王新
摘 要
石油钻井的动力系统大多为柴油发电机组并联孤岛模式运行。由于井场负荷含有大量变频设备，对柴油发电机组的控制系统产生干扰，甚至引发停机断电的事故。本文通过对井场电力负荷和发电机组控制系统进行研究，分析谐波产生原因和对发电机组控制系统产生的影响。从而采取了一系列的谐波控制措施，对控制系统进行了抗干扰的改进，消除谐波对控制系统的影响，来提高柴油发电机组运行的稳定性和可靠性。
关键词
石油钻井 柴油发电机组 控制 谐波
中图分类号： P641.7 文献标识码： A
DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.04.76
0 概述
石油钻井选址大多在电网不够发达的偏远地区，因此井场大都采用柴油发电机组作为主动力，发出的600V/50HZ交流电提供给井场的电力设备和生活用电。发电机组输出功率大部分需要经过整流设备驱动电动机，从而产生了大量谐波，对发电机组控制系统造成干扰导致异常停机，影响供电质量。
1 谐波分析
根据负荷特性对井场用电设备进行分类，主要分为3类：（1）钻机交流驱动系统，主要为转盘、绞车、泥浆泵等。该部分为钻井主要动力设备，负荷容量较大。柴油发电机发出的电能经变频单元，采用AC-DC-AC的传动方式实现电动机调速，从而满足钻井工艺要求。（2）马达控制中心（MCC）控制井场所有电动机的负荷分配，主要为泵类和搅拌机等，其中包含大量的电机软启动器、UPS等。（3）600V/400V降压变压器，为井场辅助设备和生活用电提供AC 400V电源。变压器的非线性磁化特性使励磁电流含有高次谐波，这部分负荷容量相对较小。综上所述，交流变频装置等非线性负载是产生谐波干扰的主要来源。
图1 控制系统原理图
由于变频器采用AC-DC-AC的传动方式，外部输入的工频电源经三相桥路不可控整流成直流电压，经电容滤波及大功率晶体管开关元件逆变为频率可变的交流电压。在整流回路中，输入电流的波形为不规则的矩形波，波形按傅立叶级数分解为基波和各次谐波，谐波次数通常为6n±1次高次谐波，其中的高次谐波将干扰输入供电系统以及其他临近设备。
2 谐波影响
该案例中的发电机组控制系统采用科迈IGS-NT控制器作为核心部件。发动机的启动、停止，断路器的自动分、合闸都是由控制器完成控制。此外，它还负责柴油机数据采集，发电机数据采集，报警保护，配合柴油机调速系统和发电机调压系统进行自动闭环控制，控制多台发电机组之间的并联运行、负荷分配等。因此，控制器工作的可靠与否直接关系到发电机组的正常运行，以及供电质量。
2.1 干扰引入方式
（1）由数据采集线引入：发电机电压、电流信号，母线电压信号，AVR电源及反馈信号都是直接来自动力母排，而供电系统中由于含有高次谐波，将会从信号采集线引入控制器，从而干扰控制系统。
（2）由于发电机组控制屏中即包含控制系统，又安装有断路器和汇流母排。控制器接受来自强电电路周围的电磁干扰，在通讯线中感应出电压、电流，影响正常的信号通讯。
2.2 造成的主要影响
（1）由于信号通讯电缆受到空间电磁干扰，引起通讯口信号工作异常从而产生大量的柴油机ECU报警信息。例如：电池电压异常、油温异常、油压异常等。通过实际检查，这些数据均正常，完全是由于谐波干扰造成的误报警。有时还会对并机通讯线产生干扰导致其他机组无法正常并机，严重时甚至引起通讯接口损坏。
（2）谐波通过电压、电流检测回路直接进入控制器，造成检测信号失真，引起误报警。例如：U/V相电压低、或高，导致断路器跳闸停机;母线电压检测异常，无法并机;频率异常报警，导致调速回路工作异常从而停机。
通过现场实际应用情况可知，以上问题尤其在使用多台大负荷变频设备时产生，小负荷工况下发电机组正常运行。由此可认定这些报警信息都是来自谐波干扰，已经严重影响了发电机组的正常運行，在某些特殊工况下突然停电甚至会引发生产事故。因此我们需要对控制系统做出改进，以保证使发电机组正常运行。
3 谐波治理
在实际应用中，对于谐波干扰的控制方法主要从传导、辐射和耦合三个方面解决，原则是抑制和切断干扰源，切断干扰对系统的耦合通道和降低对干扰信号的敏感性。根据以上思路，通过对控制系统的分析，我们对发电机组控制系统采取了以下措施：
3.1 隔离
（1）发电机励磁系统由无刷自励改为永磁发电机励磁，永磁发电机系统提供一个与定子负载无关的恒定的励磁电源，不受由非线性负载产生的主定子输出电压的波形畸变的干扰。
（2）自动电压调节器AVR通过隔离变压器向来自主定子绕组的电压感应信号作出反馈，对干扰信号进行了隔离。
（3）控制器的电压信号采集回路（包括发电机电压和母排电压）增加隔离变压器，利用其铁芯高频损耗大的特点，有效抑制高频杂波传入控制回路。
（4）控制器之间的并联通讯接口增加总线隔离中继器，采用光电隔离技术，可实现接口彼此之间的电气隔离，大大提高了总线的抗干扰性能。
3.2 屏蔽
控制器与发动机ECU之间的通讯线和控制器之间的并联通讯线等涉及到数据传输的线路均采用双绞屏蔽电缆，以降低共模干扰，屏蔽层单端接地。
3.3 接地
现场控制系统接地线单独接地，与现场动力系统的接地线分开。避免动力系统的电磁干扰。
3.4 硬件选型
目前，市场上的发电机组控制器品牌众多，质量等级参差不齐，要选择符合电磁兼容性要求的产品，一些简易的低端产品则无法满足抗干扰的需求。其他元件如隔离变压器、中继器等均需要选择质量可靠的工业级产品。
通过采取以上措施，对发电机组控制系统进行了改进，经过现场验证，大大提高了控制系统的稳定性，保证了发电机组的供电质量。
4 结语
电力系统的谐波干扰包括电网侧和负载侧，本文只针对发电机组控制系统对电网侧干扰的被动控制方法进行了阐述。在实际应用中，根据应用场合的不同，对谐波的要求以及谐波对现场的危害程度也不一样，所以是否需要治理以及治理方法也会存在差异，以保证系统安全、可靠、稳定的运行为前提条件。
参考文献
[1]王廷才.变频器原理及应用[M].机械工业出版社.2017.
