醫(yī)院諧波監(jiān)測(cè)與治理

廣東工業(yè)大學(xué) 韋 荷 廉迎戰(zhàn)

廣東中鈺科技有限公司 余宇航

一、引言

隨著社會(huì)的高速發(fā)展，醫(yī)院引進(jìn)的先進(jìn)醫(yī)療設(shè)備與高精度儀器越來(lái)越多，如：XRAY射線儀器、超聲波、氧氣傳輸系統(tǒng)、二維圖像彩色B超儀、全身螺旋CT掃描儀、單(雙)光子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層掃描機(jī)、全自動(dòng)生化儀等。目前，醫(yī)院的低壓配電系統(tǒng)有大量的諧波源負(fù)荷，會(huì)產(chǎn)生大量的3、5、7、……次諧波，嚴(yán)重污染電網(wǎng)，危害設(shè)備，減少電氣使用壽命、增加成本。大量的單相非線性負(fù)荷會(huì)造成三相不平衡、諧波超標(biāo)、中性線諧波過(guò)載等電能質(zhì)量問題，因此醫(yī)院諧波的監(jiān)測(cè)與治理十分必要。

二、諧波的監(jiān)測(cè)

由于諧波具有固有的非線性、隨機(jī)性、分布性、非平穩(wěn)性和影響因素的復(fù)雜性等，因此難以對(duì)諧波進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，為此，許多學(xué)者對(duì)諧波測(cè)量問題進(jìn)行廣泛研究?，F(xiàn)有諧波檢測(cè)法按原理可分為：模擬濾波器、基于Fryze傳統(tǒng)功率定義的諧波檢測(cè)法、基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的諧波檢測(cè)法、基于傅立葉變換的諧波檢測(cè)法、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的諧波檢測(cè)法、自適應(yīng)諧波檢測(cè)法和基于小波分析的諧波檢測(cè)法。其中基于傅立葉變換的諧波測(cè)量是當(dāng)今應(yīng)用最多也是最廣泛的一種方法，使用此方法測(cè)量諧波，精度較高、功能較多、使用方便。

在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)受到儀器和軟件的限制時(shí)，要求采樣點(diǎn)數(shù)不大于一個(gè)給定的極值，測(cè)量時(shí)間也要加以限定。與基本傅立葉周期的測(cè)量時(shí)間差將導(dǎo)致信號(hào)起點(diǎn)與測(cè)量窗終點(diǎn)并不連續(xù)。這會(huì)在對(duì)分量辨識(shí)的過(guò)程中出現(xiàn)錯(cuò)誤，即所謂頻譜泄漏。通常的解決方法是分析之前對(duì)隨時(shí)間變化的信號(hào)作加權(quán)時(shí)間窗處理，常常使用的兩種測(cè)量窗是矩形窗和海寧窗。在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，選用矩形窗和海寧窗插值算法可滿足測(cè)量精度的要求。

三、諧波的治理

有三個(gè)不同的解決方案可以用來(lái)降低諧波發(fā)射等級(jí)：1)通過(guò)對(duì)自身結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，減少非線性負(fù)荷產(chǎn)生的諧波；2)加裝諧波濾波器（無(wú)源和有源）；3）安裝隔離變壓器和能抑制諧波的變壓器。每一個(gè)方案都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，通常難以確定哪個(gè)方案最好。為了避免在不適用的和無(wú)效的方案上浪費(fèi)大量資金，需要對(duì)問題進(jìn)行分析，選擇最有效的方案。

表1 處理前各相諧波電壓含有率

表2 處理前各相諧波電流含有率

表3 處理后各相諧波電壓含有率

表4 處理后各相諧波電流含有率

圖1 電壓波形仿真圖

圖2 電流波形仿真圖

圖3 治理前后電壓波形對(duì)比圖

圖4 治理前后電流波形對(duì)比圖

(一)減少非線性負(fù)荷的諧波發(fā)射

降低諧波幅值的技術(shù)方案將隨負(fù)荷類型而定，而這些方案涉及結(jié)構(gòu)與技術(shù)的改進(jìn)工作。

(二)換流器主電路中的電抗器

交流側(cè)電抗器或直流側(cè)電抗器的使用能極大降低換流器電流畸變的程度。

(三)多脈動(dòng)換流器系統(tǒng)

在降低換流器電流畸變率，減緩諧波在電力系統(tǒng)中的負(fù)面影響中，增加換流器設(shè)備的脈動(dòng)數(shù)是最普遍的方法。串聯(lián)或者并聯(lián)較小脈動(dòng)數(shù)的換流器并確保每個(gè)橋的供電電壓之間有適當(dāng)?shù)南辔灰?，能?shí)現(xiàn)等效多脈動(dòng)的運(yùn)行模式。

(四)換流器輸入電流的主動(dòng)整形

當(dāng)今電力電子技術(shù)最重要的目標(biāo)之一是，設(shè)計(jì)出對(duì)電網(wǎng)影響更小的交/直流換流器，。這就是所謂的功率因數(shù)校正換流器(PFC換流器)。帶有直流濾波電容器的單相整流器輸入電流的主動(dòng)整形原理，它一般用于住宅和辦公場(chǎng)所。

(五)無(wú)源濾波器

在電壓畸變率超過(guò)或可能超過(guò)限值的地點(diǎn)，需要在供電母線上安裝濾波器。目前使用的幾乎都是LC元件組成的無(wú)源并聯(lián)濾波器，通過(guò)選擇LC元件，形成與供電網(wǎng)阻抗并聯(lián)的低阻抗支路。它們有兩個(gè)任務(wù)，即消除諧波電流和通過(guò)無(wú)功補(bǔ)償降低系統(tǒng)基波負(fù)擔(dān)。所有濾波器對(duì)于基波都呈現(xiàn)為容性。

無(wú)源濾波器的缺點(diǎn)：

1)裝有無(wú)源濾波器的電力系統(tǒng)是一個(gè)弱阻尼的LCR電路，為了排除諧振現(xiàn)象發(fā)生，要求在設(shè)計(jì)階段對(duì)頻率特性進(jìn)行仔細(xì)的分析。2)濾波器的效果很大程度上取決于連接點(diǎn)的電網(wǎng)阻抗。一般來(lái)說(shuō)無(wú)法等到其精確值，并且系統(tǒng)阻抗隨著電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的改變而變化。3)由于電源頻率的變化和LC參數(shù)的改變，濾波器會(huì)發(fā)生失諧的問題。失諧的負(fù)面影響可以通過(guò)合適的調(diào)諧或降低濾波器品質(zhì)因數(shù)來(lái)減輕。但后者會(huì)增大有功損耗，會(huì)使電源電壓中未被濾除的諧波成分增多。4)濾波回路電流中常常含有電源電壓諧波產(chǎn)生的諧波電流。

(六)有源濾波器

為了有效地消除電力系統(tǒng)諧波，發(fā)展了綜合性能優(yōu)于由電感(L)、電容(C)構(gòu)成的傳統(tǒng)無(wú)源電力濾波器的有源電力濾波器(Active Power Fi1ter，APF)。有源電力濾波器借助適當(dāng)?shù)目刂萍夹g(shù)，能夠?qū)Ω鞔沃C波進(jìn)行有效補(bǔ)償，且不受系統(tǒng)參數(shù)影響，因而成為電力系統(tǒng)諧波治理的主要研究方向。

有源電力濾波器可以有效地抑制與補(bǔ)償電力系統(tǒng)中的諧波，它通過(guò)監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)諧波狀況，在線計(jì)算出所含諧波分量，產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)，去控制可關(guān)斷功率器件，一般是絕緣柵雙極晶體管(IGBT)構(gòu)成的逆變電路，產(chǎn)生所需補(bǔ)償?shù)碾娏髦C波分量，并聯(lián)接入產(chǎn)生諧波的主回路中，達(dá)到迅速的動(dòng)態(tài)跟蹤抑制諧波的效果。有源濾波器與無(wú)源濾波器相比具有不局限于某些次諧波的償，對(duì)變化的諧波能進(jìn)行迅速的動(dòng)態(tài)跟蹤補(bǔ)償，與系統(tǒng)電網(wǎng)無(wú)諧振現(xiàn)象等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)得到了廣泛的應(yīng)用。

四、諧波治理與節(jié)能優(yōu)化

以周期電流i(t)為例，它的有效值I定義為：

由此可見，周期量的有效值等于它的瞬時(shí)值的平方在一周期內(nèi)平均值的平方根，所以有效值又稱為均方根值。

在電網(wǎng)中，如果電壓和電流都是具有非正弦波形，將電壓和電流分別分解為傅立葉級(jí)數(shù)：

將上式的右邊展開以后，可分成許多項(xiàng)的積分，一類含有各諧波瞬時(shí)值平方的平均值：

而另一類項(xiàng)含有不同次數(shù)諧波瞬時(shí)值的乘積的2倍平均值，這類項(xiàng)應(yīng)等于零：

由此可見，非正弦周期電流的有效值，等于其各次諧波電流有效值的平方和的平方根值：

同理可得，非正弦周期電壓u(t)有效值為：

正弦波形畸變率是指畸變波形偏離正弦波形的程度。各次諧波有效值的平方根值與其基波有效值的百分比，稱為正弦波形畸變率（total harmonic distortion，THD），簡(jiǎn)稱畸變率。電壓正弦波形的畸變率（ THDU）為：

式中，U1為額定基波電壓，有時(shí)也用實(shí)際基波電壓的有效值來(lái)表示。為了抑制和補(bǔ)償某次諧的數(shù)值，常以諧波含量來(lái)表示，電壓畸變波形的第n次諧波電壓含有量(THDUn)為：

電流正弦波形的畸變率（ THDI）為：第n次諧波電流的含有量（THDIn）為：

圖1、圖2是仿真實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果。

從以上兩圖可以看出，偶次諧波對(duì)波形的影響較小，可以忽略不計(jì)，然而奇次諧波對(duì)波形的影響非常大，所以在下面對(duì)真實(shí)數(shù)據(jù)的處理只對(duì)奇次諧波進(jìn)行研究。

以下是根據(jù)國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議工作組建議，在測(cè)量和計(jì)算各次諧波的有效值時(shí)，給出的是它在5s內(nèi)平均的有效值。這樣可以對(duì)暫態(tài)現(xiàn)象和諧波加以區(qū)別。下面是XXX醫(yī)院的采集的部分?jǐn)?shù)據(jù)經(jīng)整理而得到。

根據(jù)上面的公式及推理，以A相為例，可以計(jì)算得到：在諧波電壓總含率THDU從21.6%減小到1.1%，減少量為20.5%；諧波電流總含有率 THDI從35.3%減小到11.3%，減少量為24%的情況下，總功率減小了65W，一天的節(jié)電量為1.56KWh。

圖3、圖4是治理前后電壓電流波形圖的對(duì)比仿真(以A相為例)：

五、結(jié)束語(yǔ)

從理論上分析，雖然單純的諧波含量降低能節(jié)省的電量并不是很多。但是由于大量諧波電壓電流在電網(wǎng)中游蕩并積累疊加導(dǎo)致線路損耗增加、電力設(shè)備過(guò)熱，從而增加的電力運(yùn)行成本是不可忽視的。

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