高频电源脉冲供电：破解高比电阻飞灰静电除尘难题的新路径

基于ALSTOM Power团队在燃煤电站ESP应用中的高频脉冲模式运行研究解读

关键词
high-frequency power supply,pulsed mode operation,ESP,back corona,electrostatic precipitator,燃煤电厂,工业烟气治理

静电除尘器（ESP）在燃煤电厂、钢铁、水泥等行业的烟气治理中仍然是主力技术之一，但在高比电阻飞灰工况下，传统电源控制往往受“反电晕”限制，既难以继续提高电场强度，又导致除尘效率和能耗出现“倒挂”。围绕这一行业痛点，来自瑞典ALSTOM Power的Per Ranstad、Anders Karlsson和Lena Lillieblad等在一系列工程实践基础上，系统分析了高频电源（HFPS）在静电除尘器上的脉冲模式运行机理，并结合210 MW燃煤机组应用给出了典型波形和控制特性，为高比电阻工况下的ESP升级改造提供了可操作的技术路径[1][2]。

从机理上看，静电除尘的基本过程是通过在放电极（DE）和集尘极（CE）之间施加高压直流电场，使气体产生电晕放电，负离子在电场力作用下迁移并带电颗粒，最终将粉尘沉积在集尘极表面。该放电过程的电气特性可以用典型的非线性VI曲线描述：在起晕电压（U_onset）以下几乎无电流，通过起晕点之后，电晕电流随电压升高急剧增加，直到接近火花放电电压（U_spark）被迫受限[5]。在常规低比电阻粉尘工况中，ESP控制策略是在U_onset与U_spark之间寻找尽可能高的、又不频繁击穿的工作点，以获得更高的电晕电流和更好的除尘效率。

然而不同于低比电阻工况，高比电阻飞灰在极板表面形成的粉尘层本身具有较高的电阻率。根据Ranstad等人的模型，粉尘层内的电场强度E近似由电流密度J与粉尘层体电阻率ρ的乘积决定：E = J·ρ。当飞灰比电阻较高时，即便维持适中的电流密度，粉尘层内部也会形成很强的局部电场，进而引发粉尘层内部的局部击穿。这类“反电晕”现象会在粉尘层内产生大量正离子向气流区喷射，与放电极产生的负离子复合，直接破坏原有的电荷迁移与捕集过程。一旦进入明显的反电晕区，继续提高输入功率并不会带来更低的排放，反而会因为局部正离子云的形成使除尘效率恶化、运行电耗上升[3][5]。

针对这一问题，高频静电除尘电源成为近年来行业关注的技术方向。与传统工频T/R变压器—整流装置不同，高频电源通过三相整流、直流母线和IGBT高频全桥逆变，在25–50 kHz频率范围内驱动高频高压变压器，之后再经高压整流输出给ESP[1][6]。由于逆变频率远高于50/60 Hz，叠加在输出高压上的纹波电压可以被ESP自身电容“天然滤除”。按照作者给出的典型参数（U≈50 kV，C≈100 nF，I≈1 A，f≈30 kHz）估算，高频成分在电场上的电压纹波仅约0.16%，在实际运行中可认为静电除尘器承受的是几乎“理想平滑”的直流电场。这一特性在非反电晕工况下意味着可以在不显著增加火花放电频率的前提下，提高平均电压和电晕电流，从而显著提升除尘效率[1][2]。

不过，对于高比电阻飞灰等典型反电晕工况，如果同样采用高频电源的连续模式运行，即长期维持高电场强度，那么粉尘层内部电场将持续偏高，反电晕问题不仅不能缓解，甚至可能被放大。ALSTOM的研究重点正是将高频电源从“连续高压直流源”转化为一种可编程的脉冲电流源，即所谓的脉冲模式运行。其核心思想是：在短时间内向电场注入较高幅值的电流脉冲，在维持峰值电晕电流、保证电极表面放电均匀性的同时，通过降低脉冲占空比控制平均电流，从根本上压制粉尘层的平均电场水平，从而避免或减轻反电晕。

在电气等效模型中，ESP可简化为储能电容与非线性电晕电阻并联的结构，高频电源则可视为受控电流源。当高频电源在脉冲模式下运行时，在脉冲宽度T_w期间输出近似恒定电流I_p，静电场电压随之上升，电晕电流快速增强；而在脉冲间隙（T_p–T_w）期间，电源停止供电，存储在电场电容中的能量通过电晕放电缓慢释放，电压逐渐衰减。由于电晕电流本身与瞬时电压的平方成正比（可用经验式近似表示），即便在电源暂停供电期间，仍有一部分电晕电流在持续流动，这保证了粉尘层电荷迁移的连贯性，又有效降低了粉尘层长期承受的平均电场强度。这种“高峰值、低平均”的供电策略为兼顾除尘效率与反电晕抑制提供了新的自由度。

Per Ranstad等通过在一台210 MW燃煤机组尾部ESP上采集的实际波形，对脉冲模式的运行过程进行了可视化。以滤除高频分量后的电压、电流波形为例，可以清晰看到在每一个电流脉冲期间，电场电压随输出电流上升而爬高，并在接近控制设定的上限后进入下一相位；而在脉冲间隔期内，在没有电源继续供电的情况下，电压由较高水平缓慢衰减，其斜率由电晕电流决定。放大观察变压器原边电流，可以看到脉冲期间全桥逆变器连续工作，频率稳定在既定高频范围；电源被控制器在每个脉冲结束时关断，进入软停止状态，直到下一周期重新起动[1]。

值得注意的是，高频电源脉冲模式在处理火花放电（spark-over）方面具有明显优势。由于IGBT逆变频率在几十千赫数量级，一旦检测到电场电压的快速跌落特征，控制系统可以在不到一个开关周期的时间内关断功率器件，实现微秒级（文献中给出小于20 μs）的供电切断。与传统工频T/R装置相比，这种高带宽响应能力既有利于减少每次击穿的放电能量，保护极板和绝缘子，又有助于系统更快重新建立电场，缩短“失效时间窗”，在整体上有利于稳定低排放运行。

从行业应用视角看，高频电源和脉冲模式运行技术的结合，正在成为燃煤电厂、钢铁烧结机、水泥窑尾等高比电阻粉尘工况ESP改造的重要方向。首先，高频电源自身输出电压纹波极低，使得在非反电晕区域可以安全“靠近”放电极限，从而在普通工况下获得更高的电场利用率；其次，通过脉冲模式控制平均电流，能够在高比电阻粉尘条件下有效抑制反电晕，从根本上扭转“再加功率反而排放上升”的尴尬局面；最后，凭借快速的火花检测与关断能力，高频脉冲电源有助于降低设备热应力与机械应力，为老旧ESP翻修改造和新建超低排放工程提供更可靠的电气基础。ALSTOM Power团队在文献和长期现场运行中的实践表明，这一技术路线不仅在单机组上具备可观的减排潜力，也为未来与低温省煤器、湿法脱硫、湿式电除尘等下游深度治理技术的耦合预留了更大的工艺弹性[2][4]。

综合来看，高频电源脉冲模式运行并不是对静电除尘原理的颠覆，而是基于对ESP电气等效模型与粉尘层物性深入理解之上的“供电方式再设计”。通过把握好“峰值电晕强化”和“平均场强抑制”的平衡，这一技术在高比电阻飞灰治理领域展现出明显的工艺优势。对于正在推进超低排放和深度减排改造的电力和工业企业而言，如何在实际项目中将高频电源与原有电场结构、烟气调质和除尘系统整体协同，将是下一阶段工程实践和技术创新的关键方向。

参考文献
[1] Ranstad P, Porle K. High frequency power conversion: A new technique for ESP energization[C]//EPRI/DOE International Conference on Managing Hazardous and Particulate Air Pollutants. Toronto, Canada, 1995.
[2] Ranstad P, Mauritzson C, Kirsten M, Ridgeway R. On experiences of the application of high-frequency power converters for ESP energisation[C]//Proceedings of the 9th International Conference on Electrostatic Precipitation (ICESP IX). Mpumalanga, South Africa, 2004.
[3] Jacobsson H, Thimansson M, Porle K, Kirsten M. Back-corona control with help of advanced microprocessor enhances performance[C]//Proceedings of ICESP VI. Budapest, Hungary, 1996.
[4] Deye C S, Layman C M. A review of electrostatic precipitator upgrades and SO2 reduction at the Tennessee Valley Authority Johnsonville Fossil Plant[C]//Power Plant Air Pollutant Control “Mega” Symposium, 2008.
[5] Parker K R. Applied Electrostatic Precipitation[M]. London: Blackie Academic & Professional, 1997.
[6] Ranstad P. Design and control aspects on components and systems in high-voltage converters for industrial applications[D]. Stockholm: Royal Institute of Technology, 2010.

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