节能、增效、减排已成为时代发展的主题。在控制烟气颗粒污染物排放方面,静电除尘器依其独特的优势被广泛应用。目前我国火力发电厂的静电除尘电源几乎100%采用工频电源供电。相比高频静电除尘电源,它存在除尘效率低(需要四级电场依次除尘),能耗大(静电除尘电源用电量,占火电厂厂用电量的5%左右)等缺点。而高频静电除尘电源可以提供几乎平直的电晕电压和快速响应时间。据试验,当采用高频静电除尘电源时,只要采用一级电场进行除尘,即能满足当前烟气颗粒污染物排放标准的要求。而且高频静电除尘电源相比工频静电除尘电源节能20%。因此高频静电除尘电源具有广泛的应用前景,并且受到研究人员的普遍关注。本文围绕研制高效节能的高频静电除尘电源系统展开工作。一个完整的高频静电除尘电源系统包括大功率(60kW)高频(20kHz)高压(52kV)变压器、大功率逆变器、静电除尘控制器和后台监控系统。大功率高频高压变压器不同于常规低压开关电源变压器、高压脉冲变压器和工频高压变压器。首先,分析了高频变压器的特点,建立了高频变压器的等效电路,针对电力电子电路的不同侧重点,得出高频高压变压器等效电路的分类方法,即时间响应特性等效电路和能量传输特性等效电路。给出了高频高压变压器铁芯材料的选择依据,并选定超微晶(纳米晶)磁性材料作为本变压器的铁芯材料。其次,针对磁性材料生产厂家给出的产品参数都是在正弦励磁和特定形状样品条件下测量所得数据的现状,搭建了试验平台,进行了在方波电压励磁和预采用铁芯形状样品条件下的超微晶磁芯特性试验,得出超微晶(纳米晶)铁芯特性除受生产环境因素影响很大外,还与励磁电压波形和铁芯形状尺寸有关。再次,针对大功率高频高压变压器的特点,提出一种基于变压器绝缘结构的大功率高频高压变压器的优化设计方法。该方法对高频特性(集肤效应和邻近效应)、高压特性(绝缘结构)、铁芯形状和尺寸、散热特性和最优效率等进行了综合优化。最后,研制了本电源系统所采用的静电除尘电源变压器,基本数据为:输入电压510 V,输出电压为52 kV,输出功率为60 kW,工作频率20 kHz,效率96%,铁芯材料为超微晶铁芯。一般情况下提高变压器的工作频率可以增加变压器的功率密度。但在生产实践中发现常规结构大功率高频高压变压器的体积没有按预计比例缩小。通过分析导致常规高频高压变压器功率密度不高的因素,提出一类新型变压器:基于平面铁芯和串级变压器技术的变压器。该类变压器有效解决了“高频促使变压器体积减小”和“高压导致变压器体积增大”之间的矛盾。依据所提出的新型变压器原理,首先设计了基于平面铁芯和绕线绕组的变压器,该变压器改进了变压器内导体的电位分布,提高了变压器的功率密度。其次,设计了基于平面铁芯和ML-PCB(多层印制电路板)绕组的变压器,该变压器使绕组布线更加灵活、精准,提高了变压器批量生产时其分布参数的一致性。最后,给出此类变压器的多种结构拓扑及其变化规律。由于时间原因此类变压器只进行了模型研制和试验。常规结构的大功率高频高压变压器由于其匝比很大(>100)而存在严重的分布参数问题。通过计算和实验验证,发现该变压器入口特性为容性。基于此发现,提出在变压器原边串联一个较小电感来补偿变压器分布电容的处理方法,并研制了相应的DC-AC-DC变换器。首先,分析了该变换器的工作原理,并给出了设计要点。其次,通过分析静电除尘负载的运行规律,得出静电除尘器的工作特性曲线族和不同运行区,给出不同工作区的判据。根据判据并以振打周期为控制间隔,提出基于数据检索的自学习控制策略。以DSP控制芯片为核心研制了静电除尘控制器的软硬件部分。再次,针对大功率高频高压等工况特点,提出了组合电容均压方法和增强耐压特性的PCB板结构,优化设计了硅离子的空间布置,设计了高压高频整流桥。最后,根据静电除尘负载的特性,搭建了模拟负载。通过运行试验证实该变换器不但补偿并利用了变压器固有的分布电容,而且具有软开关特性、良好的全功率输出能力、静电除尘火花闪络限流能力和脉冲供电特性,这些特性表明基于变压器分布电容补偿方法的变换器特别适合于静电除尘电源应用且性能优良。静电除尘电源的工作机制是大功率高压功率流的高频切换,输出电压是50kV,采样和调理信号是3~5V,并且伴随工作过程电火花和电弧现象频繁发生,因此静电除尘电源的电磁干扰严重。针对此情况,从干扰源、传播路径和被干扰体三者为切入点进行了电磁兼容性方面的设计,实验表明有效的抑制了相互之间的电磁干扰。在静电除尘电源监控系统中,通信协议采用国际标准变电站通信协议IEC 60870-5-103,提出了基于EFSM(扩展有限状态机)的变电站通信协议一致性模型的描述方法。基于EFSM的一致性测试模型设计开发了本系统的通信模块,保证了通信协议的一致性。为将来接入厂站总监控后台提供了物理接口。本系统已经累计运行300多个小时,连续重负荷运行24小时以上,输出电压、电流和功率分别为51kV、1200mA和61.2kW,IGBT和电感温度都低于63℃,变压器最高温度为79℃,满足设计目标。成功实现产品化,首批完成四台电源通过客户验收。