高频电源 vs 传统T/R：ESP电源的电网友好性正在改写行业设计

基于ANDRITZ瑞典团队在第17届静电除尘国际会议（Kyoto 2024）的实验研究解读

关键词
Electrostatic precipitator (ESP),power factor,harmonics,grid,transformer/rectifier,HFPS,SIR,碱回收炉,烟气治理

在大型燃煤锅炉、碱回收炉、生物质锅炉和冶金烟气治理领域，静电除尘器（ESP）依然是最主流的颗粒物控制技术[1–7]。随着装机规模不断放大，单台或整套ESP系统的功率动辄达到数MW级，电除尘电源本身对厂内电网的“友好程度”，已经从过去的次要问题，升级为电网规划和技改可行性论证中的关键约束之一。近年来高频电源（HFPS）、SIR等新一代ESP电源在行业内推广迅速，但多数讨论仍停留在除尘效率、火花电压提升等工艺侧指标，对“电网侧”的功率因数、谐波及其工程影响缺乏系统量化。

在2024年京都召开的第17届国际静电除尘会议上，ANDRITZ Sweden AB 的Jörgen Linnér和Andreas Bäck发表的论文《Grid quality parameter comparison between different ESP power supplies》，正面聚焦这一空白，对比了高频SIR电源与传统单相可控硅T/R电源在不同工况下的功率因数和谐波特性，试图回答一个工程上非常现实的问题：在实际ESP运行工况（往往低于铭牌负荷）下，两种电源对厂用电网究竟意味着多大的差异？

作者在瑞典Växjö的ANDRITZ高压实验室，搭建了接近工业实物尺寸的试验平台。一侧是典型的单相50 Hz可控硅整流变压器组（T/R），额定800 mA / 70 kV_peak（平均54 kV），配有额定30%阻抗的外置限流电抗器（CLR），由EPIC4控制器控制相位触发；另一侧是两台商品化SIR4高频电源，功率等级分别为60 kW（700 mA / 85 kV）和180 kW（2100 mA / 85 kV），采用SiC功率器件、690 V三相供电，通过专用升压变压器与400 V厂网隔离。两类电源均通过高压穿墙套管接入同一套可调RC负载：电阻部分由多组10 kW电阻按串并灵活组合，电容部分固定为68 nF，对应约1500 m²、板间距400 mm的一般工业ESP电场尺度。

所有电网侧测试均在三相侧进行，使用Chauvin Arnoux C.A 8335 Qualistar+ 电能质量分析仪[19]，同步采集三相电压、电流、功率因数、谐波电流（至第50次）等参数；高压侧的kV、mA和功率则直接使用EPIC4和SIR4控制系统内部监测数据。为模拟实际ESP工况，试验全部采用连续充电模式，对应低-中比电阻粉尘工况，并严控负载组合与电源设定，使实验点覆盖“接近额定功率”“中等负荷”“不同电场相当工况”等典型工业运行区间。

研究的核心指标是功率因数（PF），即有功功率与视在功率之比。论文特别强调，电源铭牌上给出的功率因数通常是在“额定输出点”测得，而在真实ESP运行中，大量时间是停留在低于额定功率的负荷区间，例如后级电场、电场过大设计、节能限流运行等。因此，本文重点考察在降低输出电流或降低负载电压时，HFPS与T/R功率因数的变化轨迹，以及由非线性整流产生的谐波对功率因数的影响。

作者先在给定RC负载下，通过改变控制器的mA设定值，逐点测量两类电源的网侧功率因数，并将输出功率归一化为“铭牌输出百分比”，即(kV_av×mA)/(kV额定×mA额定)。结果表明，在接近额定输出功率时，高频SIR电源的功率因数约为0.92，而传统T/R仅约0.68。更具工程意义的是，当输出功率下降到约50%时（约相当于额定电流70%左右），SIR的功率因数依然保持在0.9左右几乎不变，而T/R的功率因数则跌至约0.45。这意味着，在常见的“不过载运行”状态下，同样的有功功率需求，T/R在电网侧需要的视在功率（kVA）可能是SIR的1.5倍甚至更高，直接推高厂内配电变压器、母线、电缆等的容量和损耗。

为排除“同一电流，不同负载电阻”对比的偏差，作者又设计了第二类实验——在电源电流设为额定值不变的前提下，逐步改变负载电阻，以改变高压侧输出电压，从而覆盖不同电场位置可能出现的电压水平（例如前场高电压、后场低电压）。在这一工况族中，SIR和T/R功率因数在其“最高功率点”的数据与前一类试验高度吻合，说明功率因数特性主要由“当前输出功率与负载性质”决定，而不是由“电流高/电压低”还是“电流低/电压高”的组合形式决定。结合实验图谱，作者据此推断：在典型工业ESP应用中，传统单相T/R在绝大多数时间，其工作功率因数难以明显高于0.5，而高频SIR类HFPS则可以稳定在0.9以上。

功率因数与谐波密切相关。为进一步剖析原因，作者利用C.A 8335对两类电源在“额定电流、约90%额定电压”工况的电流谐波谱进行了分析。对比发现，T/R在3次、5次、7次等低次谐波电流占比明显高于HFPS，而SIR类HFPS由于采用三相六脉冲整流，理论上不存在3、9、15…等3的倍数次谐波。通过计算总谐波畸变率（THD），HFPS的电流THD约为30%，T/R则约为49%。进一步利用经典公式将总功率因数拆解为“畸变功率因数”（由THD决定）和“位移功率因数”（cosφ）[23]，可以得到HFPS的畸变功率因数约0.958、T/R约0.899，而两者的总功率因数实际上差距更大——推回去计算可知，HFPS的cosφ约0.96，而T/R的cosφ仅约0.67。由此可见，T/R功率因数偏低的主因并非谐波畸变，而是由大电感（变压器+外置电抗器）和可控硅延迟导通带来的基波电流相位滞后；在低功率输出时，控制器通过进一步增大触发角以减小输出电压、电流，等效地又增加了相位滞后，使功率因数呈近线性下滑。

就工程应用而言，这一发现具有直接的配电设计和技改评估意义。论文中给出了一个简单示例：在相同有功功率需求下，功率因数从0.9降至0.6，所需的视在功率和电流将增加约50%。对应到工业厂区，意味着同样的除尘有功功率，若采用传统T/R电源，则需要更“大一号”的厂用变压器和馈线截面，且因电流增大带来的线路损耗也相应增加。作者将实验结果外推到实际工程项目，例如文中提到的印尼某大容量碱回收炉项目：该ESP配置了24台SIR高频电源，设计工况下总电耗约2.8 MW。如果继续沿用传统T/R方案，要达到同等排放水平，势必需要更大的电场截面积和更多电场分区，单台功率虽略低，但总体视在功率需求很可能并不小于当前SIR方案，甚至可能因功率因数过低而更高。

谐波控制方面，作者也指出HFPS在系统级优化上的优势。由于多个HFPS可以分组供电，通过在多个供电变压器之间引入30°相位移（例如一组采用Δ-Y接线，另一组采用Δ-Δ接线[25]），5次和7次谐波在公共连接点（PCC）处可以实现“相互抵消”，在不额外增加有源或无源滤波装置的情况下，实现整体THD的显著降低。这对于大规模ESP场合尤为重要，可在满足IEEE 519-2014等电能质量标准[24]的前提下，控制总投资。

需要指出的是，本次研究采用的可调RC负载虽然在电容选型和电压、电流量级上较好地模拟了真实ESP电场，但仍未引入电晕起始电压、非线性I–V曲线和放电（火花）行为等复杂效应。不过从电源一次侧视角看，只要高压侧的电压、电流和等效阻容特性落在典型ESP运行区间内，所得网侧功率因数和谐波特性就具有较强的代表性。作者也在文末提出后续计划：将携带同型电能质量分析仪在实际ESP机组上开展“前后对比”现场实测（T/R→SIR改造前后），并扩展研究三相T/R和脉冲（间歇）充电模式对电网的影响。

总体来看，这项工作从电网质量视角，为“高频电源替代传统T/R电源”提供了定量证据：在典型工业工况下，高频HFPS可在提高或维持更高ESP比电场功率密度的同时，将网侧功率因数稳定在0.9左右，大幅优于传统单相T/R的约0.5–0.7区间，并显著降低电流谐波占比。这不仅意味着更紧凑的除尘设备、更低的排放，也意味着电网投资、损耗和运行裕度的综合优化。对于正在规划新建机组或考虑对老旧ESP进行节能提效改造的业主和设计院，电源类型的选择已经不只是“能不能达标”的问题，而是“在电网侧和环保侧双重约束下，怎样实现最优全生命周期成本”的关键技术决策。

关键词：Electrostatic precipitator (ESP)，power factor，harmonics，grid，transformer/rectifier，HFPS，SIR，碱回收炉，烟气治理

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