火电厂电除尘用高频高压电源的研究.pdf

现代电子技术 Modern Electronics Technique 2015年1月15日 第38卷第2期 Jan. 2015 Vol. 38 No.2 0引言 2012 年 1 月 1 日起实施的国家标准 GB13223⁃2011 火电厂大气污染物排放标准 的要求 2014年 7月 1日 起现有火力发电锅炉烟尘排放浓度≤30 mg/m3， 重点地 区≤20 mg/m3。火力发电厂在竞争日益激励的市场经 济条件下， 不仅要考虑产出， 也要考虑投入， 以尽量少的 资源投入和环境代价实现尽可能大的产出， 切实做到节 约发展、 清洁发展、 安全发展、 可持续发展。 采用高电压技术的电除尘器能有效脱除电厂排放 烟气中的灰尘， 具有除尘效率高、 损耗小的优点， 目前正 逐步得到广泛应用。电除尘器是机电一体化设备， 由电 气和机械结构体组成， 本文主要研究电气部分， 即高压 电源。为提高除尘效率， 除尘过程中会出现闪络现象， 需要电源能有较好的闪络特性及保护功能。高比电阻 粉尘会引起反电晕影响除尘效率， 因此除尘电源还需要 变占空比的脉冲供电方式。除尘电源往往放置于除尘 器顶部， 由于工作环境恶劣， 需要有较高的防护等级和 抗干扰特性， 并能长时间在高温环境下稳定运行。 1传统可控硅相控电源 可控硅相控电源如图 1所示， 采用可控硅相控整流 电路， 通过变压器升压然后整流成高压直流电， 这是比 较传统的静电除尘方式。 可控硅相控电源是目前国内外传统的电除尘供电 方式， 具有功率大、 结构简单的优点。但可控硅是半控 型器件， 动态响应慢， 闪络下火花放电或短路时难以快 速调整输出电压， 通常要关闭可控硅， 这样会导致可控 硅导通角的减小， 在火花放电较重的情况难以输出大功 率， 当电场中存在高比电阻粉尘时会产生反电晕现象， 这将导致除尘电场的火花增大， 导致输出功率的快速下 降[1]。可控硅相控电源输出会叠加 100 Hz的脉动电压， 电压的峰值为平均值的 1.3倍， 因此平均电压无法达到 击穿电压， 限制了输出电压的提高， 平均电压及电场强 火电厂电除尘用高频高压电源的研究 孙虹 1，华 伟 1，祁建民1，杨志超2，陈 强 2 （1.江苏方天电力技术有限公司，江苏 南京211102；2.南京工程学院 电力工程学院，江苏 南京211167） 摘要根据火电厂除尘高效节能的要求， 对应用于电除尘装置的高压电源进行研究。分别分析传统可控硅相控电源 和高频电源的工作机理和特点。重点对串联谐振高频电源进行了分析研究， 详细介绍了电路结构和工作原理， 给出了基于 M57962的驱动电路， 最后进行了实验分析验证。 关键词电除尘；高压电源；可控硅相控电源；串联谐振高频电源 中图分类号TN919⁃34；TM611文献标识码A文章编号1004⁃373X （2015） 02⁃0149⁃03 Research of high⁃frequency high⁃voltage power supply for electrostatic precipitator in thermal power plant SUN Hong1，HUA Wei1，QI Jian⁃min1，YANG Zhi⁃chao2，CHEN Qiang2 （1. Jiangsu Frontier Electric Technology Co.，Ltd，Nanjing 211102，China； 2. School of Electric Power Engineering，Nanjing Institute of Technology，Nanjing 211167，China） AbstactAccording to the efficient and energy saving requirements of dust precipitator in thermal power plant，high⁃vo⁃ ltage source used for electrostatic precipitator（ESP）is studied. The working principle and characteristics of traditional thyristor phase controlled power supply and high⁃frequency power supply are analyzed respectively. The series resonant high⁃frequency power supply is investigated emphatically. The circuit structure and working principle are expounded. The drive circuit based on M57962 is given in this paper. The results of experimental analysis and verification are offered. Keywordselectrostatic precipitation；high⁃voltage source；thyristor phase controlled power supply；series resonant high⁃ frequency power supply 收稿日期 2014⁃07⁃08 149149 现代电子技术 2015年第38卷 度的下降会导致除尘效率下降， 影响除尘效果， 而且工 频变压器体积较大且价格昂贵[2]。 图1可控硅相控电源电路原理图 2高频电源 随着全控型功率器件的发展， 尤其是高压大电流的 IGBT的快速发展， 电除尘器高频电源近年发展起来， 具 有优异性能的新一代的电除尘器供电装置。电除尘器 高频电源采用逆变方式， 可提供脉冲宽度为微秒级的电 流脉冲给电除尘器供电， 可增加粉尘的荷电效果， 有效 提高电除尘器除尘效率， 可减少烟尘排放4070， 并 且可减少电除尘器供电功率 5080， 甚至更高。其 特点为 高频电源可增大电晕功率， 提高粉尘荷电强度， 提高除尘效率； 高频电源的火花控制特性好， 因火花而 损失能量很小， 电场恢复快。高频电源的控制方式灵 活， 可根据电除尘器的工况提供最合适的电压波形； 高 频电源高效节能， 其本身电能转换效率高达 90以上， 自身损耗小； 高频电源的体积小、 重量轻， 可高度集成， 总重量只有工频电源的1 4； 高频电源安装更方便， 辅 助设备更少， 节省配电室空间、 电缆与安装费用； 高频电 源采用三相平衡电源， 对电网影响小， 无缺相损耗， 无电网污染 [3]。高频电源目前有2种形式， 一种是PWM 关高频电源； 一种是用串联谐振电路实现软开关的高频 电源， 本文介绍串联谐振高频电源。 2.1工作原理 PWM 高频电源为串联谐振高频电源具有损耗小、 频率较高、 耐冲击、 电磁兼容性较好的优点。串联谐振 高频电源是将 PWM 移相控制与谐振变换控制相结合， 通过两桥臂之间移相角的控制来调节输出电压， 通过恒 频控制实现功率开关管的零电压零电流软开关， 大大减 小了开关损耗和噪声干扰， 实现较高的开关频率， 并具 有类似恒流源的特性， 能有效抑制除尘电场火花的大电 流冲击， 并快速熄灭火花并恢复电场的能量。图2为串 联谐振高频电源电路原理图。 图 2 中， D1D6构成三相整流桥， Q1Q4组成全桥电 路， Cr为谐振电容与变压器分布电容折合到变压器原边 的等效电容， Lr为谐振电感与变压器漏感串联得到的等 效电感。整个电路的谐振频 fr 1 2π LrCr （1） 功率管的驱动信号如图3所示， Q1与Q2的驱动信号 相位相差 180， 中间有死区； Q3和 Q4之间相差也是 180， 中间有死区。只有在Q1、 Q4同时导通或Q2、 Q3同时 导通时， 逆变器桥才能通过变压器向副边传递能量。通 过改变移相角， 就可以改变 Q1、 Q4及 Q2、 Q3的导通时间， 通过调整这 2组驱动信号脉冲之间的相位移θ ， 就可以 改变输出功率。由于 Q3和 Q4相对于 Q1和 Q2先通断， 所 以Q3和Q4为为超前臂， Q1和Q2为滞后臂[4]。 图2串联谐振高频电源电路原理图 图3驱动信号及逆变桥输出电压 电路的工作过程 t0t1时段Q1和Q4导通， t0时刻开通 Q1， 实现Lr和Cr的谐振， 谐振电流Ir为正弦波； 150 第2期 孙虹， 等 火电厂电除尘用高频高压电源的研究 t1t2是超前臂关断过程， t1时刻关断Q4， 电容C4的电 压不能突变实现 Q4的零电压关断， t1至 t2时间段变压器 原边谐振电流通过C4进行充电达到电容C的电压VC， 同 时C3的电压从VC放电至零， 达到Q3的零电压导通条件； t2t3是续流阶段， t2时刻开通Q3， 原边谐振电流通过 Q1和Q3的体内二极管续流， t3时刻下降到零； t3t4是滞后臂的关断过程， 谐振电流保持为零， t3时 刻关断 Q1， 实现零电流关断， t4时刻开通 Q2， 实现零电流 开通； t4之后负半周开始， 分析和前面相同。 串联谐振高频电源仅通过高频变压器实现的电压 抬升是不足以满足电除尘的电压等级要求， 因此需要进 行整流电路的电压抬升。 图 4为变压器倍压整流电路， 整流电路所用二极管 一般为高压硅堆。 图4变压器倍压整流电路 2.2驱动电路 Q1Q4的采用厚膜集成电路 M57962 组成驱动电 路。M57962 内部结构如图 5 所示， 是由三菱公司生产 的一款驱动模块， 在内部集成了耐压高达 2 500 V的高 频光电耦合器， 并具有过流保护功能， 具有封闭性短路 保护功能。 图6为采用M57962的驱动电路。采用VCC1和 VCC2两 路电源， 实现负压关断， 提高了可靠性， 采用两个稳压 二极 D1和 D2反向串联， 实现对开通和关断电压的限 压。D3为稳压二极管， 改变IGBT的短路检测的CE极电 压阀值， 避免了出现严重过流导致 IGBT性能下降甚至 损坏。U2实现故障信号的隔离检测， 将故障信号送至控 制系统。G 极驱动电阻采用电阻并联结合二极管的结 构， 实现 IGBT 的快速导通和相对缓慢的关闭， 降低了 IGBT关断C极和E极之间电压尖峰， 增加栅极电阻会增 加功率管的开关损耗， 因此需要合理选取。 图5M57962内部结构图 图6采用M57962的驱动电路 3实验研究 根据本文原理设计了实验样机， 图7为逆变桥驱动 信号波形， VCC1为15 V电源， VCC2为9 V电源， 开关频率为 20 kHz。 图 8 为根据本文方案设计样机的原边谐振电流波 形， 从图中可看出波形和理论分析一致。 图7逆变桥驱动信号波形 （下转第157页） 151 现代电子技术 2015年第38卷 配置综合评估体系和方法， 通过该体系能够全面评估储 能规划的混合储能是否满足供电可靠性、 可再生能源利 用率、 经济性等方面的提高效果， 并以此为依据可提出 改善储能配置效果的方案策略， 为储能容量优化配置提 供量化标准， 指导储能容量配置的设计， 为混合储能建 设项目的优化提供科学依据， 提升储能容量安排合理 性， 规范分布式电源及微网建设项目投资管理， 减少盲 目投资及短期行为， 增强投资的全局观念， 提高电网公 司总体效益。 参考文献 [1] 郑漳华， 艾芊， 顾承红， 等.考虑环境因素的分布式发电多目标 优化配置[J].中国电机工程学报， 2009， 29 （13） 23⁃28. 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[11] 王伟， 毛安家， 张粒子， 等.暂态稳定分析中的风险评估方法 [J].现代电力， 2008， 25 （3） 18⁃23. 作者简介 杨毅 （1986） ， 女， 四川人， 硕士研究生。研究方向为新能源发电技术、 微网系统优化研究。 刘洁 （1988） ， 女， 河北人， 助理工程师， 本科。从事新能源及电网规划工作。 于建成 （1977） ， 男， 天津人， 高级工程师， 博士。从事智能电网等方面的研究工作。 􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂 （上接第151页） 4结论 本文对传统可控硅相控电源和串联谐振高频电源 的工作机理和优缺点进行了分析研究， 根据电除尘现场 工况的特殊要求， 串联谐振高频电源最为符合除尘电源 的性能要求。分析串联谐振高频电源的电路结构和工 作原理， 并给出实验波形。 图8变压器原边谐振电流波形 参考文献 [1] 朝泽云， 徐至新， 钟和清， 等.静电除尘用高压供电电源特性浅 析[J].高电压技术， 2006， 32 （2） 81⁃83. [2] 姜雨泽， 韩乃民， 王新美.燃煤电厂电除尘采用高频电源供电 的实验研究[J].环境工程学报， 2010 （9） 2069⁃2072. [3] 谢小杰.一种串联谐振高频高压电源设计[J].电力电子技术， 2007， 41 （9） 79⁃81. [4] 袁湘辉， 徐国林， 张颖辉， 等. 地波雷达前置放大器电源研制 [J].现代雷达， 2011， 23 （5） 82⁃84. [5] 郑晅.基于 PLC的火电厂烟气脱硫控制系统研究与设计[J].现 代电子技术， 2009， 32 （19） 173⁃175. [6] 沈冬辉， 沈锦飞， 周克冬， 等.基于分时⁃相位控制串联谐振逆变 器的研究[J].现代电子技术， 2009， 32 （18） 205⁃207. [7] 邱正伟， 沈锦飞， 沈东辉， 等.基于 CPLD的脉冲密度功率调节 高频逆变电源[J].现代电子技术， 2009， 32 （18） 198⁃200. [8] 潘敏.48 kW 大功率高频开关电源的研制[J].现代电子技术， 2010， 33 （2） 188⁃190. [9] 杨炜， 曾庆军， 陈峰.模糊控制在静电除尘高频高压电源中的 应用研究[J].电子设计工程， 2014 （2） 108⁃110. 作者简介 孙虹 （1971） ， 男， 江苏泰兴人， 硕士， 高级工程师。研究方向为电力环保及节能减排。 157