高频高压电源正在重塑静电除尘器

基于 Longking 串联谐振软开关高频电源系统的技术路径与应用观察

关键词
electrostatic precipitator, high-frequency power supply, series resonance, back corona, intermittent impulse, 静电除尘器, 高频高压电源, 工业烟气治理, 超低排放

随着国家大气污染物排放标准的持续收紧，以及钢铁、电力、水泥等行业超低排放改造的推进，传统工频可控硅高压电源正越来越难以满足静电除尘器（ESP）在高效、稳定和节能方面的需求。如何在不大幅改造本体结构的前提下，通过升级电源系统提升 ESP 的除尘效率，正成为工业烟气治理领域的技术热点。来自福建龙净环保股份有限公司（FUJIAN LONGKING CO., LTD.）的郭军、邱建新、陈荫、谢孝杰和连金鑫等[1]，在 ICESP X（2006 年澳大利亚会议）上系统公布了一套具有代表性的高功率、高频、高电压 ESP 电源技术方案，其核心是基于串联谐振软开关拓扑的高频开关电源系统。这项研究既是国内企业在 ESP 电源领域从“跟跑”走向“自主”的缩影，也折射出行业电源升级的技术方向。

论文指出，传统工频变压器-整流器（T/R）电源以 50/60 Hz 电网频率运行，受制于工频整流技术本身的波形和控制局限，在面对高比电阻粉尘、背 corona（反电晕）和频繁火花放电等典型工况时，已经显露出效率低、控制粗糙、体积大、功率因数低等短板[1]。自上世纪 90 年代末起，高频开关电源开始被引入 ESP 领域，但真正能在大功率、高电压长期工业运行中稳定工作的产品并不多。Longking 的工作，重点在于围绕 ESP 工况需求，对高频变换拓扑、变压整流器（rectiformer）、微机控制策略和热管理等关键技术进行系统工程化，目标是形成可工程推广的新一代 ESP 电源平台。

在电路拓扑选择上，研究团队明确放弃了常规 PWM 硬开关方案，转而采用全桥串联谐振软开关结构。原因在于，ESP 负载本身存在高短路比和频繁电晕、火花冲击，硬开关方案在瞬态短路电流约束和开关损耗上先天不足，难以兼顾效率与可靠性。而串联谐振电源在谐振点附近运行时，具备近似恒流输出特性，能够在发生火花放电时对短路电流形成“自然限流”，快速抑制电流冲击，提高火花击穿临界电压[1]。Longking 的设计中，通过 IGBT 全桥串联谐振电路，将三相整流后的直流电变换为高频交流，送入高频升压变压器，再经高频高压硅堆整流输出 0–80 kV 直流高压供 ESP 使用。开关器件实现零电流导通、零电流/零电压关断，反并联二极管自然导通/关断，大幅降低了开关损耗和电磁干扰。

需要注意的是，串联谐振虽适合 ESP 的重载、火花工况，但在轻载甚至近开路条件下容易出现工作不稳定的问题。针对这一点，该系统在主串联谐振回路中引入局部并联谐振支路，在轻载和间歇供电（间歇脉冲模式）期间稳定谐振电流波形，改善二次侧电流曲线，并提高整机效率[1]。同时，设计中通过降低直流母线和引线环路电感、优化过压吸收网络，提高谐振频率和传输能力，使高容量高频功率转换成为可能。

作为高频电源的核心，rectiformer（高频高压变压器及整流部分）设计难度远高于工频 T/R。Longking 采用国产纳米晶（论文中称“超晶”）铁芯材料，在铁芯结构与绕组布置上进行针对性优化，兼顾漏感和分布电容的权衡，以确保谐振特性可控、局部过电压可抑制。经严格损耗和温升试验，变压器长期满载运行时油面温升被控制在 40 K 以内[1]，在高功率密度前提下保持可靠性。更具代表性的是高频高压硅堆的国产化突破。在较高工作频率下，传统工频高压整流堆在反向恢复、压降、机械压紧工艺及冲击耐受方面难以满足要求。Longking 依托多年常规硅堆制造经验，自主开发高频高压硅堆，通过多轮型式试验与全功率冲击运行验证，掌握了关键工艺，从而摆脱了对进口元件的依赖[1]。这对后续高频 ESP 电源的大规模产业化具有现实意义。

控制系统方面，该系统采用单片机为核心的微机控制平台，整合了全直流（近似纯直流）与间歇脉冲两种工况模式。全直流模式下，输出电压纹波控制在约 5% 峰峰值范围，而传统工频电源往往在 35%–40% 左右[1]。在中、低比电阻烟尘工况中，这种“平顶高压”能够显著提高 ESP 的平均电压和平均电流，使在火花出现前，电场始终运行在更高的有效电压水平，有利于提升一次电场的荷电效率和整体除尘效率。全直流电源在工频时代曾被多次尝试，但因火花控制难度大而普遍夭折，高频条件下凭借更快的电压恢复和更精细的火花管控，使这一“理想电源形态”具备了工程可行性。

针对高比电阻粉尘和反电晕问题，该系统引入高频间歇脉冲模式。与传统以电网周期为基准的间歇供电不同，高频系统的导通时间（Pon）和关断时间（Poff）可以在更宽范围内独立调节，脉冲频率与脉宽可按工况灵活优化，电压上升斜率也更陡[1]。这使其在抑制反电晕、优化电荷迁移和维持电场稳定性方面具备更大的自由度，有利于改善以往“高比电阻难题”中的除尘效率与能耗矛盾。

火花检测与响应控制，是任何 ESP 电源能否实用化的关键。研究表明，高频电源下的火花放电波形和能量分布，与工频条件下存在显著差异。Longking 团队通过对高频火花波形的跟踪分析，开发了专用的高频火花检测算法，实现了弱火花捕获和快速切断输出：在闪络发生后十几微秒级即可关断输出，控制火花释放电荷量，从而使电场电压在火花熄灭后可以快速恢复，电场“失电”时间显著缩短[1]。与此同时，系统允许设定火花后的恢复曲线，包括起始恢复电压、恢复终值、快速提升增量和慢速提升斜率等参数，使电压回升更加贴合现场最佳运行点。

在智能控制策略方面，该高频电源集成了反电晕智能识别与自动抑制功能。通过对二次电压、电流关系以及运行功率变化特征的长期经验积累，控制系统可以识别出反电晕发生时“功率升高而电压不上升，甚至轻微下降”的特征信号[1]，并在识别到反电晕指标超限时主动降低输出功率；若情况严重，则自动切换至间歇脉冲模式，通过搜索和跟踪合适的脉冲宽度与频率组合，以找到既抑制反电晕又能维持较高除尘效率的平衡点。

值得一提的是，该系统还将龙净此前在工频电源上成熟的“减功率/停电振打”技术集成到了高频电源中。根据粉尘粘附性不同，控制系统可在振打前主动降低或切断高压输出，减小振打过程中再飞扬与二次带电的负面影响。由于高频电源与振打控制在一体化平台上协同，实现了高低压联动控制，在多家工程应用中已证明有助于进一步压低出口排放[1]。此外，系统配置了齐全的过流、短路、开路、过温等多重保护，并提供本地人机界面、主控站联机以及 DCS 接口，可实现远程软启动/停机、参数配置和 V–I 曲线、趋势曲线在线监视，符合当前钢铁、电力等行业对 ESP 电源“数字化、可接入工厂自动化系统”的要求。

在热管理方面，系统对 IGBT 全桥、串联谐振电感和高频变压器三大发热源分别进行针对性设计：逆变回路采用强迫风冷，大面积散热器与低风阻气道布置保证关键器件结温在安全范围内；高频变压器则采用油浸自冷方式，结合合理的铁芯选型和绕组布置，既控制铁损与铜损，又避免由于涡流和集肤效应导致的局部热点[1]。经过长期全功率运行试验，变压器油温被控制在合理区间，为高功率、高频、高电压在同一平台上的可靠共存提供了支撑。

在现场工业试验中，研究团队以一座电厂 ESP 的单台工频电源为对比对象，直接用额定 0.4 A/80 kV 的高频电源替换同容量的传统 T/R 设备。在工频电源运行时，二次电流约 200 mA，二次电压在 60 kV 附近即频繁闪络，无法继续提升；更换为高频电源后，二次电流可稳定提升至 300 mA 以上，二次电压超过 72 kV 仍无闪络发生[1]。在同样的 ESP 本体和烟气工况下，仅通过电源升级，就显著提高了可用电场强度和电流密度，除尘效率得到明显改善。更为直观的是，高频电源整套设备安装在除尘器顶部，站内布置与安装大幅简化，体积和占地远小于传统高压硅整流变压器组，整机重量仅为后者的一部分，这对新建、改造项目的钢结构负荷和土建设计也带来积极影响。

Longking 的这套高频高压 ESP 电源，目前仍处在持续优化和批量工程化推进阶段。尽管其初始设备成本高于传统工频电源，但在效率、功率因数、电场利用率和运行维护等综合维度上的优势，叠加未来批量化后成本下降的趋势，使其从全生命周期成本看更具竞争力[1]。结合近年来国内外电力、钢铁、水泥等行业的应用反馈，可以预见，高频高压电源将逐步成为静电除尘器电源升级改造的主流技术路径之一，特别是在高比电阻粉尘、严苛排放限值以及需要“电源–除尘器–DCS”深度协同的场景中，其技术价值会更加凸显。

从行业风向来看，这类基于串联谐振软开关的高频 ESP 电源，标志着烟气治理装备正从单纯依赖本体结构优化，转向“电源+控制+本体”的系统协同设计。对于正在规划或实施超低排放和节能改造的电厂、钢厂、水泥厂而言，理解并评估高频电源的技术路线、工况适应性和控制策略，将是未来几年烟气治理技术选型中不可回避的一环。

参考文献
[1] Guo J, Qiu JX, Chen Y, Xie XJ, Lian JX. Development of High-Power, High-Frequency and High-Voltage Power Supply System for Electrostatic Precipitator[C]// Proceedings of ICESP X. Australia, June 2006: Paper 11B2.

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