全固态脉冲电源：脉冲电晕烟气治理的核心革命

基于 Tswane University of Technology 与 Eskom 的移动在线测试平台脉冲电源设计解读

关键词
Pulser,Pulse compression,Pulse Corona,DeSOx,DeNOx,Pulse Power,静电除尘器,工业烟气治理

近年来，在超低排放、深度治理以及燃煤机组灵活性改造的多重压力下，传统静电除尘器（ESP）和常规湿法脱硫、选择性催化还原（SCR）路线，正不断被“高能物理+化学转化”类新技术所补充，其中最受关注的之一，就是基于脉冲电晕放电的 DeSOx/DeNOx 协同脱除技术。要让这类技术真正走向工程化应用，关键瓶颈不在反应器本体，而在于能否获得高重复率、快速上升沿、可靠的高压脉冲电源——也就是脉冲电源“心脏”。

本文解读的是 P.H. Swart 与 R.F. Uys 等人来自 Tswane University of Technology 与南非公用事业公司 Eskom Enterprises 的一项代表性工作：用于移动式在线烟气特性测试平台的全固态脉冲电源（all-solid state pulser），论文题为《ALL-SOLID STATE PULSER DESIGN FOR A PULSED CORONA FLUE GAS POLLUTION MITIGATION SYSTEM》[1-3]。该研究聚焦于为脉冲电晕烟气污染控制系统提供高可靠性、低维护、工程可扩展的脉冲电源方案，关键词包括：Pulser、Pulse compression、Pulse Corona、DeSOx、DeNOx、Pulse Power，并与静电除尘器（ESP）、工业烟气超低排放等行业热点高度契合。

这套脉冲电源系统被集成在一套移动拖车平台上，用于燃煤电站及其他工业源的在线烟气特性研究[2]。相比实验室条件的固定装置，移动式平台需要电源具备更高的鲁棒性和环境适应性，这也让脉冲电源拓扑的工程实际价值更具代表性。

在总体架构上，作者将整个脉冲系统拆解为四个子系统：一是谐振逆变脉冲电源（Resonant Inversion Pulser, RIP），负责将三相 380 V 交流，经相控整流和谐振充电，转化为千伏级的能量储存在低压侧电容中；二是多级串联电磁脉冲压缩器（Melville 线式磁压缩拓扑），将 RIP 输出的微秒级半正弦脉冲进一步压缩到百纳秒量级的上升沿；三是脉冲叠加网络，将高压脉冲与直流偏置电压耦合后送入电晕反应器，实现脉冲叠加在 DC 电场上的“提升效应”；四是高频闭环控制直流偏置电源，为反应器提供稳定可调的直流场并参与整体放电波形塑形。

在谐振逆变脉冲电源 RIP 部分，论文采用了典型的“低压宽脉冲 + 磁压缩”的设计哲学。前级通过 380 V 三相相控整流器供电，经电感–电容滤波后形成可调 0–513 V 的直流母线，额定输出功率约 3.25 kW，对应能够向反应器提供单脉冲 2 J、最高 1 kHz 的工作点。核心能量转移是通过一组由储能电容、充电电感、饱和电感以及脉冲变压器组成的谐振充放电回路来完成：首先由 IGBT 开关控制充电，使主储能电容组以约 750 μs 的半正弦电流缓慢充电，峰值电流控制在 20 A 以内，从而显著降低半导体器件电流应力；随后通过触发可控硅与磁辅助电感构成的振铃回路，在仅数微秒内产生峰值超过 1.6 kA 的振荡电流，将储能电容电压翻转并为后续高压侧能量转移“预装”极性。这一过程中，大部分高 di/dt 的电流由饱和电感承担，实现了“用铁芯替代半导体承担应力”的设计思路[3]。

当主饱和电感达到饱和点时，谐振能量经脉冲变压器一次侧泄放至二次侧高压电容，实现从低压侧电容到高压侧电容的能量共振转移。论文给出的仿真与测试表明，能量转移脉冲宽度约为 2.56 μs，电流峰值接近 2 kA，相比振铃阶段电流实现了约 2.7 倍的时间压缩。作者也坦诚指出，该 RIP 拓扑在压缩比和磁芯体积之间并非最优，受制于脉冲变压器漏感，整体压缩效率有限，但换来的是半导体耐压、电流等级的大幅降低：在 380 V 输入条件下，利用拓扑特性，理论上可在变压器一次侧获得约 4 倍 DC 母线电压，而环振主开关的电压仅为一次侧峰值的一半，这对于工业级器件选型极具现实意义。

要实现用于脉冲电晕的超快前沿，单靠 RIP 的微秒级脉冲还远远不够。作者在其基础上，采用三段串联磁压缩的 Melville 线拓扑作为脉冲压缩器，将 2.56 μs 的输入半正弦脉冲进一步压缩到 84.7 ns 量级的输出脉冲半宽，对应 10%–90% 上升沿约 50 ns，总体压缩比超过 30:1[5]。每一级由一组输入/输出电容和一个串联饱和电感构成，在前级饱和之后，下一级依次导通，能量沿“电容–电感–电容”链路向后级“接力”，最终在末级以极快上升沿输出。由于整个链路采用一系列饱和磁芯实现时域整形和能量转移，半导体开关全部工作在低压侧和“宽脉冲”状态下，极大提升了系统的可靠性和工程可实现性。这也是该全固态脉冲技术能在脉冲电晕烟气治理行业受到关注的根本原因之一。

在脉冲叠加网络部分，研究团队引入了直流偏置（DC bias）与高压脉冲的叠加结构。通过串联电容实现直流与脉冲的解耦，再由串联电感将直流偏压平稳引入反应器，最终形成“直流电场 + 脉冲电晕”的复杂放电环境。一方面，直流偏压本身就可驱动颗粒物和部分反应副产物沉降，等效于在同一反应器空间内叠加了类似 ESP 的捕集功能；另一方面，在适当的偏置下，脉冲的有效幅值需求可以降低，等于在一定程度上“用电场预偏置，减轻脉冲电源负担”，从而带来设备成本和运行能耗双重获益。论文中的仿真与示波波形对比显示，叠加后的反应器电压呈现稳定 DC 平台叠加尖锐脉冲峰值的形态，电流波形则体现出典型的电晕流+脉冲放电特征，二者在时间轴上高度匹配，验证了电路模型与实际工况的一致性。

值得关注的是，作者还为末级输出配置了“峰值电容 + 磁性尾削（tailbiter）”网络。峰值电容用于确保从前级压缩电容向输出侧的能量完全转移，其容量需要根据实际烟气负载等效阻抗精确匹配；磁性尾削由一只饱和电感与阻尼电阻组成，用于在反应器负载耗尽电荷较慢时，主动“咬掉”剩余电压尾部，防止末级电感反向饱和而将残余能量回灌上一级，造成压缩器工作不稳定。通过合理整定，当尾削电路动作时，反应器电压会在脉冲结束后短暂降到 DC 偏压以下，从而显著降低平均电压水平，使系统可以在更高重复频率下运行，同时有效抑制弧光放电风险，这一点对于工程化连续运行的 ESP+脉冲电晕一体化系统尤为重要。

在直流偏置电源方面，作者从最初的 50 Hz 工频变压器+整流结构起步，但很快意识到其在电容储能、放电短路电流和电网冲击上的先天不足。为此，研究提出采用 20 kHz 全桥电流源型谐振 PWM 电源替代传统方案，通过高频工作减小储能电容，配合电流源特性在反应器击穿时实现天然限流，并可通过优化谐振参数实现对叠加网络电容的斜坡式补充充电，使整套系统在高频脉冲下仍能维持稳定的直流偏置。这一构想与当前国内在高频高压电源、ESP 电源数字化升级上的发展方向高度一致，为后续将脉冲电晕模块与现有电厂 ESP 高频电源整合，提供了清晰的技术路径。

总体来看，Tswane University of Technology 与 Eskom 的这项研究工作，为“全固态 + 磁压缩”的脉冲电源在脉冲电晕烟气治理中的实际可用性给出了较为完整的论证：
一方面，通过 RIP + 三段磁压缩，成功实现了从千伏级微秒脉冲到几十千伏、纳秒级上升沿的能量转移和时间压缩，证明在现有功率半导体水平下，无需依赖寿命有限的气体开关或火花隙，也可以获得满足 DeSOx/DeNOx 反应需求的放电条件[1,3]；另一方面，直流偏压与脉冲叠加、峰值电容与尾削网络的组合，使系统在保证反应效率的同时，兼顾了抑制电弧、降低元件应力和提升重复频率的多重目标。大量现场移动测试结果与仿真高度吻合，进一步验证了这一技术路线具有从示范平台向商业规模放大的可行性[2]。

从产业视角看，这一全固态脉冲电源方案仍面临一些工程化挑战，最突出的是大量饱和磁芯材料的成本与供应问题，尤其在磁芯尺寸随功率放大而急剧增长的情形下，系统初投资会明显高于传统工频/高频电源；但同时，它在寿命、维护频次和电气性能可控性上的优势，又为高可靠性要求的电力及工业烟气治理场景提供了新的技术选项。对于正探索 ESP 升级改造、DeSOx/DeNOx 协同深度治理及多污染物一体化控制的国内企业而言，这一研究为“ESP+脉冲电晕+高频电源”的复合技术路径提供了重要的工程参考与设计样板。

未来，随着功率半导体耐压、电流能力与开关速度的进一步提升，配合更高性能、更低损耗的磁性材料，类似 RIP+多级磁压缩的拓扑有望在体积、效率以及成本上进一步优化，与现有 ESP 电源平台深度融合，从而推动脉冲电晕在燃煤电厂、钢铁、水泥、垃圾焚烧等领域，成为真正可规模化部署的烟气治理技术选项。

参考文献
[1] Swart PH, Strydom R. Low maintenance robust pulse power for pulsed corona NOx and SOx control. Proceedings of the 8th International Conference on Electrostatic Precipitation (ICESP 8), Birmingham, Alabama, 2001.
[2] Swart PH, Strydom R, van Dyk JM, Dhaver Young K, Hansen R, Beeslaar M. Mobile facility for on-line flue gas characterisation. Proceedings of the 9th International Conference on Electrostatic Precipitation (ICESP 9), Kruger Gate, South Africa, 2004.
[3] Swart PH. A new high-power inversion pulser topology employing reduced semiconductor ratings. Transactions of the South African Institute of Electrical Engineers. 1999;90(3):107-112.
[4] Smith RJ, Dorf RC. Circuits, Devices and Systems. New York: John Wiley & Sons; 1984.
[5] Swart PH. A study of critical aspects in the optimisation of pulsed electromagnetic energy processing. PhD dissertation. Rand Afrikaans University; 1991.

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