置、电场优化与在线清灰技术的积累，可将该试验平台用于新型电极结构与电场配置的快速验证，从而加速在中国工况下的解决方案落地与规模化应用。

总之，基于功率电子的静电除尘器仿真与能量回收试验平台，为除尘电源与控制系统的研发、验证与工程化提供了高效、安全与低成本的手段。未来可在模型中进一步引入温度、流体力学参数、燃料成分及电风等影响因子，或直接回放现场采集的运行数据，以实现对复杂工况的更高逼真度仿真和在线优化。

参考文献
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