医院谐波监测与治理

广东工业大学 韦 荷 廉迎战

广东中钰科技有限公司 余宇航

一、引言

随着社会的高速发展，医院引进的先进医疗设备与高精度仪器越来越多，如：XRAY射线仪器、超声波、氧气传输系统、二维图像彩色B超仪、全身螺旋CT扫描仪、单(双)光子发射计算机断层扫描机、全自动生化仪等。目前，医院的低压配电系统有大量的谐波源负荷，会产生大量的3、5、7、……次谐波，严重污染电网，危害设备，减少电气使用寿命、增加成本。大量的单相非线性负荷会造成三相不平衡、谐波超标、中性线谐波过载等电能质量问题，因此医院谐波的监测与治理十分必要。

二、谐波的监测

由于谐波具有固有的非线性、随机性、分布性、非平稳性和影响因素的复杂性等，因此难以对谐波进行准确测量，为此，许多学者对谐波测量问题进行广泛研究。现有谐波检测法按原理可分为：模拟滤波器、基于Fryze传统功率定义的谐波检测法、基于瞬时无功功率理论的谐波检测法、基于傅立叶变换的谐波检测法、基于神经网络的谐波检测法、自适应谐波检测法和基于小波分析的谐波检测法。其中基于傅立叶变换的谐波测量是当今应用最多也是最广泛的一种方法，使用此方法测量谐波，精度较高、功能较多、使用方便。

在实际应用中，当受到仪器和软件的限制时，要求采样点数不大于一个给定的极值，测量时间也要加以限定。与基本傅立叶周期的测量时间差将导致信号起点与测量窗终点并不连续。这会在对分量辨识的过程中出现错误，即所谓频谱泄漏。通常的解决方法是分析之前对随时间变化的信号作加权时间窗处理，常常使用的两种测量窗是矩形窗和海宁窗。在实际测量过程中，选用矩形窗和海宁窗插值算法可满足测量精度的要求。

三、谐波的治理

有三个不同的解决方案可以用来降低谐波发射等级：1)通过对自身结构的改进，减少非线性负荷产生的谐波；2)加装谐波滤波器（无源和有源）；3）安装隔离变压器和能抑制谐波的变压器。每一个方案都有其优点和缺点，通常难以确定哪个方案最好。为了避免在不适用的和无效的方案上浪费大量资金，需要对问题进行分析，选择最有效的方案。

表1 处理前各相谐波电压含有率

表2 处理前各相谐波电流含有率

表3 处理后各相谐波电压含有率

表4 处理后各相谐波电流含有率

图1 电压波形仿真图

图2 电流波形仿真图

图3 治理前后电压波形对比图

图4 治理前后电流波形对比图

(一)减少非线性负荷的谐波发射

降低谐波幅值的技术方案将随负荷类型而定，而这些方案涉及结构与技术的改进工作。

(二)换流器主电路中的电抗器

交流侧电抗器或直流侧电抗器的使用能极大降低换流器电流畸变的程度。

(三)多脉动换流器系统

在降低换流器电流畸变率，减缓谐波在电力系统中的负面影响中，增加换流器设备的脉动数是最普遍的方法。串联或者并联较小脉动数的换流器并确保每个桥的供电电压之间有适当的相位移，能实现等效多脉动的运行模式。

(四)换流器输入电流的主动整形

当今电力电子技术最重要的目标之一是，设计出对电网影响更小的交/直流换流器，。这就是所谓的功率因数校正换流器(PFC换流器)。带有直流滤波电容器的单相整流器输入电流的主动整形原理，它一般用于住宅和办公场所。

(五)无源滤波器

在电压畸变率超过或可能超过限值的地点，需要在供电母线上安装滤波器。目前使用的几乎都是LC元件组成的无源并联滤波器，通过选择LC元件，形成与供电网阻抗并联的低阻抗支路。它们有两个任务，即消除谐波电流和通过无功补偿降低系统基波负担。所有滤波器对于基波都呈现为容性。

无源滤波器的缺点：

1)装有无源滤波器的电力系统是一个弱阻尼的LCR电路，为了排除谐振现象发生，要求在设计阶段对频率特性进行仔细的分析。2)滤波器的效果很大程度上取决于连接点的电网阻抗。一般来说无法等到其精确值，并且系统阻抗随着电网结构的改变而变化。3)由于电源频率的变化和LC参数的改变，滤波器会发生失谐的问题。失谐的负面影响可以通过合适的调谐或降低滤波器品质因数来减轻。但后者会增大有功损耗，会使电源电压中未被滤除的谐波成分增多。4)滤波回路电流中常常含有电源电压谐波产生的谐波电流。

(六)有源滤波器

为了有效地消除电力系统谐波，发展了综合性能优于由电感(L)、电容(C)构成的传统无源电力滤波器的有源电力滤波器(Active Power Fi1ter，APF)。有源电力滤波器借助适当的控制技术，能够对各次谐波进行有效补偿，且不受系统参数影响，因而成为电力系统谐波治理的主要研究方向。

有源电力滤波器可以有效地抑制与补偿电力系统中的谐波，它通过监测实时谐波状况，在线计算出所含谐波分量，产生相应的控制信号，去控制可关断功率器件，一般是绝缘栅双极晶体管(IGBT)构成的逆变电路，产生所需补偿的电流谐波分量，并联接入产生谐波的主回路中，达到迅速的动态跟踪抑制谐波的效果。有源滤波器与无源滤波器相比具有不局限于某些次谐波的偿，对变化的谐波能进行迅速的动态跟踪补偿，与系统电网无谐振现象等优点，近年来得到了广泛的应用。

四、谐波治理与节能优化

以周期电流i(t)为例，它的有效值I定义为：

由此可见，周期量的有效值等于它的瞬时值的平方在一周期内平均值的平方根，所以有效值又称为均方根值。

在电网中，如果电压和电流都是具有非正弦波形，将电压和电流分别分解为傅立叶级数：

将上式的右边展开以后，可分成许多项的积分，一类含有各谐波瞬时值平方的平均值：

而另一类项含有不同次数谐波瞬时值的乘积的2倍平均值，这类项应等于零：

由此可见，非正弦周期电流的有效值，等于其各次谐波电流有效值的平方和的平方根值：

同理可得，非正弦周期电压u(t)有效值为：

正弦波形畸变率是指畸变波形偏离正弦波形的程度。各次谐波有效值的平方根值与其基波有效值的百分比，称为正弦波形畸变率（total harmonic distortion，THD），简称畸变率。电压正弦波形的畸变率（ THDU）为：

式中，U1为额定基波电压，有时也用实际基波电压的有效值来表示。为了抑制和补偿某次谐的数值，常以谐波含量来表示，电压畸变波形的第n次谐波电压含有量(THDUn)为：

电流正弦波形的畸变率（ THDI）为：第n次谐波电流的含有量（THDIn）为：

图1、图2是仿真实验得到的结果。

从以上两图可以看出，偶次谐波对波形的影响较小，可以忽略不计，然而奇次谐波对波形的影响非常大，所以在下面对真实数据的处理只对奇次谐波进行研究。

以下是根据国际大电网会议工作组建议，在测量和计算各次谐波的有效值时，给出的是它在5s内平均的有效值。这样可以对暂态现象和谐波加以区别。下面是XXX医院的采集的部分数据经整理而得到。

根据上面的公式及推理，以A相为例，可以计算得到：在谐波电压总含率THDU从21.6%减小到1.1%，减少量为20.5%；谐波电流总含有率 THDI从35.3%减小到11.3%，减少量为24%的情况下，总功率减小了65W，一天的节电量为1.56KWh。

图3、图4是治理前后电压电流波形图的对比仿真(以A相为例)：

五、结束语

从理论上分析，虽然单纯的谐波含量降低能节省的电量并不是很多。但是由于大量谐波电压电流在电网中游荡并积累叠加导致线路损耗增加、电力设备过热，从而增加的电力运行成本是不可忽视的。

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