多相高压电源在静电除尘器中的应用突破

基于FLSmidth Airtech在ICESP 2016的全规模试验：多相整流高压电源替代高频电源的技术路径

关键词
多相高压电源, 静电除尘器, 三相变压器整流器, 间歇供电, 高比电阻粉尘, 工业烟气治理, 燃煤电厂超低排放

近年来，围绕静电除尘器（ESP）电源技术的升级，一直是燃煤电厂、烧结机和水泥窑等高排放行业关注的技术热点。随着超低排放、提效降耗和复杂工况适应性的压力不断加大，如何通过优化高压电源波形来匹配不同粉尘比电阻，已经成为工业烟气治理领域的关键问题。传统的单相高压整流（TR）、三相TR、高频/中频开关电源（HFPS/MFPS）以及微脉冲电源（MPS），各有优势与局限，而FLSmidth A/S（Airtech事业部）在ICESP 2016上提出的多相高压电源（Multiphase Power Supply, MPPS）方案，为行业提供了一个兼具“平滑”和“高纹波”两种输出特性的全新方向[1–5]。

这项研究由FLSmidth A/S（丹麦）V. Reyes与B. Bidoggia完成[1]，核心思路是：在一套标准三相高压变压器-整流器（3-phase TR）基础上，通过一次侧和可控硅触发回路的巧妙切换，让同一台设备既能工作在三相低纹波模式，又能切换到等效单相高纹波模式，从而在低比电阻和中高比电阻工况之间灵活切换。这种“多相整流高压电源”兼具传统油浸式TR的可靠性与部分开关电源的波形可调能力，为ESP电源改造和新建项目提供了新的技术选项。

在现有工业应用中，不同类型高压电源的本质差异主要体现在输出波形及其对粉尘电阻率的适应性上：

单相TR由于只有工频100/120 Hz的两脉动，输出电压纹波幅度可达数十千伏，并可进一步通过间歇供电（IE）模式形成脉冲化电流，对中高比电阻粉尘抑制反电晕有明显效果[1]；传统三相TR则通过工频六脉动整流，大幅降低电压纹波，输出波形近似直流，非常适合低比电阻、易起晕、难起火花的粉尘，但面对中高比电阻时，缺乏足够的dv/dt调节能力[2]；高频及中频开关高压电源（HFPS/MFPS）同样能提供平滑直流和IE模式，开关频率从数百赫兹到数十千赫兹不等[3,4]；微脉冲系统（MPS）则在平滑基压上叠加窄脉冲，以改善带电尘层的充电与剥离[5]。在此格局下，FLSmidth提出的MPPS试图在“传统工频TR”的框架内实现“多波形输出”，在可靠性、容量和成本方面保持传统优势，同时部分实现现代电源的功能灵活性。

从结构上看，MPPS的基础单元仍为一台典型油浸自冷的三相高压TR装置，包括控制柜和高压油箱。高压油箱内布置工频高压变压器及六脉波桥式整流器，控制柜中配置三相可控硅调压器及触发控制系统。与普通三相TR的差异点在于一次侧引入了切换接触器和逻辑，使其既能作为三相整流工作，又能通过断开一相、短接其中一套可控硅模块，将同一台三相变压器“重构”为等效单相整流电源，实现在不更换主设备的前提下完成波形模式的切换。

在三相模式下，TR以Δ-Y接线连接到三相电网，三相六脉动整流配合ESP的电容性特征，输出电压纹波很小，实际应用中可视作平滑直流，电压频率为6倍电网频率。实验中所用的全尺寸样机为110 kV/1400 mA的三相TR，短路电压约30%，一次侧为3×400 V电网，该套设备安装在哥本哈根一座燃煤电厂的FLSmidth ESP入口电场，替代了原有的110 kV/1000 mA单相TR，用于在真实工况下对多相整流高压电源进行验证。

模式切换的关键在一次侧拓扑：在三相运行时，三套可控硅模块（TA、TB、TC）分别接入三相电源，实现正常的三相调压整流；当需要切换到单相高纹波模式时，通过控制接触器将一相电源断开，并将其中一组可控硅模块短接，使电源系统仅经一相进行相控，同时利用Δ接线绕组间的电压相量关系，使变压器二次侧各相电压重新组合成等效单相供电。这一相量“重构”使得三相绕组中两相的二次电压幅值为原第三相的一半且同相位，与第三相相反，从而在整流桥输入端形成1.5倍单相相电压幅值的等效输入。通过这种方法，原本为三相整流设计的桥式结构在特定接线下表现出单相整流特性，输出电压呈现明显的工频脉动，适合生成高纹波波形以及进一步的间歇供电控制。

在实际测试中，研究团队先后在实验室3×4.2 kV/1350 mA模型TR和烧结厂125 kV/35 mA试验ESP上验证了转换原理后，才在燃煤电厂入口电场上进行全规模应用验证。电厂锅炉负荷250 MW时，烟气量约315 m³/s，入口温度约127 ℃，ESP运行条件典型且工况稳定。

在三相模式下，实验结果表明，多相整流高压电源可在不发生火花的情况下达到约88 kV的空载电压理论值的0.8倍，即约88 kV的可用电压，受限于现场电场的电流-电压特性（CVC），在74 kV电压处已经达到额定电流1400 mA，导致一次侧波形中出现部分“空载”时间段。从火花恢复特性看，当炉负荷100%时出现放电，系统在20 ms阻断后约10 ms内完成电压恢复，表现出与标准三相TR相同的动态行为[2]。

在单相模式下，多相整流高压电源成功输出了典型的高纹波电压波形，配合IE间歇供电模式实现多级电流控制。试验中，纯直流模式下在50%负荷时，可实现约58 kV的平均电压和1000 mA左右的直流电流，电压在45–77 kV范围内随电网相控角变化而周期性波动；在IE模式（间歇度N_ec=3和5）下，通过周期性封锁若干工频半周，平均电流分别降至约450 mA和280 mA，平均电压约为44 kV和39 kV，但电压峰值仍可接近77 kV。可以看出，IE模式下，电源维持较高峰值电压以维持电晕放电和带电粉尘迁移速度，同时通过减小平均电流降低反电晕风险，是典型的中高比电阻工况控制策略。

火花恢复特性是评估ES P电源适应性的另一个关键维度。在单相模式满负荷测试中，当发生火花放电，多相整流高压电源在不增加额外阻断时间的情况下，电压从最低约56 kV迅速恢复到82 kV左右，平均电压约68 kV，平均电流约810 mA，可见恢复速度和波形形态与常规单相TR一致。这意味着，在需要频繁放电控制的高比电阻烟尘应用中，MPPS的单相模式可以直接替代传统单相TR运行方式，并且借助更高额定容量获得改善的运行余量。

值得注意的是，利用MPPS，可以在相同工况下直接对照单相与三相运行的电流-电压特性。试验结果显示，两种模式下的CVC曲线几乎重合，说明同一电场在不同供电模式下的本征特性相同；但在三相模式下，TR可在不引起火花的情况下达到额定电流1400 mA（约0.47 mA/m²），而在单相模式下，放电会在约900–1000 mA时出现，这与原来110 kV/1000 mA单相TR的实际运行上限一致。这一对比反映出：三相平滑电压在低中比电阻下可以有效提升可用电流上限，从而提高电晕功率，而单相高纹波模式则在较低电流下就会因峰值电压过高而触发火花，体现出其适用于在较高比电阻时通过降低平均电流抑制反电晕的特性。

从理论分析与仿真结果看，多相整流高压电源在单相模式下的可用电流和电压确有一定折扣。一方面，为不超过一次侧额定相电流，考虑工频单相整流波形的波形系数（形状系数）影响，单相模式下的理论平均输出电流约为三相额定电流的70%左右。另一方面，由于单相模式下整流桥输入电压仅为三相模式的约0.866倍，且在负载条件下通常只能利用额定电压的约0.67倍，综合下来单相模式下可用电压大致在额定电压的0.58左右。实际工程应用中，如果一次侧绕组未做过流裕量，则需再打一定折扣，研究给出的经验值为单相模式下的最大平均电流约为三相额定值的60%。在ESP电源配置与控制策略设计时，这一差异需要通过合理的电场分区和模式选择来综合平衡。

仿真进一步量化了MPPS在单相模式下的U-I输出特性。在维持相同斜率的前提下，通过提高电晕起始电压（U_co）来模拟不同粉尘电阻率工况，得到一系列不同U_co条件下的输出工况点。结果表明，随着U_co从25 kV提高到40 kV，输出电压从约68–72 kV有所提升，而平均电流则从约960 mA逐渐下降到约700 mA，一次侧电流也随之减少。这与理论预期一致：在高比电阻或高U_co条件下，通过提高峰值电压但限制平均电流，可以在保证捕集效率的前提下减轻电晕反向击穿和二次放电问题，这也正是间歇供电和高纹波供电被广泛用于高比电阻烟尘控制的根本原因。

在实际工程实现层面，FLSmidth通过在控制柜中增设少量硬件就完成了多相整流高压电源的构建：一方面保留原有三相触发板控制三组可控硅模块以实现三相整流；另一方面增加一块单相触发板用于单相模式控制，并配合转换开关、主接触器和辅助继电器实现硬件层面的模式切换。操作人员通过简单的开关转换，即可在三相平滑直流模式和单相高纹波/IE模式之间切换，既能满足低比电阻燃煤烟尘下“高电流、高电晕功率”的需求，又能在烟煤品质变化、燃用高灰熔点煤或锅炉低负荷运行导致比电阻升高时，迅速切换到强化纹波和IE策略，以降低反电晕风险。

综合来看，多相整流高压电源的优势在于：一是利用成熟的油浸式三相TR平台，没有高频变压器和大功率高频器件的可靠性隐患，额定电压电流几乎不受限制，适合大容量ESP及高电压场段；二是在工频系统框架内实现了多波形输出，高效支持低纹波、单相高纹波及IE等典型运行模式，覆盖从低比电阻到高比电阻粉尘的大部分应用场景；三是价格水平与普通三相TR接近，不显著增加投资成本，对已有三相TR项目具备较强的改造兼容性。其主要不足仍然是传统三相TR的固有问题：设备体积和重量较大，需要独立控制柜和开关室空间；此外，在单相模式下平均电流能力会降至额定的60%左右，但考虑到高比电阻粉尘本身就不宜以高电流运行，这一限制在实际运行中往往并非关键矛盾。

对正在规划或实施ESP电源升级的电厂和工业企业而言，多相整流高压电源提供了一条务实的技术路径：在不完全依赖高频电源和微脉冲电源的前提下，通过工频多相整流技术实现波形的“按需切换”，在低比电阻工况下最大化电晕功率，在中高比电阻和复杂烟气成分变化条件下通过高纹波和间歇运行抑制反电晕，为达标排放和提效改造提供更宽的调控空间。这一方案尤其适合作为传统单相TR老旧设备的替代升级方案，也可以在新建ESP项目中与HFPS/MFPS、MPS等技术形成互补配置，实现“主电源+功能电源”的组合式供电架构，为工业烟气治理行业带来更加灵活、可靠和经济的电源技术选项。

关键词：多相高压电源；静电除尘器；三相变压器整流器；间歇供电；高比电阻粉尘；工业烟气治理；燃煤电厂超低排放

参考文献：
[1] Reyes, V., Bidoggia, B. Application of multi-phase HV rectifiers in electrostatic precipitators. In: ICESP 2016, Wrocław, Poland, 19–23 September 2016.
[2] Reyes, V., Poulsen, K. Three-phase TR sets for ESP energization. In: Proceedings of ICESP XIII, Bangalore, India, 2013.
[3] Reyes, V., Wallgren, B. High frequency switch mode power supplies in ESP applications. In: Proceedings of ICESP VII, Kyongju, Korea, 1998.
[4] Grass, N., Kloeckner, M. Medium frequency switch mode power supplies for ESPs. In: Proceedings of ICESP XII, Nuremberg, Germany, 2011.
[5] Reyes, V., Elholm, P. Micro-pulse high voltage systems for ESP energization. In: Proceedings of ICESP XII, Nuremberg, Germany, 2011.

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参考文献
[1] Reyes, V., Bidoggia, B. Application of multi-phase HV rectifiers in electrostatic precipitators. In: ICESP 2016, Wrocław, Poland, 19–23 September 2016.
[2] Reyes, V., Poulsen, K. Three-phase TR sets for ESP energization. In: Proceedings of ICESP XIII, Bangalore, India, 2013.
[3] Reyes, V., Wallgren, B. High frequency switch mode power supplies in ESP applications. In: Proceedings of ICESP VII, Kyongju, Korea, 1998.
[4] Grass, N., Kloeckner, M. Medium frequency switch mode power supplies for ESPs. In: Proceedings of ICESP XII, Nuremberg, Germany, 2011.
[5] Reyes, V., Elholm, P. Micro-pulse high voltage systems for ESP energization. In: Proceedings of ICESP XII, Nuremberg, Germany, 2011.