杨津听1，杨倩2，刘哲源2，郑龙娟2，杨倬瑜2
1、昆明电器科学研究所 云南 昆明 650221
2、2、云南禹信招标代理有限公司 云南 昆明 650021
3、摘要：对典型医疗设备的谐波特性进行分析研究，得出谐波电流频谱、相位特性及其相互差异；分析研究非线性负载存在的情况下中性线的电流特性，得出此时中性线电流与相线电流之间的关系；针对医疗电力系统的谐波状况，设计了基于有源滤波器的谐波治理方案，并进行了仿真验证。
关键词：电力系统谐波 医疗设备 有源滤波 非线性负载 仿真验证
一 、引言
近年来，随着电网规模的不断扩大和各类用电设备的急剧增加，电力电子设备和高能耗非线性电力负载被大量的应用到电力系统中，造成了一系列诸如谐波污染以及功率因数降低等突出问题。大量谐波会导致集肤效应，进而对输电线路造成不利影响，使其等效截面减小，高频涡流损耗增加，对线路造成破坏；其次，如果功率因数降低，那么基波无功电流有可能会因此而加大，从而导致其占用更多的电网输送容量，不利于系统设备的正常运行。
随着科学技术的发展，医疗建筑中的非线性负载也越来越多，比如核磁共振仪、CT、数字化X光照相机，X摄像机等大型非线性设备，这些设备的投入使用使配电干线上的谐波畸变日益严重。
综上，开展对医疗建筑电力系统的谐波分析研究及抑制对于医疗建筑电力系统安全稳定经济的运行具有一定的理论及实践意义[1]。
二 、电力系统谐波
国际上公认的谐波定义为：“一个周期电气量中频率为基波频率整数倍的正弦波分量。”非线性负载在电网中的使用是产生谐波的主要因素。根据非线性负载的不同特性，将谐波源分为三种：铁磁饱和型设备：主要有电抗器和变压器，磁饱和性具有非线性的特征，产生的谐波次数主要为3次：电力电子型设备：主要有变频器、整流器、可控开关设备、交直流变换装置和逆变器，会引起电网的电压降落和电压波动，产生以5、7、11、13 次为代表的奇次谐波；电弧型设备：主要有电弧焊、电弧炉和电石炉，在电弧燃烧过程中，电弧具有很明显的非线性，使电流波动变化不规律，还会产生负序电流和电压闪变，造成的谐波主要有2、4偶次谐波和3、5、7等奇次谐波。医疗建筑电力系统中主要是铁磁饱和型设备和电力电子型设备。
三 、典型医疗设备的谐波特性分析
3.1 核磁共振仪（MRI）谐波特性
通过对核磁共振仪配电干线的连续测量，通过对测量值进行傅里叶分析。绘制电流有效值、基波电流有效值、各次谐波电流有效值曲线如图1所示。各次谐波电流随着负荷的波动而发生变化，5次谐波与基本电流的变化趋势基本一致，且其含量最大，对配电干线上的电流影响最大。
电流畸变率一天的变化曲线以及电流各次谐波含量的中位数及95%概率值如图2所示。
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不同工作状态下各次谐波含量不同，相位也有差异，但含量最高的均为5 次谐波，设备为感性负载，其基波功率因数分别为0.6、0.47，比电气设计时的标准参考功率因数要小，而由于谐波的作用，设备的总功率因数会更小，因此进行电气设计时选取的设备功率因数应当考虑设备实际运行时的功率因数[2]。
3.2 CT(Computed Tomography)谐波特性
CT(Computed Tomography)，即电子计算机断层扫描，CT 诊断由于它的特殊诊断价值，已广泛应用于临床。通过对CT 设备配电干线的连续测量，可以较为清晰的反映出医疗建筑中CT 设备的工作情况。CT设备工作时设备电流突变率较大，3、5 次谐波的变化曲线相对于其他高次谐波的曲线更为稳定，且在设备工作时含量较大，对系统影响较大。CT设备一天谐波含量基本在30%以上，三相电流谐波总畸变率变化趋势一致，A、C 两相谐波含量相差不大，B 相的电流谐波含量最高，其工作时电流总畸变率在60%~80%之间，电流总畸变率最大可达90%，A、C 相的电流总畸变率在40%~80%之间，电流总畸变率最大可达80%。类似MRI设备的研究，将CT设备工作时的典型电流波形对应的工作状态分为2类，工作状态1 主要出现在8：00~10:00 及14:00~15:00，工作状态2 主要出现在11:00 及16:00 左右。从图中可以看出CT 设备在波峰处畸变严重，电流中主要含有3、5 次谐波。CT 设备的开关电源是产生谐波的主要环节。
3.3 数字X 光机（DR）的谐波特性
数字X 光机（Digital X-ray machine），又称DR，它的出现彻底实现了医用X光摄影的直接数字化，成为现代放射医学的主流数字化设备。通过对数字配电干线的连续测量，可以较为清晰的反映出医疗建筑中数字X 光机的工作情况。X 光机工作时电流突变较大，7、13 次谐波随负荷波动变化较为明显，总的来看，7、13 次谐波在设备工作时谐波含量较大，对设备工作时的影响最大。
电流畸变率一天的变化曲线以及电流各次谐波含量的中位数及95%概率值X 光机C 相谐波畸变率与A、B 两相差别较大，C 相的电流总畸变率最大，电流总畸变率在50%~250%之间，电流总畸变率最大可达300%，其次为B 相，电流总畸变率在50%~100%之间，电流总畸变率最大可达300%，A 相的电流谐波含量最低，电流总畸变率在50%~120%之间，电流总畸变率最大为120%。
数字X 光机配电干线上各处电流都畸变严重，其中5 次谐波含量最高，奇次谐波含量较高，但也含有偶次谐波，高次谐波含量较少，电流总畸变率高达170%。数字X光机 5、3 次谐波含量最高，其次为11、7、9 次谐波，设备为感性负载，其基波功率因数为0.46。数字X 光机的开关电源是产生谐波的主要环节。
3.4 数字减影血管造影（DSA）的谐波特性
数字减影血管造影（digital substraction angiography，DSA），其主要是利用计算机处理数字化的影像信息，使血管清晰显示的技术。血管造影是一种辅助检查技术，在当代技术发达时期，血管造影技术普遍用于临床各种疾病的诊断与治疗当中，有助于医生及时发现病情，控制病情进展。通过对DSA 配电干线的连续测量，可以较为清晰的反映出医疗建筑中DSA 的工作情况。DSA设备中3、5次谐波电流随着负荷的波动而波动，3 次谐波含量最大，其对配电干线电流影响较大。高次谐波的谐波电流含量较低，基本可以忽略。电流畸变率一天的变化是，A、B 相电流畸变率基本相同，C 相的电流总畸变率变化与其他两相明显不同，电流总畸变率在20%~40%之间，电流总畸变率最大可达50%，A、B 两相电流总畸变率在10%~28%之间，电流总畸变率最大可达28%。血管造影机配电干线上的电流畸变严重，电流中的谐波成分相对简单，谐波电流以奇次谐波电流为主，3 次谐波含量最高，此时电流总畸变率为32%。DSA 的开关电源是产生谐波的主要环节。设备为感性负载，基波功率因数为0.71，功率因数较低。
四、谐波治理方案研究
4.1方案设计
目前无源滤波方案虽然简单、方便，但是能够抑制的谐波次数有限，且对于变化的无功负载不能精确补偿，重量体积都比较大；有源滤波可以用于动态抑制谐波、补偿无功，具有良好的响应速度及补偿特性，在理论与实际应用方面都得到很大发展。本文采用有源电力滤波器（APF）进行医疗建筑配电系统的谐波治理，将有源滤波器并联在低压配电系统靠近负载侧，进行谐波治理。根据有源滤波闭环控制策略的不同，分别选择最常见的PI 控制及针对特定次数谐波的比例谐振控制即PR 控制，分析比较两种控制策略对系统谐波的治理效果[3]。
4.1仿真研究
对比分析，可以知道安装PI 控制策略的有源滤波器后，低压配电系统负载侧的电流总谐波畸变率由17.89%降为2.29%，采用PR 控制策略的有源滤波器后，低压配电系统负载侧的电流总谐波畸变率由17.89%降为1.49%，两种方案的都可以对医疗建筑的谐波进行有效治理，其中PR 控制策略的有源滤波器方案滤波效果更好。由此可知，该谐波治理方案可以对医疗建筑的谐波进行有效治理。
五、小结
本文通过对实测数据的分析，得到了医疗建筑典型医疗设备MRI、CT、DR、DSA、等谐波源设备的谐波特性，发现不同设备之间谐波特性存在很大差异。非线性设备的相位差异会导致设备组合使用时各谐波电流之间出现相互消减或相互激励作用，使谐波电流含量变化更显复杂。针对医疗建筑测量分析的实际谐波状况，提出了谐波治理方案，采用有源滤波器技术，可以有效治理医疗建筑谐波。
参考文献：
【1】王葵，李建超，蒋丽 等. 谐波电流对低压配电网的影响分析[J]. 继电器， 2008， 36（7），24-28.
【2】付丽．医疗建筑配电系统谐波特性分析及抑制方法研究[D]．重庆：重庆大学，2015．
【3】唐卓尧, 任震. 并联型混合滤波器及其滤波特性分析[J]. 中国电机工程学报, 2000, 20(5): 25-29.
第一作者简介：杨津听，1969年生，男，汉族，正高级工程师，工程硕士，从事的主要工作：电力拖动自动控制系统，DCS系统，MES系统，先进控制系统，非线性系统、混沌系统的研究、设计、制造；通讯方式：邮编：650221，云南省昆明市龙泉路上马村五台路2号 昆明电器科学研究所 ，电话：13888757144，0871-66243077，e-mail:newtonsmale@qq.com。