100kV/100kW高效高频电源：ESP电源升级的关键技术路径

Spellman基于模块化感应叠加与能量定量逆变的新型HVPS研究解读——来自11th International Conference on Electrostatic Precipitation的技术信号

关键词
Electrostatic Precipitator,ESP Power Supplies,High-Frequency Power Supplies,voltage multiplier,静电除尘器,工业烟气治理

近百年来，静电除尘器（ESP）一直依赖工频变压器整流装置（T-R sets）供电，这类传统ESP电源结构简单、可靠性高，但体积大、响应慢、纹波大，已经越来越难以匹配当前超低排放和高可靠性运行的烟气治理需求。过去十年，高频开关型高压电源（HVPS）在ESP电源领域稳步渗透，成为许多工程项目提高收尘效率、减小占地和优化控制策略的重要抓手，全球主流厂商如Alstom、NWL等已经部署了数百套现场装置[1][2]。在这一背景下，如何在实现小型化、快速响应的同时，将效率进一步提升、降低冷却与维护成本，成为ESP电源技术演进的关键方向。

本文解读的是Spellman High Voltage Electronics Corporation在第11届国际静电除尘会议（11th International Conference on Electrostatic Precipitation）上发表的一项研究成果：一款额定100 kV、100 kW，专门为ESP应用开发的高频高压电源原型机。作者Alex Pokryvailo、Costel Carp和Cliff Scapellati通过模块化高压转换结构、能量定量（energy dosing）半桥逆变拓扑以及多模块相位移控制，实现了在约50 kHz频率下逆变效率约97.5%、高压部分效率>98.5%、整机效率95%（满载）且无需液冷的HVPS方案[2]。这对于正在评估高频ESP电源改造方案的电力、冶金、水泥及垃圾焚烧行业用户，具有明显的技术风向标意义。

这套100 kV/100 kW高频ESP电源的目标规格非常针对ESP工况：在90–100 kV输出范围内可连续输出100 kW，并在较低电压时按功率降额设计；在100 kV满载时高频纹波典型值约1%；动态响应速度极快，从5%上升到95%设定电压的电压爬升率要求不低于100 kV/ms，实际测试可达到约300 kV/ms；输出储能控制在10 J以内，有利于降低放电能量、提高电晕间隙绝缘安全性和放电可控性；电源主变换频率为50 kHz；输入为三相400 VAC，+10%，-14%范围内保持稳定运行；满载效率通常>95%，在20%负载时效率仍>90%；功率因数在满载时>93%，20%负载时>75%；总重目标约250 kg，其中油浸高压单元约109 kg，油量<60 L。这些指标与当前行业内主流高频ESP电源相比，在体积、效率与动态性能之间形成了较有竞争力的综合平衡。 其核心技术路径可以概括为：在公共整流母线之后，采用多模块高压转换器的“感应叠加”结构，即多个独立的高频逆变–高压变压器–倍压整流模块并联接入直流母线、在高压侧串联叠加输出电压。具体而言，整流后的直流母线馈入N个相同的逆变模块，每个模块由能量定量半桥逆变器驱动一台高压变压器，再通过各自的电压倍增器产生直流高压，最后在直流端将各模块输出串联叠加得到总高压。对于100 kV/100 kW的目标，Spellman采用了4个模块，每个模块设计为约25 kV、25 kW。模块化感应叠加的一大优势，在于明显减少单模块倍压级数和单只高压变压器的绝缘电压要求，从而提高压缩比、显著降低高压侧储能，改善放电时的能量控制；同时，只要开发完成一个标准高压模块（包括主绝缘系统），即可通过组合模块数量快速扩展电压等级，降低研发与定制化成本，对不同ESP电场和烟气工况的适配性较强。 在逆变拓扑上，作者采用了以分压电容为能量定量元件的半桥准谐振逆变器。每个模块的半桥中串联一只“能量定量电容”（Cdiv），在正常工作状态下，Cdiv被充至母线电压，当对应功率开关导通时，Cdiv经高压变压器原边和串联电感放电，生成近似正弦的谐振电流波形；在理想条件下，Cdiv中储存的能量几乎全部通过变压器转移到二次侧的倍压电路。若Cdiv放电结束时电流尚未降为零，桥臂上的“自由轮二极管”（FWD）导通，将电流钳位、阻止电容反向充电，完成剩余电感能量向负载侧传递。通过这种能量定量控制方式，每个开关周期传送的能量可以精确控制，同时在短路等故障条件下，回路电流与器件电压都具有天然限幅特性，提升了ESP电源在尖峰放电和电弧工况下的鲁棒性。更重要的是，该拓扑在设计上保证在约50 kHz附近实现零电流开通/关断（ZCS/ZCC），把开关损耗降至极低水平，使逆变段本身的效率能够达到约97.5%。 值得注意的是，Spellman将高压变压器的漏感直接作为谐振回路的一部分使用，不再另设外接谐振电感，这不仅减少器件数量和成本，也使得电路参数更加可复现、对温度不敏感，有利于批量生产和长期稳定运行。多模块逆变输出之间采用固定相位移控制，考虑到输出侧为全波整流，4个模块之间的相移量为π/4。仿真结果显示，在高线电压条件下、总等效电容（包括高压倍压及电场分布电容）小于2 nF时，输出电压峰—峰纹波可以压缩到额定值的0.223%左右；实测值约为0.76%，略高于仿真，主要原因在于驱动信号细微非对称、寄生电容不均衡以及变压器绕组的制造差异等，这一差距在高频高压电源工程实践中是可预期的。 在实验验证方面，研究团队首先对单个模块进行了详尽的波形与损耗测试，使用Powerex CM300DC-24NFM IGBT器件，测得每只IGBT损耗约50 W，单模块四只IGBT总损耗约200 W，通过风冷散热片即可将器件温升控制在环境温度以上40 ℃以内。在高压变压器与倍压器的损耗评估上，作者采用了较为可靠的量热法测试，得到高压部分总损耗约344 W，其中变压器损耗约175 W，其余为倍压器损耗，对应高压罐体（HV tank）效率>98.5%。综合逆变段和高压罐体损耗，单模块转换效率约为97.5%，为整机95%满载效率奠定基础，这也为电源系统全面采用风冷而非液冷提供了有力的实证支撑。

随后，团队搭建了包含输入整流器、逆变模块组以及油浸高压罐体的实验性质子系统，在100 kV等级下对不同阻值负载进行了系统测试。波形记录显示，在100 kV/100 kW及100 kV/50 kW运行条件下，多模块原边电流波形互相错相且主谐振电流脉冲后仅存在小幅衰减振荡，基本由变压器漏感与寄生电容谐振所致；与传统串联谐振方案在轻载下常见的“反向摆动”电流脉冲相比，该拓扑在中轻载下显著抑制了多余谐振过程。动态性能方面，在400 VAC标称线电压和约95 kΩ负载下，输出电压从0上升至100 kV的上升时间通常小于250 μs，且上升时间对负载变化并不敏感，这一点对ESP来说尤为关键——在频繁放电、抑弧控制以及工况波动时，可以以更高的频率与精度进行电压调节，从而提升收尘效率和系统可控性。

在能效和电能质量方面，实验数据与PSpice仿真具有较好一致性：在100 kΩ负载、标称线电压下，满功率条件下输入有功功率、视在功率、输出功率的曲线表明整机效率约为95%，20%负载时效率仍保持在90%以上；功率因数测试值约为0.94–0.95，与仿真结果（PF≈0.943）高度接近。即便在更高阻值（200 kΩ）轻载下，系统的效率和功率因数依然维持在相对较高水平，这对于实际工程中ESP多工况、长周期低负载运行情形具有现实意义：一方面减少长期轻负荷待机时的能耗，另一方面缓解上级配电系统的功率因数补偿压力。

从ESP行业应用的视角看，这一高频高压电源架构释放出几方面清晰信号：其一，高频ESP电源技术已经可以在100 kV/100 kW等级实现>95%系统效率和全部风冷散热，这不仅降低了设备体积和重量，还简化了运维结构，减少了冷却系统故障点；其二，模块化感应叠加结构在高压绝缘、储能控制和现场扩展性方面展现出优势，更适配当前多场强、多电场分区组合的ESP系统；其三，能量定量逆变和多模块相位移控制带来的低纹波与快速动态响应，对于提升覆冰、低温、高比电阻粉尘等复杂工况下的收尘效果具有潜在价值，也为后续与智能AGC控制、数字化电厂系统的深度耦合奠定了硬件基础。

总体来看，Spellman的这项研究表明，高频ESP电源技术已经从“可用”演进到“高效且工程化成熟”的阶段，后续在工业烟气治理领域的进一步落地，更多将取决于整机厂与业主对改造成本、运行风险和全寿命周期经济性的综合判断。对于计划在超低排放改造、老旧ESP升级或新建线路中引入高频ESP电源的企业而言，这类100 kV/100 kW级高效模块化HVPS方案，无疑提供了一条值得重点跟踪和对标的技术路线。

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参考文献
[1] Parker K. Electrical Operation of Electrostatic Precipitators. London: IEE, 2003.
[2] Pokryvailo A, Carp C, Scapellati C. Highly Efficient Switch-Mode 100 kV, 100 kW Power Supply for ESP Applications. In: 11th International Conference on Electrostatic Precipitation, 2008.
[3] Electric Power Research Institute (EPRI). Advanced Electrostatic Precipitator (ESP) Power Supplies Update: The State-of-the-Art of High-Frequency Power Supplies. Palo Alto, CA: EPRI, 2006. Report 1010361.
[4] Kazimierczuk M K, Czarkowski D. Resonant Power Converters. New York: Wiley, 1995.
[5] Erickson R, Maksimovic D. Fundamentals of Power Electronics. 2nd ed. New York: Springer, 2001.