静电除尘进入脉冲时代：HFPPS电源如何重塑高压供电格局

基于南京国电环保技术有限公司Liu Yufang团队在“High-voltage Pulsed Power Supply for ESP Applications”中的研究进展解析

关键词
ESP, Pulsed power supply, Dust Removal, Energy Saving, PM2.5, Ultra-low emission

近几年，中国多地频繁遭遇雾霾天气，燃煤电厂排放的粉尘、二氧化碳和氮氧化物仍然是区域性大气污染的重要来源之一。随着《火电厂大气污染物排放标准》（GB 13223‑2011）[1]的实施及各地超低排放改造推进，燃煤机组出口烟尘排放被压缩到20 mg/m³甚至5 mg/m³以下，“稳定达标+能耗可控”成为电除尘系统技术升级的关键词。在这一背景下，电除尘器（ESP）高压电源从传统单相工频变压器整流装置（TR Sets），逐步演进到高频电源，再到更具针对性的脉冲电源，供电技术本身已经成为决定除尘性能的核心变量之一。

南京国电环保技术有限公司（NEPT）Liu Yufang、Qiu Shuguang、Lin Yanbo、Chen Xiang等[5][6]，围绕静电除尘器应用场景，开发出一套HFPPS系列高压脉冲电源（High-frequency based Pulsed Power Supply），针对细微颗粒物（尤其是PM2.5）和高比电阻粉尘这两个行业公认的“疑难杂症”，给出了系统化的电源侧解决方案，也为后续超低排放改造提供了可复制的工程路径。

从结构上看，这一新型脉冲电源采用“高频基波+窄脉冲叠加”的拓扑：基础高压单元使用高频电源，将ESP电场电压维持在接近起晕电压的水平，为烟尘输运和沉积提供稳定的电场环境；在此基础上，脉冲发生单元以毫秒量级重复率输出宽度小于100 μs的高压窄脉冲，将峰值电压在瞬间提升到140 kV以上。论文中给出的典型配置是：基础直流电压约50–70 kV，叠加脉冲电压约80 kV，重复频率50–200 Hz，峰值输出电流可达300 A。与传统高频电源相比，ESP电场瞬时电子密度提高了数百倍，细颗粒荷电效率明显增强，这正是PM2.5深度治理所需要的工艺特征。

在脉冲发生电路设计上，HFPPS采用对称双串联谐振结构：通过两组储能电容（Cr1、Cr2）和脉冲变压器漏感（Lr1、Lr2）构成两套串联谐振回路，脉冲变压器一次侧为双绕组结构，二次侧输出高压，辅以耦合电容Cc与电除尘极板电容Cp共同参与谐振[6][8]。这种对称结构有三个工程取向非常明确的目标：一是分摊IGBT上的电压应力，提升器件可靠性；二是抑制差模噪声，改善电流波形；三是通过回馈路径实现能量“回收”，支撑电源整体节能。

更具体地说，在一个完整的脉冲周期中，电路经历三个关键阶段：首先是储能充电阶段（IGBT关断），储能电容通过升压变压器和电抗器由三相整流供电缓慢充电到设定电压VS1、VS2；其次是能量传输阶段（IGBT导通），串联谐振被激活，储能电容通过脉冲变压器将能量快速耦合至ESP电场，形成陡沿高峰值的脉冲电压和电流；最后是能量反馈阶段，当谐振电流过零并反向时，经IGBT体二极管和变压器耦合，部分未在有效放电过程中消耗的能量重新回流到储能电容。论文中明确指出，这一“能量反馈–再利用”机制，是HFPPS在相同除尘效率下实现电耗下降的关键技术之一。

从仿真与参数敏感性分析来看，HFPPS脉冲单元可被等效为“储能电容+等效漏感+（耦合电容+极板电容折算到一次侧）”构成的谐振网络。谐振周期、特征阻抗以及输出峰值电压均可通过Cr、Lr、Cc、Cp及变比n的组合来精细调节[4]。论文在给出一组具体参数（如Cr=400 μF、Lr=1.5 μH、n=30、Cc=500 nF、Cp=90 nF、基础电压Ub=50 kV等）进行仿真后，展示了典型的输出电压与电流波形：窄脉冲前后电场电压迅速爬升/回落，而电流呈明显的谐振充放电特征，为后续根据不同煤质、粉尘性质优化脉冲波形提供了理论基础。

从工业应用诉求来看，HFPPS最突出的优势集中在三个方面：除尘效率提升、高比电阻粉尘适应性和能耗降低。首先，在相同电晕起始限制下，通过叠加高峰值窄脉冲，ESP平均工作电压不必长期“顶在”击穿边缘，却能在脉冲瞬间获得显著高于纯直流供电的峰值电场强度。传统单相TR Sets一般只能稳定运行在场强击穿值的约70%，高频电源能接近击穿电压，但在高比电阻粉尘工况下极易诱发反电晕[2][3]。HFPPS通过脉冲方式在几十微秒内“打满”电压与电子密度，在宏观时间尺度上平均电流反而更低，有利于抑制粉尘层内空间电荷积累，减少反电晕与二次扬尘。这一“强瞬态+弱平均”的供电思路，本质上是针对PM2.5和高比电阻灰设计的。

其次，在控制策略上，HFPPS将基础高频电压单元与脉冲单元完全解耦：基础单元电压用于维持稳定输运电场，脉冲单元通过调节脉冲频率与脉冲幅值进行“间歇充电”。在高比电阻粉尘下，系统可以通过降低平均电流、保持较高峰值电压的方式，有效减少反电晕发生概率，同时改善放电均匀性和集尘极粉层质量。论文中提到，该系列脉冲电源最高输出功率可超过20 kW，相应电子密度至少比常规电源高出两个数量级[5]，对细颗粒的荷电和捕集显著有利。

能耗方面，HFPPS的节能来自两端：一是能量反馈谐振回路，使未被有效利用的电场能量在每个周期被部分回收，减少无效放电损耗；二是通过数字化控制将基础电压精确锁定在接近起晕电压处，叠加脉冲只在真正需要增强荷电的时间窗内触发，从而减少“过度供电”。在同等甚至更高除尘效率的前提下，论文给出的工程实践表明，HFPPS相比传统电源可以节电超过50%。这一点对于当前高耗能环保设施“能控能算”的趋势具有现实意义。

在保护与可靠性方面，HFPPS采用DSP+FPGA的控制架构，主信号采样率达到16 MSPS，能够在几十微秒内识别并切除电晕放电向电弧放电演变的过程。控制系统在检测到ESP内部放电时，可迅速关断输出，实现5–10 ms内将电压回落至电弧熄灭阈值，而不会对电源和极线产生损伤。由于基础高频电源本身响应速度较工频TR Sets快得多，两级联动控制可以在更高峰值电压（如140 kV）附近稳定运行，即尽可能“顶格”利用电场空间，而又不付出设备可靠性代价。

更值得注意的是，HFPPS在设计上保留了相当大的工艺伸缩空间：脉冲重复频率最高可达200 Hz，约为现有国内外主流脉冲电源的2–4倍[7][8]，这意味着在需求侧可以通过提高脉冲频次来强化总荷电量，而不必一味追求更高单脉冲幅值；配合不同容量等级的基础高频电源，可以覆盖300 MW到1000 MW燃煤机组电除尘器改造需求，对于存量机组升级具有较高的通用性和改造友好度。

论文中给出的两组工程案例，为这一类脉冲电源的行业推广提供了对照性数据。某320 MW燃煤电厂，ESP共2室5电场，原全场配置为NEPT高频电源，改造后将第4、5电场替换为HFPPS脉冲电源。改造前出口粉尘排放为42.8 mg/m³，改造后降至20 mg/m³，粉尘排放降低53.27%，完全满足新排放标准要求。从运行参数看，脉冲电源电场的基础直流电压约42–46 kV，对应峰值脉冲电压达到115–120 kV，脉冲电流接近300 A，而平均电耗仅约16 kWh，电流和电压可以相对独立调节，体现出较好的控制弹性。

另一台660 MW机组，ESP为2室4电场，原系统全部为单相TR Sets，改造方案是在后两电场增设HFPPS脉冲电源，改造前出口粉尘为60 mg/m³，改造后降幅约20.8 mg/m³，除尘效率提高65.3%。这组对比在一定程度上勾勒出三种主流电源的性能梯度：在燃煤电厂典型工况与高比电阻粉尘条件下，脉冲电源对比高频电源与工频TR Sets，在出口粉尘下降幅、PM2.5控制与高灰阻适应性方面均表现更为突出。

综合实验分析与工程数据，Liu Yufang团队认为，基于高频电源的高压脉冲供电，是当前静电除尘器实现“细颗粒深度捕集+高比电阻粉尘适应+能耗可控”三重目标的有效技术路径。HFPPS类产品凭借更高的瞬时峰值电压、更精细的波形控制、更快速的火花抑制能力以及显著的节能效果，正在逐步取代传统高压电源，成为超低排放升级项目中的重要选项。对于正在推进老旧ESP改造、寻求在有限场地和投资条件下实现显著性能提升的电厂来说，这类以脉冲电源为核心的电源侧升级路径无疑值得重点关注和评估。

参考文献
[1] 国家环保部. 火电厂大气污染物排放标准: GB 13223-2011[S]. 北京: 中国环境科学出版社, 2011.
[2] 张谷勋, 蒋云峰. 电除尘器电源的发展方向——高频化和数字化[J]. 电源世界, 2007(1): 1-4.
[3] 张谷勋, 熊茂. 我国电除尘器电源的现状与未来[J]. 电源世界, 2012(1): 25-28.
[4] Soeiro T B, Mühlethaler J, Linnér J, et al. Automated design of a high-power high-frequency LCC resonant converter for electrostatic precipitators[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2013, 60(11): 4805-4819.
[5] Grass N, Hartmann W, Klockner M. Application of different types of high-voltage supplies on industrial electrostatic precipitators[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2004, 40(6): 1513-1520.
[6] 陈武, 凌雁波, 陈祥等. 一种新型的谐振变换器: 中国发明专利, 201410136396.2.
[7] Reyes V, Elholm P. 4th generation of Coromax pulsed units for ESP’s[C]//Proceedings of the International Conference on Electrostatic Precipitation (ICESP). 2011: 1-7.
[8] 勒耶斯·克劳宁·塔宁. 用于静电除尘器的脉冲产生系统: 中国发明专利, CN101052471A, 2007.

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