（电力电子与电力传动专业论文）烟气脱硫脱硝大容量高频高压电源及控制系统的研究.pdf

a bs t r a c t a b s t r a c t ：1 1 1 eh i 曲e n e r g ye l e c t r o n s ( 5 2 0 e v ) ，p r o d u c e db yh i g h v o l t a g e p u l s e d c o r o n ad i s c h a r g e ，i n e l a s t i c a l l yc o l l i d e 贼mn e u t r a lg a sm o l e c u l e s ( 0 2a n dn 2 ，e t c ) a n dg e n e r a t es o m ea c t i v er a d i c a l sw i t hs t r o n go x i d i z a b i l i t y ( o ，o h ，h 0 2 ，0 3 ，e t c ) t h e s er a d i c a l sr e a c tw i t hs 0 2a n dn o x f i n a l l y , ( n h 4 ) 2 s 0 4a n dn h 4 n 0 3a r ep r o d u c e d b yt h ec h e m i c a lr e a c t i o nw 也n h 3 弧em e t h o da b o v ei sp u l s e d c o r o n ad i s c h a r g ef g d 。 t h ec u r r e n tp o w e rs u p p l yf o rc o r o n a - d i s c h a r g i n gf g dc o u l do n l yb eu s e di nt h e l a b o r a t o r yr a t h e rt h a nb ea p p l i e di nt h ei n d u s t r y c o n s e q u e n t l y , an o v e l ，h i g h - f r e q u e n c y a n d h i i g h v o l t a g ea c + d cp o w e rs u p p l yi sd e s i g n e d t h ep r i n c i p l eo ft h ea ca n dd cp o w e rs o u r c ei sd e s c r i b e di n d e t a i l s e r i e s r e s o n a n c ei nt h ec i r c u i ti sa n a l y z e d t h ea cp o w e rs u p p l ya d o p t st h em o d eo fs e r i e s l o a da n ds e r i e sr e s o n a n c e t h ed cp o w e rs u p p l ya d o p t st h em o d eo fp a r a l l e ll o a da n d s e r i e sr e s o n a n c e s e r i e sr e s o n a n c ea n dt r a n s f o r m e ra r eb o t ha d o p t e dt oi n c r e a s et h e v o l t a g ec l a s so nr e a e t o lf i n a l l y , t h ev o l t a g er i s i n gr a t eo f a cp o w e rs o u r c ei sg r e a t e r t h a n2 0 0 w u s 1 1 1 ea m p l i t u d eo ft h ed cp o w e rs o u r c ei su pt o4 0 k v t h ep a r a m e t e r s u s e di nt h ee x p e r i m e n t sa r ec a l c u l a t e d i no r d e rt oi n c r e a s et h ef r e q u e n c yo ft h ea cp o w e rs o u r c e ，t h ep h a s e - s h i f t e d f u l l - b r i d g ec o n t r o ls t r a t e g ya i m i n g a ti n d u c t a n c el o a di s a d o p t e d t 1 1 el o s s o f s o f t - s w i t c h i n ga n dh a r d - s w i t c h i n g a r e c o m p a r e dt h r o u g ha n a l y s i s ，s i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t 。s o f t - s w i t c h i n gh e l p st oi m p r o v es w i t c h i n gf r e q u e n c y t h ep o w e rc o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e d t w od i g i t a l p i dc o n t r o l l e r sc a nc o n t r o l a m p l i t u d e so fd ca n da c a tt h es a m et i m e 1 1 1 ei n t e r f a c ew i t hl c da n dk e y sf a c i l i t a t e s u s e r s o p e r a t i o n s 。 强ea c + d cp o w e rs u p p l yp r o d u c e se f f e c t i v ea n ds t e a d ys t r e a m e ra tab r o a dr a n g e 。 a cm a k e st h ed i s c h a r g es t r o n g e ra n di n c r e a s e st h ee n e r g yd e n s i t ya n df r e er a d i c a l q u a n t i t yi n t h er e a c t o r d cs p r e a d sc a t i o na n df r e er a d i c a lt oab r o a dr a n g ea n d i n c r e a s e st h ec h a n c eo fd e s 0 2a n dd e n o xr e a c t i o n + t h ee m ic o n d i t i o no ft h es y s t e mi sa n a l y z e d g r o u n d i n g ，s h i e l d ，i s o l a t i o na r e a d o p t e dt oi m p r o v e t h ee m co ft h ef g d s y s t e m k e y w o r d s ：c o r o n ad i s c h a r g e ；a c & d cp o w e r s u p p l y , s e r i e sr e s o n a n c e ； p h a s e - s h i f t e df u l l - b r i d g ec o n t r o l ；p i dc o n t r o l c l a s s n 0 ：t m 8 3 2 ；t n 7 5 1 2 ：t p 2 1 4 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或翔描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阕。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：五、夸再 签字墨j 胡：易芳年月乡日、 导师签名： 签字日期：年月酲 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其健教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 签字日期：年月口 致谢 本论文的工作是在我的导师姜学东副教授的悉心指导下完成的，姜学东教授 严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年 来姜学东老师对我的关心和指导。 实验室的邱瑞昌副教授和胡小吐高工悉心指导我们完成了实验室的科研工 作，在学习上和生活上都给予了我很大的关心和帮助，在此向两位老师表示衷心 的谢意。 在p c b 制作及实验操作过程中，荆龙博士给与了悉心的指导，在此，非常感 谢他，也祝愿他能够顺利通过博士论文答辩。在实验室工作及撰写论文期间，郭 勇、赵辉、林廷亭、丁玺林等同学对我论文中的课题研究工作和论文撰写给予了 热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 第一章绪论 1 1 课题研究背景 近年来，我国电力工业在持续、快速中发展，截至2 0 0 5 年底，全国发电量达 到2 4 7 5 万亿k w h ，发电装机容量达到5 0 8 4 亿k w 。其中火电发电量2 0 1 8 万亿 k w h ，约占全部发电量的8 1 5 ，火电装机容量达3 8 4 1 亿k w ，占总容量的7 5 6 。 根据我圜能源结构的状况，我国电源结构在相当长的时期内，直到2 0 2 0 年都将以 煤电为主【1 1 。根据已有的资料和研究成果分析，预计2 0 2 0 年全国发电量为4 3 万 亿k w h ，煤电为3 万亿k w h ，占7 0 ；相应的装机容量为9 5 亿k w 左右，煤电 占6 3 1 ，为6 亿k w 。这些发电量须耗原煤约1 4 亿吨【珏。 环境和能源问题一直是制约我国乃至世界经济发展的瓶颈。我国大气污染 9 0 来源于重化工业，其中7 0 来自于火电。中囡的能源结构8 5 是燃煤结构， 2 0 0 6 年煤炭消耗超过2 碡亿吨，预计2 0 1 0 年超过3 0 亿吨。这些煤电火电厂9 5 没 有安装脱硫装置，中隔二氧化硫( s 0 2 ) 的环境容量为1 2 0 0 万吨，年，而2 0 0 5 年s 0 2 的排放达2 5 4 9 万吨，达到历史最高。不但未能实现“十五计划全国削减1 0 ， 两控区削减2 0 的规划控制目标，瓤且在2 0 0 0 年排放总量基础上增加3 4 4 。由 此产生的酸南面积达到国土面积的l 绍，预计2 0 1 0 年超3 2 0 0 万吨，2 0 2 0 年超3 5 0 0 万吨，酸雨面积不断扩大【2 】。据国家环保总局的资料显示，电厂脱硫技术及成套设 备制造在近2 0 年里，每年只要有5 的燃煤电厂进行脱硫脱硝治理工程，就能形 成年产傻六十亿元以主的产业需求。因此，生产适合中国国情的工业锅炉脱硫脱 硝设备舆有广阔的市场。 我国火电厂烟气脱硫( f l u eg a sd e s u l f u r i z a t i o n ，缩写f g d ) 技术最早始于上 世纪六十年代初，进入七十年代后，先后开展了l o 多项不同规模、不同工艺的试 验研究，取得了一些除段性研究成果，积累了宝贵的经验。近十年来，随着我国 经济实力的逐步增加和环境标准的渐趋严格，我囡火电厂治理s 0 2 污染的力度不 断加大先后建立了一批烟气脱硫脱硝试验项目和示范工程。2 0 0 2 年前后，我国已 基本完成了火电厂脱硫脱硝技术的孳| 进、消纯、示范的工作，2 0 0 3 - - 2 0 0 5 年火电 厂脱硫脱硝设施进入快速发展阶段，逐步建立了一支脱硫脱硝工程建设的专业队 伍，为我国大规模建设火电厂脱硫脱硝工程奠定了基础【3 1 。 但从脱硫脱硝技术的发展上看，目前我国大型火电厂机组上所采用的烟气脱 硫脱硝王艺技术都是从国外零| 进的，缺乏拥有自主知识产权的烟气脱硫脱硝工艺 技术。而拥有原创性自主知识产权的自行开发的脱硫脱硝技术，往往受各种条件 的限制，难以在实际工程中得到应用。由此可见，开发适合我国国情，有自主知 识产权的脱硫脱硝技术，已迫在眉睫。 1 2 等离子体一氨法烟气脱硫脱硝技术的比较 近年来研究和开发的烟气同时脱硫脱硝技术分为干法和湿法两种。( 1 ) 湿法 主要有石灰一石膏法、吸收还原法和氧化一吸收一还原法等，其主要优点是烟气 中的粉尘对处理过程的影响较小，脱硫脱硝效率较高；缺点主要在于n o x 在水中溶 解度较低致使处理成本较高，净化气体排放前需要加热。( 2 ) 干法主要有氨选择性 催化还原n o x 活性炭吸附s 0 2 法、氨选择性催化还原n o x c u o 吸附s 0 2 法、电子束 辐射氨法、电子束喷雾干燥法和脉冲电晕氨法等，主要优点是投资较低，流程比 较简单；通常无废弃物处理，不会对环境造成二次污染。 目前世界上比较先进的烟气脱硫脱硝方法的典型代表是湿式石灰一石膏氨催 化还原法、电子束氨法、脉冲电晕氨法，其中后两种称为等离子体一氨法。这里 主要对这两种方法进行比较。 1 2 1 电子束氨法烟气脱硫脱硝技术 6 专薹耋 图卜l 电子束脱硫脱硝的主要反应途径 f i g u r el - 1m a i nr e a c t i o n so fe l e c t r o nb e a md e s u l p h u r i z a t i o na n dd e n i t r i d a t i o n 2 电子束法有以下优点：脱硫脱硝同时进行，脱除效率较高，工业上已证明可同 对实现9 5 以上的二氧纯硫和7 0 的氮氧纯合物脱除率指标；王艺流程简单，操作 容易；干式方法，无排水和废渣的二次污染；处理过程中不用触媒，粉尘影响很 小，且无老化、结垢、阻塞、腐蚀等问题；干式方法，不影响原系统的热效率， 烟气可不毖篝加热郎从烟囱排放；添加氨后，生藏物可作肥料蠢收综合利愿：设 备占地面积小，建造费比常规方法低；对锅炉运行无不良影响，能适应锅炉负荷 的变化，对锅炉热效率无影响。 电子柬法的关键设备是能长期稳定运行的大功率电子枪，大容量的电子加速 器造价昂贵，技术要求高，且其功率难以满足应耀中工业烟气量的需要；电子加 速器产生电子束的同时也产生x 射线，工业应用时必须建造混凝土防辐射装置来保 护人的安全：电子束能量很大一部分损失在离子的碰撞上( 离子的热运动对形成 有脱硫脱硝作用豹活性自由基不起佟焉) ，放其电能的消耗较大，大约为电厂所发 出电能的3 。因此，电子束法运行成本较高。 1 2 2 脉冲放电等离子体烟气脱硫脱硝技术 脉冲放电等离子体烟气脱硫脱硝技术( 简称脉冲电晕法) 起源于电子柬法。 1 9 8 1 年，m a s u d a 等实验研究施加外电场来进一步提高电子能量以达到提高电子束 法脱硫脱磷效率的基的。实验发现豢关掉电子寨时，在流光电晕放电下，脉冲电 场对脱硫脱硝仍很有效。随后便提出了用高压脉冲电源代替电子束加速器产生等 离子体的脉冲电晕法，并进行了大量的基础研究【6 1 。 脉冲电晕法的最大优点就是能超到电子束法同样的作用丽又克服了电子束法 的缺点，它省掉了大功率、需长期稳定工作的昂贵电子枪，避免了电子枪寿命和x 射线屏蔽问题，而且具有以下优点：具有用简便的方法集烟气脱硫脱硝和除尘为 一体的潜力，可在发电厂现有的静电除尘设备基础上进一步改造发展而成，投资 较小；产生的最终产物易于处理君获得回收利用，避免了废液、废渣等二次污染 问题。是目前最具有良好应用前景和国内外广泛关注的技术。 在下一节中，将对脉冲电晕法中流光放电的机理和所采用电源的特点进行详 细的分析和论述，说明了流光放电脱硫脱磷的基本原理。 1 3 脉冲电晕法脱硫脱硝技术介绍 1 3 1 脉冲电晕法脱硫脱硝原理 3 脉冲电晕放电等离子体烟气脱硫脱硝法的原理是：给反应器放电极加上几万 伏n 8 级的脉冲电压，产生5 2 0 e v 的高能电子，而离子仍处于与气体平衡的状态， 高能电子与中性分子碰撞，产生o 、o h 、h 0 2 和0 3 等，这些活性物质引发的反应， 在有氨加入的条件下，将s 0 2 、n o x 转化为硫铵和硝铵气溶胶颗粒，副产物经过 回收制成农肥。主要反应过程如下【7 ，8 】： ( 1 ) 自由基的生成： n 2 ，0 2 ，h 2 0 + e 。专o h 3 ，0 3 ，h 0 2 3 ，n 3 ( 2 ) s 0 2 氧化生成h 2 s 0 4 ： s 0 2 q s 0 3 生q j h 2 s 0 4 ；s 0 3 2 坚j h s 0 3 3 型j h 2 s 0 4 ( 3 ) n o x 化合物氧化成硝酸： n o 鸟n o ，屿h n 0 1 ；n o 屿n o ，+ o h 3 鸟h n 0 1 ； n 0 2 + o h 3h n 0 3 ( 4 ) 酸与氨反应生成硫酸铵和硝酸铵： h 2 s 0 4 + 2 n h 3 专( n h 4 ) 2 s 0 4 ；h n 0 3 + n h 3 专n h 3 n 0 3 流光电晕( c o r o n a ) 产生的高能电子是脱硫脱硝的根源。用于脱硫脱硝等化 学效应的气体放电通常是正极性的脉冲流光电晕放电。而其它气体放电模式，如 辉光放电，贯穿电极间的火花放电的化学效果非常微小。 图1 - 2 示出一个有一定曲率半径的电极尖端，当正脉冲电压施加到放电极上， 在尖端附近建立电场，其方向向外。由于空气中总是存在少量自由电子，当外电 场强度足够强时，电场使之向正极加速并获得足够的能量，撞击中性分子，使之 电离为正离子和自由电子，如此的碰撞电离反复发展成电子主雪崩，在正极放电 尖端附近生成大量的电子和正离子。由于电子的质量远小于正离子，所以质量轻 的电子受正电极吸引很快移入正极，会在正极尖端附近留下一团质量相对较重的 正离子。这些正离子在图卜2 所示正极右侧产生强电场e ，e 使得外电场加强，又 加速右方的自由电子，如此循环使放电向负极发展。同时，主雪崩的电离气体发 射出大量光子，这些光子在附近的气体中导致光电离，产生光电子，这些光电子 又进一步构成了次雪崩，次雪崩头部的电子进入主雪崩的空间正电荷，与之汇合 成一个正负带电粒子的混合通道，称作流光通道，和前端的正离子团( 称作流注 头或流光头) 合在一起叫流注或流光( s t r e a m e r ) 。流光从流光头的发生到流光头 发展到负极表面的过程叫一次流光或初级流光；流光头到达负极后，通过流光通 道导通的放电称作二次流光或次级流光。 4 + 一十一+ - + + 一十。+ + + - + - + - + + + + 。+ + + + + 。+ 流光通道 ( b ) f i g u r ei - 2s k e t c hm a po f s 拉e a m e rd i s c h a r g e 在流光发展过程中，流光头表面的强电场引发电子雪崩，流光头激发的商能电 子能量可达l o 1 2 e v ，足以激发h 2 0 和0 2 等引发电子雪崩。两次级流光所产生 的电子毙量只有l - - - 2 e v ，对化学反应的贡献很小，为了提高能量剩震率，通常采 用足够窄的脉宽以限制流光通道次级流光电流的消耗，脉冲电源流光电晕的研究 就是基于这个理念。因此，就要在流光头到达负极之前，即一次流光完毕时，使 外加电压降为零，以省去次级流光放电对能量的无益损耗。 1 3 2 脉冲电晕法供电电源介绍 基予上述流光产生原理，即有效产生一次流光的放电模式的方法之一是采用 高压窄脉冲电源供电。因此，几十年来对电源的研究主要集中在缩短脉冲前沿上。 升时间、减少脉冲宽度和增大脉冲功率及延长使用寿命等方面。 纳秽级旋转火花隙式高压脉冲电源是由m a s u d e 等翻予2 0 世纪? 0 年代末提出 的，之后又得到了新的改进，改进羼的电源效率比以前提高了3 0 ，且脉冲电压波 形得到了改善：前沿上升时间小于l o o n s ，脉宽1 0 0 , - 一1 0 0 0 n s 。在“九五期间， 大连理工大学采用了一种旋转火花隙开关脉冲电源，最大功率可达1 5 k w 。2 0 世 纪9 0 年代后期，出现了磁压缩单脉冲高压电源和闸流管式脉冲电源。磁压缩单脉 冲高压电源的脉冲前沿上升时间小于5 0 n s ，脉冲宽度小于5 0 0 n s ；闸流管式脉冲 电源的脉冲上升前沿时间小于5 0 n s ，脉冲宽度小于1 6 0 n s ；中国工程物理研究院 采用阑流管代替火花阆隙，采用脉冲形成电容和磁压缩式开关输出高压脉冲，电 压峰值达1 0 0 1 5 0 k v ，脉冲前沿上升时间小于5 0 n s ，脉冲宽度2 0 0 5 0 0 n s 。以下 分别介绍这两类电路的工作原理。 5 一一负极 e卜蛱+十+，列燃 e毒咽 h 制，子爷+、|辩两 h强一嗡) 蓝 1 3 2 1 旋转火花隙电源 旋转火花隙电路如图卜3 所示【9 1 ，t ：工频高压变压器；c ：充电电容器；c p ： 脉冲形成电容器；s p ：旋转火花隙开关。s p 接通前，电网电能通过工频变压器升 压，再经高压硅堆整流为c p 充电，充至最大值时，接通s p ，c p 对反应器放电；当 c p 上的电压大于反应器的起晕电压时，反应器内形成电晕放电；当s p 断开以后， 反应器自身继续放电，直至反应器两端电压低于起晕电压。 图卜3 旋转火花隙电源原理图 f i g u r e1 - 3d i a g r a mo f t h es p a r kg a pp o w e rs u p p l y 火花隙开关是通用的高压开关系列。由陶瓷加压密封，通常具有从几千安培 到几十千安培的峰值电流，几十纳秒的延迟时间，5 - - 一3 0 n h 的电感，典型的脉冲 宽度为l o o n s - - 一数十u s 。火花隙的典型应用为短路能量存储元件，使能量快速的泻 放到负载上。 由于普通的火花间隙开关具有成本低、制造简单的特点，且基本上满足了脱 硫脱硝小试验装置研究的要求，因此在脉冲电晕脱硫脱硝技术的初始阶段，首先 考虑的就是火花间隙开关电源。该脉冲电源的缺点是：电极容易烧蚀；不能长期 连续工作，噪音大，电磁兼容性能差；放电会产生n o x ，产生二次污染；由于火 花开关的限制，不能制造大功率的脉冲电源，最大功率可达到1 0 - 2 0 k w ，只能满 足1 0 0 0 3 0 0 0 n m 3 h 规模的烟气处理要求。 1 3 2 2 氨闸流管与磁开关结合的脉冲电源 图卜4 磁开关脉冲电源原理图 f i g u r e1 - 4d i a g r a mo f p u l s ep o w e rs u p p l y 、加t hm a g n e t i cs w i t c h 6 锐化磁开关高压脉冲电源的原理图如图1 - 4 所示【1 0 】，s l 、s 2 为闸流管，c o 、 c l 为储麓电容，p f l 为脉冲形成线，e 为脉冲变压器，s m 必磁开关。该电源可以 分为四个部分，分别为谐振充电系统、高压脉冲形成系统，磁锐化系统和控制检 测系统。高压脉冲电源的工作原理如下： 首先，高压直流毫源为储能电容岛充电，娄q 的电压达到其工作电压值时， 由检测系统反馈回一个信号给控制系统，控制系统令s l 导通，使c o 给中间储能电 容器c l 充电，充电电流须满足磁开关的复位需要。当c l 达到最高电压后，闸流管 s l 关断，s 2 导通，使c l 通过升压脉冲变压器为一个脉冲形成线馈电，脉冲形成线 p f l 到达峰值电压后，p f l 后接的磁开关s m 电感饱和，磁开关管由开路状态跳变 为闭合状态，使脉冲形成线输出一个脉冲电压加在负载上。经过一段时间延时后， 又重复上述过程，达到所要求的重复频率。 磁开关实质上是蠢饕线性可饱和电感器和复往线路等组成麓阻抗变换系统。 由w s m e l v i l l e 首先提出。其基本原理是利用铁磁材料饱和时，其饱和磁导率较铁 磁材料未饱和时的磁导率小数个数量级这一特性。由于磁开关实际上是一个带铁 芯的可饱和电感器，因此它具有极高的可靠性。 鼙前，平均电流未1 0 k w 的脉冲电源已研制成功，脉冲电源的重复频率为 2 0 0 h z ，输出脉冲电压幅值超过1 0 0 k v ，脉冲前沿上升时间小于5 0 n s ，脉冲宽度为 几百纳秒，能量传输效率可大于7 0 。现正在研制平均功率为1 0 0 k w 的脉冲电源。 由中国工程物理研究院研制的氢阕流管和磁开关褶结合的脉冲电源，平均输 出可以达到1 0 0 k w ，能量转换效率大于7 0 ，但也存在以下几个问题：能量转换 效率低，运行不稳定；该电源中使用了氢闸流管( s l 、s 2 ) 作为前级放电开关，但 其使用寿命一般难以超过1 0 0 0 小时，因此研制寿命更长的前级开关是当前的首要 任务，也是该技术走向工业应用的前提。 1 3 2 。3 交直流叠加电源应用前景 以上两种电源采爝电容做爻初级储能元件，寿命短，不适合连续稳定的发生 高压脉冲；而且，这类电源的开关要承受上万伏的高电压，且开关频率高，技术 难度大，应用于工程中的寿命不长，难以推广；并且由于脱硫系统中的反应器的 电气特性呈电容性，因我存在裁量反射，更加大了开关器俘的癍力。因此，要实 现大功率、高可靠性的高压窄脉冲电源难度较大。 y a n 等 1 1 , 1 2 】发现，在直流电压上叠加上升率大于2 0 0 v u s 、峰值大于l k v 的各 种波形的交流电压，都会使放电转化为流光放电模式，称之为交直流叠加电源。 基于这一思想，本课题研究在一定的基础高压直流电源上叠加高频高压交流电源 7 的模式为反应器供电。交直流叠加电源较窄脉冲电源容易实现，并且交直流叠加 电源可以产生稳定的预击穿流光，成本相对较低，寿命长，因此该电源脱硫脱硝 应用中有一定的优势，为今后废气脱硫脱硝的工业化应用奠定了坚实的基础。 1 4 论文的主要内容 第一章为本文的绪论部分，介绍了课题的研究背景，并对目前较为盛行的几 种脱硫技术的特点进行阐述。重点说明了脉冲电晕法脱硫脱硝技术的原理及所采 用电源的技术要求。 第二章介绍了本课题中所脱硫脱硝系统所采用的交直流叠加电源的工作原 理，对电路中的各元器件的功能进行了分析，着重介绍了在交流电源、直流电源 中的谐振原理。最后，对电源中的主要参数进行计算，为以后的仿真及实验部分 做下铺垫。 第三章主要为交直流叠加电源中的交流部分的阐述。针对单相全桥逆变电路， 分别在感性、容性的谐振条件下，对电路开关器件的软、硬开关情况进行具体分 析。为了消除感性条件下开关器件大电流关断的危害，采用全桥移相软开关技术， 并通过仿真比较了两者的优缺点。 第四章是控制电路部分，为了实现对交、直流电压幅值的控制，控制电路以 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 为处理器，两路增量式数字p i d 为控制核心，对电源的幅值进行 调节。并以按键、液晶显示做为人机界面，方便用户的使用。该章节介绍了控制 板的硬件系统，包括c p u 的最小系统、电压电流检测电路、液晶键盘电路以及控 制板内部的隔离设计。并详细阐述了数字p i d 的原理及软件实现。 第五章简单介绍了脱硫脱硝系统的电磁干扰情况，并通过接地、隔离、屏蔽 等措施优化系统的电磁兼容性能，确保系统的安全可靠运行。同时，也介绍了作 者在p c b 制图中的一些心得。 第六章为实验部分，分析比较了不同谐振状态下电压电流波形；交流电源工 作于软硬开关下的实验波形；以及负载发生放电时的波形，等等，通过实验验证 理论分析。 第七章对本文进行了全面的总结，指出了已完成的内容及有待进一步提高的 方面。 第二章交直流叠加电源工作原理 2 1 交直流叠加电源整体介绍 基予国痰外现有的脉冲宅源的研究，本课题在推进脉冲电晕脱硫脱硝技术的 工业应用，探索电源实用化方面，认识到在高压直流基压上叠加高频高压的交流 电压能够产生稳定有效的流光电晕。 高频高压交直流叠加电源电路示意圈知匿2 - 1 。 电源主要由高压鱼流电路、高频高压交流电路和交直流耦合电路构成。交、 直流两部分均采用谐振的工作方式。在电路结构上，直流电路相对于交流电源而 言，仅在高压变压器的输出端增加了高频高压硅堆整流电路。 l 1 1 ：i 交 y r n l1 l 1 。 i 厂j 壹 交 电 路 一一。一一一 交流电路 ； l 2 r 交 i 逡 l 交 电 l路 节l 、q ：高频交瓤器；l l ：变珏器弧i c 瀑惑；l 2 ：变箍器瓢c 潺感及癸麴谐振耄感之鞫； l s f ：黼交电感；c s f ：隔矗电容；c p ：反趣器等效电容；r p ：反应器等效毫蔽；l s ：抗短路电感； 图2 - 1 交直流叠加电路原理圈 f i g u r e2 - 1d i a g r a mo f a c + d cp o w e rs o u r c e 左侧虚线框内是麓压直流电路，电裾电压经过交一直一交电路得到幅值、频 率可控的方波电压，经高频变压器t l 升压后，进行不控的高雁硅堆整流，最终在 反应器c p 上得到上万伏的基础直流电压，直流高压可以提高系统的功率注入量， 从瑟提高装置的烟气脱硫率。 右侧虚线框内为高压高频交流电路，交一宣一交电路产生的高频低压方波通 过变压器t 2 进行升压，同时利用外加谐振电感b 与容性反应器c p 之间的串联谐 振作用，在反应器c p 上呈现出高压高频的交流电压。 中闻虚线框内力交直流耦合电路，灰色瞬影部分为反应器等效电路。l s 为限 流电感，避免反应器c p 发生火花放电时产生的短路电流损坏器件。交流电路、直 流电路同时作用于反应器，从而在c p 上得到交直流叠加的电压波形。l s f 和c s f 为避免交、直流电路之闻的相互干扰丽存在。 电路采用串联谐振升高交、直流电压。如果利用变压器直接升压达到流光放 9 电所需要的电压幅值，变压器的匝比将会很高，且当变压器副边的反应器火花放 电短路时，变压器原边电路的电流将会很大，很容易对开关管造成破坏，电路的 可靠性将会大大降低，成本提高。谐振升压可使变压器变比减为原来的十分之一 左右，串联谐振电感还可以在负载短路时，起到限制原边短路电流大小的功能， 可以大大提高电路工作的可靠性【1 3 , 1 4 】。 2 2 高压直流电源工作原理 2 2 1 高压直流电源的主电路结构 直流电源的主电路结构如图2 - 2 所示。 l p f 图2 - 2 直流电源的电路原理图 f i g u r e2 - 2d i a g r a mo ft h ea cp o w e rs u p p l ym a i ne l e c t r i c a lc i r c u i t 直流电源由三相全控整流电路、单相全桥逆变电路、升压电路和高压硅堆整 流电路构成。通过调节三相全控整流电路的触发角对直流电源输出的电压幅值进 行控制，低压直流电压先经过单相全桥逆变电路输出高频的电压方波，再进行变 压器升压，可以减小升压变压器t l 的体积；最后，通过高压硅堆整流电路整流后 为反应器供电。 该电路由于变压器t l 副边的高压硅堆整流电路的作用，流过负载电容c p 的电 流只有一个方向。在每个开关周期内，电路先通过整流电路对负载电容c p 进行充 电，当负载电容上的电压达到最大值时，停止充电，此时t l 副边电流为零。当电 容上的电压达到起晕电压时，反应器放电，即电容c p 向其并联电阻r p 放电，电容 电压下降。 在实际电路中，为了减少变压器原边肌肤效应的影响，选用扁平铜带作为绕 组，这使得变压器原边的寄生电容大大增加，该电容在直流电源中的影响不能忽 略，计为c a 。在逆变方波电源的激励下，l i 与c a 发生谐振，再经由变压器t l 及 高压硅堆整流电路为负载充电。 首先，电源通过串联电感、硅堆整流为负载电容充电，随着电容电压的升高， 1 0 p 充电电流逐渐减小至零，此时l l 上的电流流过寄生电容c a ，组成谐振电路，由于 谐振的影响，c a 上的电压拆算到副边后大予受载电压，通过整流电路继续充电， 当反应器上的电压达到放电电压时，负载上的电荷通过等效的并联电阻放电，电 容电压下降，电源继续通过电感为负载充电如此往复。因此，可以将该电路 篙化为并联负载串联谐振电路。 2 2 2 并联负载串联谐振电路的原理分析 图2 - 3 为直流电源电路的等效电路原理圈，可以等效成并联负载的串联谐振 电路。为反应器的等效电阻r p 折合到t l 原边的电阻，即有r 翎= r 州1 2 ，其中 变压器t l 的匝比为l ；n l 。在直流电路中，w l s f 和w l s 较小，可认为是短路；1 w c p 较大，可认为是断路，因此在高频谐振等效电路中，三者忽略不计。兔逆变电 路输出的方波电压源，为谐振电路提供激励源。该电压源可分解为基波分量和各 次谐波分量，对于谐波而言，电路中的感抗远大于容抗，因此谐波分量基本降落 在电感上，c a 上主要褥到基波电压和电流。逆变电路输出电流i l l ( 1 ) 、u c a ( 1 份别由 下式得出( 下标( 1 ) 表示电压电流的基波分量，w 为v a b 的基频) 。 图2 - 3 并联受载串联谐振等效电路图 l l f i g u r e2 - 3p a r a l l e ll o a ds e r i e sr e s o n a n te q u i v a l e n tc i r c u i t c a 与k 的并联等效电阻为：鳓= 丽r e q j w c a= 上l + j w g r e q 逆变电路输出电流为：五，= 丽v a b o ) 2 万瓦了夏考 寄生电容的电压为：吒( 1 ) 2 屯0 嘞2 万云i v i a b = o ) r e q 面( 2 - 3 ) 一一撇旷丽老一。卿 从上述表达式可以看出，c a 的电压幅值和r p 有关，由于该电路负载为反应 器，未放电前，反应器等效电阻r p 为无穷大，可认为该支路断路，忽略线路阻抗， 上述等效电舸简化为l c 串联谐振电路。同时，而v a 丽b ( 1 ) 。在放电过 程中，阻抗r p 会迅速下降，因此，c a 电压幅值也有所下降。因此输出电压也会有 一定下降。 2 3 高压高频交流电源工作原理 2 3 1 高压高频交流电源主电路结构 交流电源主电路结构如图2 - 4 所示，交流电源主电路包括三相全控晶闸管整流 电路、单相全桥逆变电路和串联谐振电路三部分。工频电能通过整流和逆变电路 后，输出幅值、频率可调的低压高频方波电压源v a b ，在该电压源的激励下，外加 谐振电感k 与反应器c p 发生串联谐振， l p f 提高反应器上交流电压的幅值。 c s e l s 图2 1 4 交流电源主电路原理图 f i g u r e2 - 4s c h e m a t i cd i a g r a mo ft h ea cp o w e rs u p p l ym a i ne l e c t r i c a lc i r c u i t 2 3 2r l c 串联谐振电路的原理分析 r l c 串联谐振简化电路如图2 5 所示，l r 为等效谐振电感，即图2 - 4 中变压器 t 2 的漏感及外加谐振电感k 、线路杂散电感、抗短路电感l s 折算至变压器原边的 等效谐振电感，因k 远大于后两者之和，故l r l 2 ；c r 为等效的谐振电容，即反 应器c p 和隔直电容c s f 折算到变压器t 2 原边后的值，因1 w c p 1 w c s f ，故 c r n 2 2 c p ；在反应器发生电晕放电前，反应器上的等效电阻r p 较大，r p 1 w c p ， 因此可忽略不计；r 为线路电阻和回路电阻的等效集中参数。v a b 作为交一直一交电 路输出的高频方波电压源，可分解为基波分量和各次谐波分量，对于谐波而言， 1 2 电路中的感抗远大于容抗，因此谐波基本降落在电感上，反废器主要得到基波电 匿和电流。逆变电路输出电流、谐振电感、谐振电容电压的基波分量i l r o ，、u t 2 ( 0 和o c p ( 1 ) 分别由下式决定( 下标( 1 ) 表示电压电流的基波分量，w 为的基频) 。 f i g u r e2 - 5s c h e m a t i cd i a g r a mo fr l cs e r i e sc i r c u i t 由厶；) - j 鲫严竖 一! 掣一。( 2 5 ) 触+ 斋似鹇+ 面奇枷 2 丽尚2 鹣雨谢叫厮廿回 由西岛( 。) 痧“( ，：i l ，( i ) j w l 2 ：j 生堕生 ( 2 7 ； j w l 2 + 面番般歹w 乙彝l v 2 得( 1 ) = 圪6 ( i ， 砌删鸬) 嘉2 瓦一n 2 v , 西o ) 得2 丽丽丽v a b 丽( d 当w = 咝= w 0 = 孬瓦屯孑瓦万时， 麟。面瓦乒v a b 雨( d 霸丽叫) 当w = 屹= 4 j 函面虿历时， 懈2 面磊万v a 雨b o ) 霹丽”( 2 - 1 2 ) 1 3 当w = w 0 时，t ，( 1 ) 一= k 1 ) r ( 2 - 1 3 ) 通过上面的分析可知，r l c 串联谐振电路在方波电压源的激励下，响应信号 i l “1 ) ，u c p ( 1 ) ，u l 2 ( 1 ) 的幅值与输入信号频率的关系如图2 - 6 所示，可得r l c 串联谐 振电路的谐振条件及其谐振特性如下： 一 一 w w w t 伸 图2 _ 6 谐振与角频率之间的关系 f i g u r e2 - 6d e p e n d e n c eo ft h ea m p l i t u d eo nt h ea n g l ef r e q u e n c y ( 1 ) 回路电流i l “1 ) 的最大值发生在w = w 0 处，即当r l c 串联谐振电路的外加 激励信号的频率等于电路的固有频率时，发生串联谐振。此时电流的相位和外加 激励信号相同，但u 喇1 ) ，u l 2 ( 1 ) 并没有达到最大值。 ( 2 ) 当w = 心= w o 、l - r 2 n 2 4 e 2 w 0 2 2 时，反应器上的电压幅值达到最大， ( 1 ) 一= r n 2 2 c ：o 乒丽啄瓦万。 o ，即r w o ，说明谐振电感上电压达到最大值 时，外加激励电源的频率大于电路的固有频率。且屹的存在条件同( 2 ) 中w c 的 1 4 存在条件。 2 4 交直流耦合电路工作原理分析 交矗流叠加电路的霉的是在高压直流的基愿上叠加高频高压的交流，最后在 放电反应器上得到交赢流叠加电压。该电路要求电压在叠加的时候，电压损失要 小，交直流电源之间的影响要小，同时由于是高压叠加，电路需要简单和安全可 靠。根据电源实际应髑的要求，设计交直流叠加电路如下： c 辨至一辨 图2 - 7 交真流耦合电路的原理框图 f i g u r e2 - 7s c h e m a t i cd i a g r a mo f a c + d cc i r c u i t 交袁流叠加电路的原理框图如图2 - 7 所示。实际放电反应器为线板式，反应 器的等效模型可以看作是电容电阻并联，如图2 - 7 中灰色部分所示。c s f 为隔直耦 合电容，其功能为将所产生的交流电压耦合至反应器两端，同时消除高压盥流电一 源对交流电源的影响，在参数设计时，需要使1 w c s v 1 w c p 。l s 为抗短路电感，流光放电时，烟气在 进入反应器之前需要进行加湿，反应器在高压放电的状况下，容易击穿短路，瞬 时电流过大会使原边的电流过大造成开关组件的损坏。所以在反应器上串联电感 抑制电流的上升率，对电源进行保护。在参数选择上需要使w l s l w c p ，避免 由于限流电感的加入而改变反应器负载的特性。 通过该电路可以实现交直流电压的叠加，同时使交直流电压相互独立且可调。 2 5 交直流叠加电源主电路参数设计 2 5 1 电源系统的既定条件和设计墓标 1 5 对于电源的设计而言，容量主要取决于负载的要求，因此，首先对负载进行 分析，继而得到具体的电源设计参数。 设计中，放电反应器采用线板式结构，等效电路为电阻电容并联。在交流电 源设计的过程中，主要考虑负载电容，在直流电源设计中，主要考虑负载电阻。 表2 1 为反应器静态时的电容值，静态电容值主要和放电极间距和面积有关。放电 时，反应器的电容值会跟随放电状态、间隙空气湿度等发生一些变化，但变化较 小，因此设计时采用静态电容代替，忽略了其他因素的影响。 表2 - 1 反应器不同连接状态下的电容参数 t a b l e2 - 1c a p a c i t a n c e