CN102933309A - 控制静电除尘器的电力供应系统的线路失真的方法 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及静电除尘器单元，其具有至少两个单独的电力供应(11)以用于静电除尘器的脉冲操作，其中电力供应(11)由公共馈电(1)供电，其中每个电力供应(11)包括控制单元(23)，并且其中控制单元至少通过通信线路(32)间接连接，以允许单独的电力供应(11)的脉冲操作的受控相对调度。
Description
技术领域
本发明涉及静电除尘器单元，其具有用于静电除尘器的脉冲操作的至少两个单独的电力供应，其中所述电力供应由公共馈电供电。本发明还涉及这种静电除尘器单元的操作方法。
背景技术
随着对于环境污染的日益关注，通过使用静电除尘器(ESP)减少颗粒排放对于燃煤电厂是非常重要的问题。ESP是非常合适的灰尘收集器。它们的设计是健壮的，并且它们是非常可靠的。而且，它们是最有效的。99.9%以上的分离度不是罕见的。因为当与纤维过滤器相比较时，它们的操作成本是低的，并且由功能失调引起的损坏和停止的风险相当小，因此它们在许多情况下都是自然的选择。在ESP中，被污染的气体在连接到ESP电力供应的电极之间传导。通常，这是在初级侧上有晶闸管控制并且在次级侧上有整流器电桥的高压变压器。这个布置连接到普通AC电源，并由此以50或60Hz的频率来供电。通过改变晶闸管的触发延迟来实现电力控制。触发角越小，即导通周期越长，提供给ESP的电流越多，并且ESP的电极之间的电压越高。现代ESP被分成若干母线段以便增加收集效率。这些母线段中的每个具有它自己的电力供应（PS），其被单独控制并具有10-200kW的典型输出功率范围和30-150kVDC的输出电压范围。
现代ESP的电力供应经常基于谐振转换器以便利用变压器的非理想性并且具有对于宽操作范围的软开关。从US 2009/0129124知道ESP的一个示范性电力供应。
发明内容
现代ESP经常操作在脉冲模式。静电除尘器的脉冲操作相当大地影响电源电力质量，因为它能导致高线路电流失真(总谐波失真)以及失衡的电源相位加载。由此，可引起由公共馈电所馈电的设备的中断和故障、变压器、发电机和电力线路中发热、可听噪声、电源中的电谐振、发电机、引擎中的机械振荡等。如果例如具有脉冲操作的一组电力供应由公共馈电来馈电，则这些问题可能变得更坏，因为不同电力供应中的脉冲可能发生在同一时刻。另一方面，如果以最优方式调度每个电力供应中的脉冲，则应该有可能减少这种类型操作中的不希望的效应，使得功耗变得在时间上更加连续。在此刻，用于ESP应用的电力供应系统不使用对脉冲调度的任何策略，并且甚至不允许这么做；因此在输入端出现任意电流波形。
这是本发明的出发点，以提出一种新的且改进的静电除尘器设置，用于连接到公共馈电的至少两个电力供应的操作，所述电力供应预定提供脉冲功率输出以用于与所述电力供应一起操作的一个或若干ESP的脉冲操作。
因此，本发明处理电源的能量质量优化，以用于一组电力供应以脉冲操作对静电除尘器(ESP)馈电。
在此将给出的修改的静电除尘器装置和对应的优化策略可应用于操作在脉冲模式的任何组的电力供应。由此，可实现只是通过控制不同脉冲的开始时间就相当大地改进了线路电流，无需任何附加手段。
ESP系统的“最佳情况”发生以满负载操作的所有电力供应以连续功率给ESP馈电时，其中电源的相位电流被平衡了，并且功耗的平均值与谐波分量之间的关系处于最低。考虑该情况，这种优化的主要想法是要允许将脉冲布置在最优序列中，使得该组脉冲电力供应具有与操作在连续模式的等同的单个电力供应将具有的类似的线路行为。
因此，本发明的核心之一可概括如下：
所提出的修改的静电除尘器单元允许通过相对于一个参考将每个电力供应的初始脉冲按延迟时间来移位从而将单独的电力供应的脉冲布置在最优序列中。该目的基本上是要提供能够实现由其它电力供应的脉冲填充参考脉冲之间的间隙的结构。
当脉冲基本上均匀地分布在参考脉冲周期内并且通过相对于其它区段将一个区段的所有脉冲按相同延迟来移位时，观察到最佳行为。
更具体地说，本发明涉及一种静电除尘器单元，其具有至少两个单独的电力供应以用于静电除尘器的脉冲操作，其中所述电力供应由公共馈电(电源)供电。
根据本发明，每个单独的电力供应包括控制单元，并且这些单独的控制单元至少通过通信线路在彼此之间间接连接，以允许单独的电力供应的脉冲操作的受控相对调度。
由公共馈电供电的单元的电力供应可给至少两个单独的静电除尘器供电，例如每个是不同排气道的一部分。在这些排气道的每个中，可能又存在也由公共馈电供电的单独独立的电力供应所供电的若干母线段。
根据另一实施例，电力供应是一个静电除尘器的一部分，通常给其不同母线段供电，或给一个母线段内的不同模块供电。
控制可实现在单元中，方式为使得在单独的控制单元之间存在通信线路，并且一个控制单元领先并控制相对调度，或者这个控制在形成单独的电力供应的一部分的控制单元之间共享。另一方面，还有可能，并根据本发明的另一优选实施例，该单元还包括连接到通信线路并控制电力供应调度的控制计算机(其可以是专用计算机，或者其可以是还处理除尘器中或电厂中其它任务的计算机)。
可实现单独的电力供应的脉冲操作的相对调度，因为一个电力供应被定义成参考电力供应，并且每个另外的电力供应的初始脉冲相对于参考电力供应的脉冲按受控延迟来移位，以便由另外的电力供应的脉冲来填充参考脉冲之间的间隙。在此情况下，受控延迟能被确定成使得将另外的电力供应的脉冲基本上均匀地分布在参考电力供应的脉冲周期中，其中优选地，如果所有电力供应的累积脉冲宽度小于最大脉冲周期，则受控延迟被确定成使得所有脉冲之间的间隙基本上相同，如果所有电力供应的累积脉冲宽度等于最大脉冲周期，则受控延迟被确定成使得在所有脉冲之间没有间隙，并且如果所有电力供应的累积脉冲宽度大于最大脉冲周期，则所有脉冲的交叠长度相等。
通常，在本上下文中使用的电力供应是基于高压变压器的，优选基于IGBT(集成栅双极晶体管)的转换器，优选允许具有高功率和高压的串联加载谐振转换器，优选所述高功率在10--200kW范围和/或所述高压在50-150kV DC范围。
根据又一优选实施例，所述系统适合于用提供给静电除尘器的具有脉冲宽度在0.1-20ms范围和/或具有脉冲周期在0.5ms-2s范围的DC脉冲来操作，其中优选定义为脉冲宽度除以脉冲周期的脉冲比在1-1/2000的范围。静电除尘器可包括用于脉冲操作的至少一个母线段和用于连续操作的至少一个另外的母线段。
而且，根据另一优选实施例，所述单元可包括至少三个电力供应，优选至少四个电力供应，最优选至少六个电力供应，优选它们全都通过公共馈电连接和供电，并且至少通过通信线路间接连接。在大除尘器单元的情况下，可能存在高达24个或甚至36个电力供应或更多，它们被单独控制和调度，全都由公共馈电供电。
而且，本发明涉及一种工业应用，其包括如上所述的静电除尘器单元，例如电厂，优选化石燃料操作的电厂，最优选煤操作的电厂，它们的废气通过静电除尘器单元净化。静电除尘器单元还可用于另一灰尘产生过程，诸如熔渣带筛系统、水泥制造过程等等。
除了上面，本发明涉及一种用于上面所概括单元的操作的方法，其中优选一个电力供应被定义成参考电力供应，并且其中每个另外的电力供应的初始脉冲相对于参考电力供应的脉冲按受控延迟来移位，以便由另外的电力供应的脉冲填充参考电力供应的脉冲之间的间隙，并且其中优先地参考电力供应是具有最大脉冲周期的系统的电力供应。
根据此方法的优选实施例，受控延迟被确定成使得将另外的电力供应的脉冲基本上均匀地分布在参考电力供应的脉冲周期中，其中优选地，如果所有电力供应的累积脉冲宽度小于最大脉冲周期，则受控延迟被确定成使得所有脉冲之间的间隙基本上相同，如果所有电力供应的累积脉冲宽度等于最大脉冲周期，则受控延迟被确定成使得在所有脉冲之间没有间隙，并且如果所有电力供应的累积脉冲宽度大于最大脉冲周期，则所有脉冲的交叠长度（overlap length）相等。
在从属权利要求中规定了本发明另外的实施例。
附图说明
在下面参考附图描述了本发明的优选实施例，所述附图是为了说明本发明的目前优选实施例的目的，而不是为了限制它们的目的。在附图中：
图1示出了典型ESP装配方案，具体的是具有由24个电力供应驱动的若干连续母线段的系统；
图2示出了a)单个高频ESP电力供应的示意图，b)典型单相电源频率ESP电力供应的示意图，c)高频功率处理ESP电力供应的示意图；
图3示意性示出了脉冲和连续充电方法；
图4示出了一组3个ESP电力供应；
图5示出了电力供应1 (a)、电力供应2 (b)和电力供应3 (c)中的脉冲串以及从电网汲取（drain）的总功率(d)；
图6示出了在(a)具有脉冲比1/3的ESP电力供应1中、在(b)具有脉冲比1/5的ESP电力供应2中、在(c)具有脉冲比1/7的ESP电力供应3中以及在(d)从电网汲取的总功率中的第二示例；
图7示出了具有由公共馈电供电的单独ESP之间的直接通信的设置；
图8示出了具有在由公共馈电供电的单独ESP之间经由主计算机的通信的设置；以及
图9示出了优化的示例3和在电力供应1 (a)、电力供应2 (b)和电力供应3 (c)中对应的脉冲串以及从电网汲取的总功率(d)。
具体实施方式
通常，ESP系统被分成若干母线段以改进颗粒收集效率。在小系统中，仅2个或3个母线段被串联连接，而在大系统中，若干母线段被并联和串联连接。具有不同额定功率的不同电力供应经常使母线段通电（energize）以便优化单个母线段的收集效率。
图1示出了具有由24个电力供应驱动的若干连续母线段的典型ESP装配。静电除尘器5包括入口侧，加载有颗粒例如煤尘的气流4通过该入口侧进入ESP。ESP具有入口区段6，后跟中间区段7，并且由出口区段8终止，其出口连接到烟囱9，净化的废气10通过烟囱退出到环境。因此，ESP在机械上被分段成串联连接的区段和并联连接的单元以利用收集效率。每个区段/单元位置被称为母线段。一个ESP电力供应以高压对单个母线段馈电。
区段6-8中的每个都具有两行单独供电的除尘器系统(4个单元和6个区段)，得到24个母线段，并且为此提供了24个电力供应(PS)以用于除尘器的通电。下面将进一步讨论这种电力供应的一般拓扑。电力供应经由公共馈电1来通电，该公共馈电1经由低压或中压线路2和配电变压器3连接到单独的电力供应。换句话说，全部的电力供应被连接到公共馈电系统1，并且如果这些电力供应或其至少一部分操作在脉冲模式，则电源上的负载可严重失衡。
图2a中示出用于给根据图1的设置中的单独除尘器之一供电的高频三相电源电力供应11。在输入侧上，电力供应11连接到电源1，并且首先包括输入整流器12。在输入整流器12的输出侧，提供了直流电流(DC)，并且在这些电平之间定位有DC链路电容器18。这个直流电流然后通过具有多个对应触发的晶体管（fired transistor）的全电桥逆变器13来馈送。全电桥逆变器13的操作由驱动器22控制，驱动器22又由控制单元23控制。全电桥逆变器13输出侧上的交流电流进入谐振回路和变压器单元14，由电容器19和电感器20的串联布置给出谐振电路，其后跟变压器21。在输出侧上，单元14耦合到输出整流器15，其输出侧然后耦合到静电除尘器5的电极。
对于这种电力供应的脉冲操作，全电桥逆变器经由控制单元23和驱动器22操作在脉冲模式。为了控制整个系统，提供有电流和电压传感器16，其输出用于控制单元23。
本发明不限于高频三相电力供应，如图2a中示出的以及还如图2c中进一步示意性示出的，其典型地以20-200kHz范围中的谐振回路中的频率来操作。也有可能是如图2b中示出的电源频率功率处理单元，其中单相电源1在单元17中开关，由变压器21来变换，并被整流以供在输出整流器15之后在ESP的最终使用。
对每个ESP电力供应11的充电方法可以是电流27的连续模式25或脉冲模式26，见图3。连续充电方法可用在收集低电阻率灰尘的大多数过程中。脉冲充电方法用在灰尘具有中或高电阻率时，或者对于相同灰尘收集效率，为了节省功耗。在脉冲操作期间，单独优化每个ESP电力供应。
当一组ESP电力供应11操作在脉冲充电模式并由相同电源1馈电时，问题出现了，如图4所示的。在此，三个单独电力供应#1、#2和#3通过公共馈电由配电线路2供电。每个电力供应分别驱动静电除尘器5的单独母线段29、30、31。一般而言，母线段可以是一个单个静电除尘器的任一部分，然而它们也可以是不同静电除尘器的部分。每一个电力供应11都包括经由上面提到的全电桥逆变器13负责脉冲控制的单独控制单元23。单独控制单元23经由通信线路/控制线路32互连。根据本发明，这些线路32用于提供单独的电力供应的脉冲串的控制调度，以便最小化失真并且以便优化电源上的负载。
来自每个ESP电力供应的电流脉冲都具有可变脉冲宽度PW和可变脉冲周期时间Tp，如图3中所定义的。基于每个电力供应内的手动或自动调谐原理单独优化这些参数。由于每个ESP电力供应控制器单元23单独优化电流脉冲参数，因此来自不同ESP电力供应的脉冲然而根据现有技术不协调，并且可发生在同一时刻，这在图5中被示出。为了简化，图5中的脉冲周期被选择成对于所有三个ESP电力供应#l-#3都是9ms，但其仍是一现实的示例。在此第一示例中，脉冲宽度对于电力供应#1是2ms，对于电力供应#2是3ms，并且对于电力供应#3是4ms。
图5中的示例示出当所有ESP电力供应同时产生脉冲（即在时间中相同时刻开始）时的瞬时时刻。这导致从电源汲取的瞬时功率(IPDM)的重复模式，如图5d中所示的。通常，在引起从电网汲取的不连续电流的ESP电力供应脉冲之间存在连续漂移。
图6中示出的第二示例示出以不同脉冲比产生脉冲的三个ESP电力供应。脉冲比定义为脉冲宽度与脉冲周期之间的关系。ESP的脉冲模式操作导致的问题是，线路电流将显示高的总谐波失真(THD)、次谐波、失衡的相负载乃至线路电流中的DC分量。在此情况下，可生成连接到同一能量系统的设备的中断和故障；变压器、发电机和电力线路中的发热、可听噪声；电源中的电谐振；发电机、引擎中的机械振荡等。
所提出的解决方案是，不同的ESP电力供应或不同组的ESP电力供应如图4中所示的经由线路32通信，或如对于图7中控制三个单独除尘器的情形所示的。用这种方式，脉冲的时机被调整(调度)成使得电力流尽可能均匀（even）。
用于通信接口的不同方法可使用专用主计算机，其管理每个本地ESP电力供应中的控制器单元的时隙。
图8示出了提供有控制单独除尘器5中调度的这种专用控制计算机33的设置。
可通过在每个本地控制器中使用线路失真优化算法来最小化电力流中的变化。目的是限制发生在同一时刻来自不同ESP电力供应的脉冲数，见图9。为了简化，图9中的脉冲周期选择成对于所有ESP电力供应都是9ms，并且图9a)、b)和c)中的脉冲宽度分别与结合图5a)、b)和c)中所描述的相同，但它仍是现实的示例。可以看到，对于单独的电力供应的脉冲宽度之和等于脉冲周期的这个特定情形，从电源汲取的瞬时功率变得在时间上基本上完全均一（homogeneous）。
总之，本发明与现有技术的区别是：
●在ESP电力供应中存在控制器；
●在本地控制器之间提供有用于通信的部件；控制器单元交换关于用于脉冲产生的定时和延迟的信息，以便避免/最小化不同母线段中的同时脉冲产生 
●存在脉冲时机的调整，使得最小化线路失真(线路失真优化算法)
这允许解决至少如下问题：
●在脉冲模式操作中满足线路失真标准的可能性
●降低电网、电力电缆和馈电变压器中的过度损耗
●降低了由于线路失真引起的其它设备的故障的风险
参考标记列表
| 1 | 电源，公共馈电 | 23 | 控制单元 |
| 2 | 低压或中压电平线路 | 25 | 用于连续操作的电流 |
| 3 | 配电变压器 | 26 | 用于脉冲操作的电流 |
| 4 | 加载有颗粒例如煤尘的气流 | 27 | 次级电流 |
| 28 | 电流限制 | ||
| 5 | 静电除尘器 | 29 | 母线段1 |
| 6 | 入口区段 | 30 | 母线段2 |
| 7 | 中间区段 | 31 | 母线段3 |
| 8 | 出口区段 | 32 | 通信线路 |
| 9 | 烟囱 | 33 | 控制计算机 |
| 10 | 净化的废气 | ||
| 11 | 电力供应 | t | 时间 |
| 12 | 输入整流器 | TP | 脉冲周期，脉冲内延迟 |
| 13 | 全电桥逆变器 | ||
| 14 | 谐振回路和变压器 | PW | 脉冲宽度 |
| 15 | 输出整流器 | IPDM | 从电源汲取的瞬时功率 |
| 16 | 电流和/或电压传感器 | ||
| 17 | 晶闸管块 | V | 电压 |
| 18 | DC链路电容器 | #1 | ESP电力供应号1 |
| 19 | 串联的电容器 | #2 | ESP电力供应号2 |
| 20 | 串联的电感器 | #3 | ESP电力供应号3 |
| 21 | 变压器 | ||
| 22 | 驱动器 |
Claims (13)
1. 一种静电除尘器单元，具有至少两个单独的电力供应(11)以用于静电除尘器的脉冲操作，其中所述电力供应(11)由公共馈电(1)供电，其中每个电力供应(11)包括控制单元(23)，并且其中所述控制单元至少通过通信线路(32)间接连接，以允许所述单独的电力供应(11)的脉冲操作的受控相对调度。
2. 如权利要求1所述的单元，其中所述电力供应(11)给至少两个单独的静电除尘器(5)供电，其中优选地单独的除尘器的每个除尘器包括多于一个独立的电力供应(11)。
3. 如以上权利要求中任一项所述的单元，其中所述电力供应(11)是一个静电除尘器(5)的一部分，优选地给其单独的母线段和/或区段供电。
4. 如以上权利要求中任一项所述的单元，其中所述单元还包括连接到所述通信线路(32)并控制所述电力供应(11)的调度的控制计算机。
5. 如以上权利要求中任一项所述的单元，其中实现了所述单独的电力供应的脉冲操作的相对调度，因为一个电力供应(11)被定义成参考电力供应，并且其中每个另外的电力供应(11)的初始脉冲相对于所述参考电力供应的脉冲按受控延迟来移位，以便由所述另外的电力供应(11)的脉冲来填充参考脉冲之间的间隙。
6. 如权利要求5所述的单元，其中所述受控延迟被确定成使得将所述另外的电力供应(11)的脉冲基本上均匀地分布在所述参考电力供应的脉冲周期中，其中优选地，如果所有电力供应的累积脉冲宽度小于最大脉冲周期，则所述受控延迟被确定成使得所有脉冲之间的间隙基本上相同，如果所有电力供应的累积脉冲宽度等于所述最大脉冲周期，则所述受控延迟被确定成使得在所有脉冲之间没有间隙，并且如果所有电力供应的累积脉冲宽度大于所述最大脉冲周期，则所有脉冲的交叠长度相等。
7. 如以上权利要求中任一项所述的单元，其中所述电力供应是单相或三相基于50Hz或60Hz的电力供应，优选基于高压变压器的，优选基于集成栅双极晶体管(IGBT)的转换器，优选允许具有高功率和高压的串联加载谐振转换器，优选所述高功率在10-200kW范围和/或所述高压在50-150kV DC范围。
8. 如以上权利要求中任一项所述的单元，其中所述系统适合于用提供给所述静电除尘器(5)的具有脉冲宽度在0.1-20ms范围和/或具有脉冲周期在0.5ms-2s范围的DC脉冲来操作，其中优选定义为所述脉冲宽度除以所述脉冲周期的脉冲比在1-1/2000的范围。
9. 如以上权利要求中任一项所述的单元，其中所述静电除尘器(5)包括用于脉冲操作的至少一个母线段和用于连续操作的至少一个另外的母线段。
10. 如以上权利要求中任一项所述的单元，其中它包括至少三个电力供应(11)，优选至少四个电力供应(11)，最优选至少六个电力供应(11)，优选它们全都通过公共馈电(1)连接和供电，并且至少通过通信线路(32)间接连接。
11. 一种工业应用，优选一种电厂，包括如以上权利要求中任一项所述的静电除尘器单元，优选化石燃料操作的电厂，最优选煤操作的电厂，其废气气通过所述静电除尘器单元净化。
12. 一种用于如权利要求1-10中任一项所述的单元的操作的方法，其中一个电力供应(11)被定义成所述参考电力供应，并且其中每个另外的电力供应(11)的初始脉冲相对于所述参考电力供应的脉冲按受控延迟来移位，以便由所述另外的电力供应(11)的脉冲来填充所述参考电力供应的脉冲之间的间隙，并且其中优先地所述参考电力供应是具有最大脉冲周期的系统的电力供应。
13. 如权利要求12所述的方法，其中所述受控延迟被确定成使得将所述另外的电力供应(11)的脉冲基本上均匀地分布在所述参考电力供应的脉冲周期中，其中优选地，如果所有电力供应的累积脉冲宽度小于最大脉冲周期，则所述受控延迟被确定成使得所有脉冲之间的间隙基本上相同，如果所有电力供应的累积脉冲宽度等于所述最大脉冲周期，则所述受控延迟被确定成使得在所有脉冲之间没有间隙，并且如果所有电力供应的累积脉冲宽度大于所述最大脉冲周期，则所有脉冲的交叠长度相等。
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