静电除尘电源进入“虚拟试车”时代：电力电子仿真与能量回馈平台解读

基于德国纽伦堡-埃尔兰根高校团队的ESP电源电力电子仿真与硬件在环测试研究

关键词
electrostatic precipitator, power electronic emulation, hardware-in-the-loop, energy recovery, ESP高压电源, 工业烟气治理

在超低排放和“双碳”压力下，静电除尘器（ESP）早已从简单高压变压器加整流的传统电源时代，走向以IGBT为核心的高频开关电源阶段。但长期以来，ESP高压电源的开发和调试仍高度依赖真实电场和高压设备现场试验，成本高、周期长、安全风险大，也限制了复杂控制策略在工业现场的大规模应用。如何在实验室内，用极低能耗和可控条件，复现甚至“放大”电除尘电场的动态工况，已经成为烟气治理和电源厂家的共同痛点。

基于这一背景，德国Georg-Simon-Ohm University Nürnberg 和 Friedrich-Alexander University Erlangen 的 Michael Hausmann、Norbert Grass 与 Bernhard Piepenbreier 提出了一套面向静电除尘电源的电力电子建模与硬件在环仿真平台（Power Electronic Modelling and Emulation of an Electrostatic Precipitator）。这一方案的核心思想，是用一台可控的电力电子“虚拟负载”去精确模拟电除尘器高压侧的U–I特性和动态行为，并通过能量回馈，把被测电源输出的大部分功率重新送回电网，实现最高达 200 kVA 等级的“全功率虚拟试车”，而实验室本身只需承担系统损耗。

从应用范围看，这一ESP电力电子仿真平台分为两种模式：其一是“控制器硬件在环”（Controller HIL）模式，专门针对高压电源控制板、驱动板的功能测试。这时并不真正输出高压大电流，而是由仿真单元采集IGBT驱动脉冲，按照静电除尘电场模型实时计算等效的电场电压、电流，并通过数模转换输出给控制器作为反馈信号。控制器认为自己正接在一台真实ESP上，可以运行打火控制、电流限制、斜坡升压等策略，而整个测试过程实际上几乎没有大功率流动，大幅降低了损坏功率器件的风险，也便于在极端工况下“反复折腾”算法。

其二是“电力电子硬件在环”（Power HIL）模式，这也是本研究更具行业冲击力的部分。在这个模式下，被测的静电除尘高压电源通过一个耦合网络接入一台双向能量变换的仿真逆变器。仿真侧实时运行ESP模型，要求自身输出电压等效于高压侧电场（折算到低压侧），同时吸收被测高压电源输出的全部电能。吸收来的能量并不是通过电阻烧掉，而是经能量回馈单元变换成符合并网要求的正弦电流，送回到三相电网和被测设备的前级，从而实现“环路能量流转”——实验室真正从电网获取的电能，只是变换器和控制系统不可避免的损耗。这种电力电子在环技术，在电机变频驱动、扶梯/电梯系统上已有应用[1][4][7]，但针对静电除尘电源进行专门建模和工程化实现，在业内仍属前沿探索。

要支撑上述两种模式，关键是一个能在数字信号处理器（DSP）上以10 μs 量级周期运行的实时静电除尘器模型。研究团队先给出一个结构清晰的简化等效电路：电场被等效为电容并联损耗电阻，用于描述极板间的电容充电和介质损耗；当电压升高超过“起晕电压”时，新增一支并联电阻用来表征电晕电流；如需模拟放电，则通过开关将电压瞬间拉低到击穿电压水平，重现大电流放电导致的电场电压塌陷。这些参数全部折算到高压变压器的低压侧，由DSP根据设定的变压器和滤波参数自动换算。虽然模型初版相对简化，但已能比较好地重现常规ESP电源上升压、起晕、电流控制和放电恢复等典型波形，同时也为后续引入更复杂的流体、温度或燃料成分等多物理场因素留足接口。

在Controller HIL 模式中，仿真单元前端设置信号调理电路，直接采集控制板输出的IGBT驱动信号。DSP依据这些PWM脉冲计算出被测高压电源“虚拟输出电压”，再通过ESP模型求得对应的电场电压和电流。计算结果经过DA转换反馈给控制板，实现闭环。仿真步长为 10 μs，电场电压或放电事件发生变化时，模型输出的电流波形会立即发生形状变化，但平均电流仍按控制器设定维持稳定，这一点在实验波形中体现得相当典型，用于验证电流控制器在强非线性负载下的鲁棒性非常直观。由于没有实际大功率输出，开发人员可以在办公室环境里反复调试如火花抑制、能量最优控制等复杂算法，显著压缩研发迭代周期。

在 Power HIL 模式下，ESP模型的输出不再是给控制板看的“虚拟信号”，而是用于精确控制一台两相交错工作的升压型变换器。被测电源经耦合网络整流后接入仿真侧直流母线，电容上的电压代表等效ESP电场电压，DSP则根据模型任务，实时调节交错式升压电路的占空比，以形成功能正确、动态适配的“虚拟电场负载”。交错拓扑带来的一个重要优势，是可以通过相位移调节提高等效电压变化带宽，改善对瞬态如放电、电压阶跃的跟踪能力，这对于模拟大功率ESP电源在闪络和回击频发工况下的行为尤其关键。

为了使整个仿真环稳定可控，研究团队采用状态空间平均方法，对耦合网络与升压电路求取小信号传递函数，并在拉普拉斯域得到一个标准二阶系统（PT2）形式的表达式。随后通过极点/零点抵消方法，设计了一个PIDT1 控制器，将整体开环动态等效整形为一阶惰性环节（PT1），不仅便于参数整定，也保证了在高带宽电流交互下的稳定性和可预期响应。实际上，这一“负载仿真+控制整形”的组合，为后续扩展到更高功率和更复杂模型提供了通用模板。

另一个工程亮点在于能量回馈单元的设计。平台采用带隔离变压器的三相B6 桥型有源整流结构，承担两项任务：一是维持直流母线电压恒定，为升压仿真单元提供稳定的能量“地平线”；二是将从ESP电源吸收的能量以高功率因数的正弦电流形式回馈电网。电流控制采用外环直流电压、内环电流的典型级联结构，并叠加谐波补偿单元，确保并网电流与电网电压同相、谐波含量低，同时对来自被测高压电源一侧的谐波注入起到“主动滤波”的作用。考虑到被测电源和仿真逆变器均接在同一电网，为避免控制环路之间发生不期望的电流环流，系统在并网侧增加了一只 1:1 工频隔离变压器，实现电气隔离和等效阻尼。

从实验结果看，无论在纯控制器HIL，还是在全功率Power HIL 工况下，仿真平台都能稳定再现静电除尘电场充电曲线、电晕电流拉升特性以及放电引起的电流瞬变。对波形细节进行放大可以看到，每 10 μs 的计算步长在电流曲线上形成细小“台阶”，这从侧面印证了平台确实在实时迭代运行ESP模型。更为关键的是，在 200 kVA 等级的连续试验中，大部分能量在被测电源和仿真单元内部形成闭环流转，电网仅供给系统损耗；并网电流峰值约为 10 A，而仿真侧电流峰值可达 60 A，充分体现了能量回馈和电网解耦的效果。

对静电除尘行业而言，这样一套ESP电力电子仿真平台，其潜在价值远不止“实验室省电”：
一是电源厂商可以在样机阶段就系统性验证不同高压变压器参数、滤波拓扑和控制策略对U–I特性、火花率和能效的影响，而不必依赖现场锅炉和真实烟气工况排期；
二是环保工程公司与电厂技术部门可通过回放实测工况数据，让仿真平台在实验室重放复杂负荷波动、煤种切换、低负荷运行等场景，用于预验证电源升级方案或控制策略优化；
三是在未来更复杂的多场耦合建模（如考虑烟气温度、流场、灰尘电导率变化等）逐步成熟后，此类平台可以演进为“电除尘系统数字孪生”的硬件承载，使得控制算法和工艺优化离线迭代的可信度、效率大幅提升。

论文最后也强调，当前实现的模型为简化版本，但已经预留了引入温度、流体力学、燃料化学成分、电晕风效应等参数的接口；结合已有针对电机、扶梯等负载的电力电子仿真经验[1][5][6][7]，这套ESP电力电子仿真与能量回馈平台，为静电除尘电源的高效开发、测试与运维提供了一个清晰的技术发展方向，也为烟气治理装备向“电气化+数字化+虚拟调试”演进提供了坚实的工程基础。

参考文献
[1] Atkinson D J, Aitcheson G J, Slater H J. Real-time emulation for power equipment development. Part 2: The virtual machine[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 1996.
[2] Grass N, Hartmann W, Klöckner M. Application of different types of high-voltage supplies for electrostatic precipitators[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2004, 40(6).
[3] Grass N. 150 kV/300 kW High Voltage Supply with IGBT Inverter for Large Industrial Electrostatic Precipitators[C]//42nd IEEE IAS Annual Meeting, New Orleans, 2007.
[4] Atkinson D J, Aitcheson G J, Slater H J. Real-time emulation for power equipment development. Part 1: Real-Time simulation[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 1996.
[5] Hammerer H. Modellbasierte Simulation von Elektromotoren[J]. Elektronik, 2007, 24: 78-82.
[6] Rao Y S, Chandorkar M C. Electrical load emulation using power electronic converters[C]//IEEE Conference on Power Electronics, 2008.
[7] Monti A, Dougal R A, Work Y, Lentini A. A virtual testing facility for elevator and escalator systems[C]//IEEE Conference on Industry Applications, 2007.
[8] Middlebrook R D, Cuk S. A general unified approach to modelling switching-converter power stages[J]. International Journal of Electronics, 1977, 42: 521-550.

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