大功率高頻高壓ESP電源及其監(jiān)控系統(tǒng)的研究.pdf

1、節(jié)能、增效、減排已成為時代發(fā)展的主題。在控制煙氣顆粒污染物排放方面,靜電除塵器依其獨特的優(yōu)勢被廣泛應用。目前我國火力發(fā)電廠的靜電除塵電源幾乎100％采用工頻電源供電。相比高頻靜電除塵電源,它存在除塵效率低(需要四級電場依次除塵),能耗大(靜電除塵電源用電量,占火電廠廠用電量的5％左右)等缺點。而高頻靜電除塵電源可以提供幾乎平直的電暈電壓和快速響應時間。據(jù)試驗,當采用高頻靜電除塵電源時,只要采用一級電場進行除塵,即能滿足當前煙氣顆粒污染物

2、排放標準的要求。而且高頻靜電除塵電源相比工頻靜電除塵電源節(jié)能20％。因此高頻靜電除塵電源具有廣泛的應用前景,并且受到研究人員的普遍關(guān)注。
　　 本文圍繞研制高效節(jié)能的高頻靜電除塵電源系統(tǒng)展開工作。一個完整的高頻靜電除塵電源系統(tǒng)包括大功率(60kW)高頻(20kHz)高壓(52kV)變壓器、大功率逆變器、靜電除塵控制器和后臺監(jiān)控系統(tǒng)。
　　 大功率高頻高壓變壓器不同于常規(guī)低壓開關(guān)電源變壓器、高壓脈沖變壓器和工頻高壓變壓器。

3、首先,分析了高頻變壓器的特點,建立了高頻變壓器的等效電路,針對電力電子電路的不同側(cè)重點,得出高頻高壓變壓器等效電路的分類方法,即時間響應特性等效電路和能量傳輸特性等效電路。給出了高頻高壓變壓器鐵芯材料的選擇依據(jù),并選定超微晶(納米晶)磁性材料作為本變壓器的鐵芯材料。其次,針對磁性材料生產(chǎn)廠家給出的產(chǎn)品參數(shù)都是在正弦勵磁和特定形狀樣品條件下測量所得數(shù)據(jù)的現(xiàn)狀,搭建了試驗平臺,進行了在方波電壓勵磁和預采用鐵芯形狀樣品條件下的超微晶磁芯特性試

4、驗,得出超微晶(納米晶)鐵芯特性除受生產(chǎn)環(huán)境因素影響很大外,還與勵磁電壓波形和鐵芯形狀尺寸有關(guān)。再次,針對大功率高頻高壓變壓器的特點,提出一種基于變壓器絕緣結(jié)構(gòu)的大功率高頻高壓變壓器的優(yōu)化設計方法。該方法對高頻特性(集膚效應和鄰近效應)、高壓特性(絕緣結(jié)構(gòu))、鐵芯形狀和尺寸、散熱特性和最優(yōu)效率等進行了綜合優(yōu)化。最后,研制了本電源系統(tǒng)所采用的靜電除塵電源變壓器,基本數(shù)據(jù)為:輸入電壓510 V,輸出電壓為52 kV,輸出功率為60 kW,工

5、作頻率20kHz,效率96％,鐵芯材料為超微晶鐵芯。
　　 一般情況下提高變壓器的工作頻率可以增加變壓器的功率密度。但在生產(chǎn)實踐中發(fā)現(xiàn)常規(guī)結(jié)構(gòu)大功率高頻高壓變壓器的體積沒有按預計比例縮小。通過分析導致常規(guī)高頻高壓變壓器功率密度不高的因素,提出一類新型變壓器:基于平面鐵芯和串級變壓器技術(shù)的變壓器。該類變壓器有效解決了“高頻促使變壓器體積減小”和“高壓導致變壓器體積增大”之間的矛盾。依據(jù)所提出的新型變壓器原理,首先設計了基于平面鐵芯

6、和繞線繞組的變壓器,該變壓器改進了變壓器內(nèi)導體的電位分布,提高了變壓器的功率密度。其次,設計了基于平面鐵芯和ML-PCB(多層印制電路板)繞組的變壓器,該變壓器使繞組布線更加靈活、精準,提高了變壓器批量生產(chǎn)時其分布參數(shù)的一致性。最后,給出此類變壓器的多種結(jié)構(gòu)拓撲及其變化規(guī)律。由于時間因為此類變壓器只進行了模型研制和試驗。
　　 常規(guī)結(jié)構(gòu)的大功率高頻高壓變壓器由于其匝比很大(>100)而存在嚴重的分布參數(shù)問題。通過計算和實驗驗證,

7、發(fā)現(xiàn)該變壓器入口特性為容性?；诖税l(fā)現(xiàn),提出在變壓器原邊串聯(lián)一個較小電感來補償變壓器分布電容的處理方法,并研制了相應的DC-AC-DC變換器。首先,分析了該變換器的工作原理,并給出了設計要點。其次,通過分析靜電除塵負載的運行規(guī)律,得出靜電除塵器的工作特性曲線族和不同運行區(qū),給出不同工作區(qū)的判據(jù)。根據(jù)判據(jù)并以振打周期為控制間隔,提出基于數(shù)據(jù)檢索的自學習控制策略。以DSP控制芯片為核心研制了靜電除塵控制器的軟硬件部分。再次,針對大功率高頻高

8、壓等工況特點,提出了組合電容均壓方法和增強耐壓特性的PCB板結(jié)構(gòu),優(yōu)化設計了硅離子的空間布置,設計了高壓高頻整流橋。最后,根據(jù)靜電除塵負載的特性,搭建了模擬負載。通過運行試驗證實該變換器不但補償并利用了變壓器固有的分布電容,而且具有軟開關(guān)特性、良好的全功率輸出能力、靜電除塵火花閃絡限流能力和脈沖供電特性,這些特性表明基于變壓器分布電容補償方法的變換器特別適合于靜電除塵電源應用且性能優(yōu)良。
　　 靜電除塵電源的工作機制是大功率高壓

9、功率流的高頻切換,輸出電壓是50kV,采樣和調(diào)理信號是3～5V,并且伴隨工作過程電火花和電弧現(xiàn)象頻繁發(fā)生,因此靜電除塵電源的電磁干擾嚴重。針對此情況,從干擾源、傳播路徑和被干擾體三者為切入點進行了電磁兼容性方面的設計,實驗表明有效的抑制了相互之間的電磁干擾。
　　 在靜電除塵電源監(jiān)控系統(tǒng)中,通信協(xié)議采用國際標準變電站通信協(xié)議IEC60870-5-103,提出了基于EFSM(擴展有限狀態(tài)機)的變電站通信協(xié)議一致性模型的描述方法?；?/p>