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有源滤波装置在医疗机构中的重要性及应用 安科瑞鲍静君
摘要：现今科技发展日新月异，医疗水平不断提高，同时也伴随着各种大型医疗设备的引入，这些医疗设施中产生大量谐波，给医疗设备的电气安全和设备的正常工作带来严重危害，有源滤波装置成为解决这一问题的关键装置。
关键词：有源滤波装置 谐波 治理 医疗机构
0.引言
本文从分析医院中哪些设备是谐波源，分析其危害，提出治理措施，并以实际案例来分析有源滤波装置如何选型。
1.医院供配电系统谐波源
1.1医疗设备
在医疗设备中有大量的电力电子元器件，这些设备在工作时会产生大量谐波，造成污染。比较常见的设备有MRI（核磁共振仪）、CT机、X线机、DSA(心血管造影机）等。其中，MRI工作时会生成射频脉冲和交变磁场来产生核磁共振，而射频脉冲和交变磁场都会带来谐波污染；X光机中高压整流器的整流桥工作时将产生较大谐波，而且X光机为瞬时性负荷，工作时电压可达几十千伏，变压器的原边将增加60~70kw的瞬时负荷，也会增加电网谐波。
1.2电器设备
医院中的通风设备如空调、风机等，以及照明设备如荧光灯都会产生大量谐波。为了节约能源，医院中大都采用变频风机及空调。变频器是一种非常重要的谐波源，其总谐波电流畸变率THD-i达到33%以上，会产生大量5、7次谐波电流污染电网。医院内部的照明设备中，有大量的荧光灯具，也会产生大量的谐波电流。当多个荧光灯接成三相四线负载时，中线会流过很大的三次谐波电流。
1.3通信设备
目前医院均为计算机网络化管理，这就表示计算机数量、视频监控和音频设备数量很多，而这些都是典型的谐波源。此外，计算机网络管理系统中有存储数据的服务器，必须配有UPS等备用电源。UPS先将市电整流成直流电，一部分储存在电池中，另一部分通过逆变器转换成稳压交流电向负载供电；当市电终端供应时，改由电池向逆变器供电以继续工作，保证负载的正常运作。而我们知道，整流和逆变会采用到IGBT和PWM技术，所以UPS在工作时会产生大量3、5、7次谐波电流。
2.谐波对医疗设备的危害
从上面的描述中我们可以发现，医院的配电系统中有很多谐波源，会产生大量谐波（以3、5、7次谐波为*多）严重污染电网，引起谐波超标、中性线谐波过载等电能质量问题。这些问题都会影响医疗设备的使用。
2.1谐波对影像采集类设备的危害
由于受到谐波的影响，医疗工作人员经常会遇到设备故障。这些故障轻则发生数据差错、图像模糊、信息丢失等问题，重则损坏电路板元器件造成医疗设备无法继续正常工作；特别是一些成像设备，受到谐波影响时内部的电子元件可能会记录波动并改变输出，将导致波形图像重叠变形或模糊不清，容易造成误诊。
2.2谐波对治疗护理仪器的危害
治疗用电子仪器有很多，受谐波危害较大的是手术治疗仪器。手术治疗是指用激光、高频电磁波、放射线、微波、超声等单独的或配合传统手术的治疗。相关设备受到谐波干扰，输出信号中将含有杂波或直接放大谐波信号，对患者造成强烈的电刺激，在对某些重要部位进行治疗时，存在重大安全隐患。而护理仪器比如呼吸机、起搏器、心电监护仪等都与被监护人的生命息息相关，有些仪器的信号本身就非常微弱，当受到谐波干扰时可能导致采集信息错误甚至无法工作，给患者和医院造成重大损失。
3.谐波的治理措施
根据谐波的产生原因，其治理措施大致可分为以下三种：减少系统阻抗、限制谐波源、安装滤波装置。
3.1减少系统阻抗
要达到减少系统阻抗的目的，就要减少非线性用电设备与电源间的电气距离，换句话说就是提高供电电压等级。比如某钢厂的主要设备是电弧炉，原先用35KV供电，由两个110KV的变电所分别架设一回35KV专线供电，在35KV的母线上测得谐波分量较高；后改用一个距离只有4公里的220KV变电所架设5回35KV专线供电，母线上谐波情况明显好转，此外该厂还使用了较大容量的同步发电机，使这些非线性负荷的电气距离大大下降，使该厂产生的谐波量减少。这种方法的投资*大，需要和电网发展规划协调，适用于大型工业项目，而且医院要求不间断连续供电，一般由两个或以上变电所供电，故不优先考虑此方法。
3.2限制谐波源
此法需要改变谐波源的配置，限制大量产生谐波的工作方式，集中使用具有谐波互补性的装置使设备谐波互相抵消；增加变流装置的相数，使特征谐波次数提高，从而大大地降低谐波电流的有效值。这种方法需要重新布置设备线路，协调安排仪器的使用配合，具有较高的局限性。医院可以根据自身情况稍作调整，可以在一定程度上减少谐波量。
3.3安装滤波装置
目前常用的交流滤波装置有：无源滤波装置、有源滤波装置（APF）两种。无源滤波装置又称LC滤波装置，是利用LC谐振原理，人为地造成一条串联谐振支路，为准备滤除的特定次数谐波提供阻抗极低的通道，使之不注入电网。无源滤波装置结构简单，吸收谐波效果较明显，但于固有频率的谐波，而且补偿特性售电网阻抗的影响很大（在特定频率下，电网阻抗和LC滤波装置之间可能会发生并联谐振或串联谐振）。有源滤波装置（APF）是一种新型电力电子装置，用于动态抑制谐波、补偿无功。它能够实时的采集并分析负载的电流信号，分离各次谐波和无功，通过控制器控制变流器输出与谐波及无功电流等幅、反向的补偿电流，抵消负载中谐波电流，从而达到谐波治理的目的。有源滤波装置具有实时跟踪、响应迅速、补偿（可同时补偿无功和2~31次谐波）等显着的优点。
4 ANAPF有源滤波装置在医疗机构中的具体应用
随着人们生活水平的不断提高以及人口老龄化加速到来，医疗服务需求正在稳步增加，医疗服务产业即将进入快速增长期，而医疗行业*显着也是*重要的代表就是医院。由于医院特殊的社会价值和重要性，其电能质量问题的解决刻不容缓。
4.1 ANAPF的选型
谐波治理的好处，首先就是病患和医护人员的人身安全的到**，即通过治理谐波减少或消除其对配电系统的不良影响，保证变压器和医疗仪器的正常运行；其次直接体现经济效益，即**低压电容补偿系统的正常运行，发挥其应有的作用，降低电网中谐波含量，并且提高功率因数，减少无功损耗，延长设备使用寿命。
某市高新区人民医院配电系统，主要负载为电子医疗精密设备、照明及变频通风设备、计算机及UPS等，其主要负载谐波电流畸变率大致可参考下表。
通过现场人员了解到，此次需要治理谐波的负载集中在4台变压器下，这4台变压器容量分别为：两台1600KVA，具体参数如图1所示。
图1 苏州高新区人民医院3#变压器
两台2000KVA，具体参数如图2所示。
图2 苏州高新区人民医院5#变压器
根据变压器容量及具体设备使用情况，我们可以发现系统中多数为非线性设备，产生了大量谐波，对无功柜和其他用电设备均会产生影响。为了避免这种危害，考虑到治理效果和成本，并结合客户治理需求，根据公式（1）估算，我们此次的方案定为用两台200A的有源滤波装置和两台250A的有源滤波装置分别对4台变压器二次侧进行集中补偿。其中两台1600KVA的变压器采用200A的APF配套3000/5的采样电流互感器，两台2000KVA的变压器采用250A的APF配套4000/5的采样电流互感器。
4.2 ANAPF的安装方式
本项目柜体采用的是模块化组合式安装，如图1所示，该方式在此项目中有以下几个优点：
（1）可根据负载使用变化随时增、减APF设备的容量；
（2）每个模块单独安装散热单元，并可在柜体上加装散热风扇，散热效果良好；
（3）多个模块之间虽有通讯连接，但各台的故障并不会相互影响其它模块继续工作；
（4）后期维护方便，可实现故障模块单独维修、更换；维护期间ANAPF有源滤波装置可持续工作。
图1 模块化组合式安装示意图
本项目中的安装方案为负载侧集中补偿，安装方便，只需要将柜体放至*位置并接入主电路接线以及电流互感器接线即可调试使用，接线原理图如图3所示。
图3 主回路接线及互感器接线原理图
其中主电路接线一端接于主母排并线点，另一端接于ANAPF的柜后进线汇流铜排A/B/C/N上；电流互感器套在ANAPF并网点和需要补偿的负载之间进行采样，然后将信号接至柜内互感器接线端子上。
5.结语
从本文中我们可以了解到谐波对医疗行业的危害是很大的，大量的谐波会影响精密仪器的性能和使用，严重时可能危及人身安全；还会增加线路功率损耗和导体发热量，降低设备使用效率和寿命，故治理谐波的重要性不言而喻。通过安装有源滤波装置，能够很好地达到治理谐波的目的，从而**人身和设备安全。从短期来看，治理谐波需要一定的前期资金投入；但从长久发展来看，ANAPF有源滤波装置后期维护方便，可实时投切使用，它治理谐波所带来的经济效益和净化电网的社会效益也是很明显的。
【参考资料】
【1】安科瑞电能质量监测与治理选型手册。2015.08版
【2】安科瑞电气股份有限公司产品手册.2013.01.版
抑制数据中心谐波放大及分布式治理策略 安科瑞鲍静君
摘要：本文主要以某大型数据中心谐波治理为例，阐述数据中心谐波产生的原因和相应的有源电力滤波器谐波治理策略。
关键词：智慧能源；UPS；电压谐波；谐波放大；APF
1、引言
在实际工程应用中不难发现，由于电力输配电设施老化、设计不良和供电不足等原因造成末端电压过低，前端电压过高，这对电压要求较高的精密设备造成了很大的威胁。据统计当前公用电网影响用户用电设备的问题主要有电压闪变、谐波干扰、电网噪音、频率漂移、过电压、欠电压、断电及间断等现象。以上问题不可能在短时间内做出解决，比较现实的解决途径是在电网和用电设备之间插入一个二次供电设备，实现局部高品质的供电环境。一般常用的设备为不间断电源系统UPS，它在我国的应用已经非常普遍，广泛应用于互联网、数据中心、银行清算中心、证券交易中心、民航和铁路的控制中心、监控系统等等核心用电部门。但是由于UPS属于电力电子设备，正常工作的时候也会产生谐波电流，由于UPS拓扑结构的不同产生的谐波电流频次和谐波有效值有很大的差异，本文就以大型数据中心的UPS为例，合理分析谐波电流频次，采用分布式治理的方法，有效抑制谐波电流放大，优化电能质量，提高设备用电效率。
2、谐波电压对电网的影响
2.1 谐波电压对配电系统的影响
一般来说理想的交流电源是纯正弦波形，纯正弦的交流电压加在线性负载两端，会产生纯正弦的交流电流。但是纯正弦的交流电压加在非线性负载两端，会产生失真的交流电流，同时导致纯正弦交流电压失真。失真的交流电压无论加在线性负载或非线性负载两端，都会产生失真的交流电流。
图 1 某数据中心配电系统测量示意图（无功柜未投入）
如图 1所示，1#主变和2#主变共用一段10KV母线，1#主变下UPS1没有投入运行，主要负载全是线性负载，2#主变下UPS2投入运行，主要负载全是非线性负载，两边电容柜没有投入运行，联络柜中联络开关始终处于断开状态。单独运行1#主变时，测量点M1处没有谐波电流和谐波电压；单独运行2#主变时，测量点M2处有谐波电流和谐波电压；同时运行1#主变和2#主变时，测量点M1和M2处都有谐波电流和谐波电压存在。
2.2 谐波电压对滤波装置的影响
有源电力滤波器从拓扑结构上分为串联型有源电力滤波器、并联型有源电力滤波器和混合型有源电力滤波器。目前市场上的有源电力滤波器几乎都属于并联型，并联型有源电力滤波器主要原理是通过互感器采集被补偿负载的电流，通过计算分析提取出负载电流的谐波成分，有源电力滤波器被动输出反向的谐波电流来抵消系统中的谐波电流，达到谐波补偿目的。
图2 某数据中心配电系统测量示意图（增加APF）
如图2所示，1#主变和2#主变共用一段10KV母线，1#主变下UPS1没有投入运行，主要负载全是线性负载，2#主变下UPS2投入运行，主要负载全是非线性负载，联络柜中联络开关始终处于断开状态。单独运行1#主变时，测量点M1处没有谐波电流和谐波电压；单独运行2#主变时，测量点M2处有谐波电流和谐波电压，开启APF2补偿后，测量点M2处谐波电压和谐波电流有效值减小；同时运行1#主变和2#主变时，测量点M1和M2处都有谐波电流和谐波电压存在，单独开启APF1，测量点M1和M2处谐波电流和谐波电压有效值没有变化，单独开启APF2，测量点M1和M2处谐波电流和谐波电压有效值同时减小。
上述测试中有一种情况比较特殊，在同时运行1#主变和2#主变，单独开启APF1进行补偿时，虽然滤波器有谐波电流输出，但是测试点M1和M2处谐波电流和谐波电压有效值并没有减小，测量1#主变下线性负载上的电流谐波有效值，有明显的放大现象。这说明2#主变下非线性负载引起谐波电流失真，导致10KV段电压失真，失真的电压加在1#主变的线性负载两端，使M1点出现了谐波电流和谐波电压。虽然APF1对线性负载的谐波电流进行了补偿，但M1点的谐波电流和谐波电压不会改变，相对于APF1并线点的网侧谐波电流和谐波电压有效值不变，负载侧谐波电流有效值增大。因此，并联型有源电力滤波器并不能有效滤除电压谐波引起的电流谐波，相反，会使负载侧谐波电流变的更大。
3、谐波分布式治理
工程中往往谐波的产生是多方面的，非线性负荷引起的谐波、背景谐波、补偿装置谐波放大等等现象，都是引起谐波产生的重要因素。
图3 中国银行某数据中心配电系统图
如图3所示，是中国银行某数据中心的配电一次图，正常运行时联络柜中母联断路器始终保持断开状态，T1变压器和T2变压器下负载全是12脉冲整流的UPS（T1：SUA2-1、SUA2-2、SUA2-3、SUA5-1、SUA5-2；T2：SUB2-1、SUB2-2、SUB2-3、SUB5-1、SUB5-2）,两台变压器所带负载基本一致，前期APF1和APF2没有投入运行，测量T1变压器和T2变压器进线柜谐波电压电流，如图4和图5所示：
图4补偿前谐波电压波形及畸变率
图5 补偿前谐波电流波形及有效值
从上图中可以看出，12脉冲整流型UPS输入侧谐波电流应该是以11次和13次为主，但实际侧量发现明显5次、7次谐波非常大。通过对UPS故障排查发现由于12脉冲整流器使用可控整流方式，上下整流桥调相角度不一致或上下桥直流输出带载不对称等原因造成了UPS输入端5次、7次谐波并没有完全抵消，这些没有抵消的5次、7次谐波经过11次滤波器时谐波被放大，这就出现了我们看到的图4和图5的情况。
为了滤除现场谐波电流，主动断开所有UPS的11次谐波滤波器滤波支路，增大APF滤波容量，考虑使用APF补偿UPS产生的所有谐波频次。UPS谐波滤波器改造完成后，同时运行APF1和APF2，测量T1变压器和T2变压器进线柜谐波电压电流，如图6和图7所示：
图6 补偿后谐波电压电流波形
图7 补偿后谐波电压电流有效值
以上数据满足GB/T 14549-93《电能质量 公用电网谐波》的相关限值。通过对现场系统和负荷特性的了解，分析负荷故障原因，避免了UPS自带无源滤波器与UPS间的并联谐振，抑制电流谐波放大；采用分布式补偿方案，避免变压器间电压畸变引起的电流畸变，从而有效的滤除UPS产生的谐波电流，解决了现场谐波对公用电网的污染问题。
4、结束语
本文分析了数据中心主要负荷UPS谐波产生的主要原因、UPS内部无源滤波原理、谐波电压和谐波电流间的互相关系以及在工程项目中如何判断谐波引起的故障，并提出解决方案，抑制谐波电流的放大，采用合理的补偿策略，*终达到滤除谐波污染的目的。得出结论：
1.UPS的谐波主要是由相控整流功率器件引起的；
2.12脉冲整流型UPS上下桥调相角或带载不对称时，输入端11次谐波滤波器会与UPS未抵消的5次、7次谐波电流产生谐振，放大5次、7次谐波电流；
3.有源电力滤波器APF并不适用于谐波电压（背景谐波）引起的谐波电流滤波场合；
4.电能质量优化工程项目中，了解现场负荷特性、分析故障根本原因，是解决工程项目谐波治理的必要条件。
文章来源：《电气时代》2017年12期。
参考文献：
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