柴油發(fā)電機組控制系統(tǒng)諧波干擾控制方法研究

王新

摘 要

石油鉆井的動力系統(tǒng)大多為柴油發(fā)電機組并聯(lián)孤島模式運行。由于井場負荷含有大量變頻設備，對柴油發(fā)電機組的控制系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，甚至引發(fā)停機斷電的事故。本文通過對井場電力負荷和發(fā)電機組控制系統(tǒng)進行研究，分析諧波產(chǎn)生原因和對發(fā)電機組控制系統(tǒng)產(chǎn)生的影響。從而采取了一系列的諧波控制措施，對控制系統(tǒng)進行了抗干擾的改進，消除諧波對控制系統(tǒng)的影響，來提高柴油發(fā)電機組運行的穩(wěn)定性和可靠性。

關鍵詞

石油鉆井 ?柴油發(fā)電機組 ? 控制 ?諧波

中圖分類號： P641.7 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.04.76

0 概述

石油鉆井選址大多在電網(wǎng)不夠發(fā)達的偏遠地區(qū)，因此井場大都采用柴油發(fā)電機組作為主動力，發(fā)出的600V/50HZ交流電提供給井場的電力設備和生活用電。發(fā)電機組輸出功率大部分需要經(jīng)過整流設備驅(qū)動電動機，從而產(chǎn)生了大量諧波，對發(fā)電機組控制系統(tǒng)造成干擾導致異常停機，影響供電質(zhì)量。

1 諧波分析

根據(jù)負荷特性對井場用電設備進行分類，主要分為3類：（1）鉆機交流驅(qū)動系統(tǒng)，主要為轉(zhuǎn)盤、絞車、泥漿泵等。該部分為鉆井主要動力設備，負荷容量較大。柴油發(fā)電機發(fā)出的電能經(jīng)變頻單元，采用AC-DC-AC的傳動方式實現(xiàn)電動機調(diào)速，從而滿足鉆井工藝要求。（2）馬達控制中心（MCC）控制井場所有電動機的負荷分配，主要為泵類和攪拌機等，其中包含大量的電機軟啟動器、UPS等。（3）600V/400V降壓變壓器，為井場輔助設備和生活用電提供AC 400V電源。變壓器的非線性磁化特性使勵磁電流含有高次諧波，這部分負荷容量相對較小。綜上所述，交流變頻裝置等非線性負載是產(chǎn)生諧波干擾的主要來源。

圖1 控制系統(tǒng)原理圖

由于變頻器采用AC-DC-AC的傳動方式，外部輸入的工頻電源經(jīng)三相橋路不可控整流成直流電壓，經(jīng)電容濾波及大功率晶體管開關元件逆變?yōu)轭l率可變的交流電壓。在整流回路中，輸入電流的波形為不規(guī)則的矩形波，波形按傅立葉級數(shù)分解為基波和各次諧波，諧波次數(shù)通常為6n±1次高次諧波，其中的高次諧波將干擾輸入供電系統(tǒng)以及其他臨近設備。

2 諧波影響

該案例中的發(fā)電機組控制系統(tǒng)采用科邁IGS-NT控制器作為核心部件。發(fā)動機的啟動、停止，斷路器的自動分、合閘都是由控制器完成控制。此外，它還負責柴油機數(shù)據(jù)采集，發(fā)電機數(shù)據(jù)采集，報警保護，配合柴油機調(diào)速系統(tǒng)和發(fā)電機調(diào)壓系統(tǒng)進行自動閉環(huán)控制，控制多臺發(fā)電機組之間的并聯(lián)運行、負荷分配等。因此，控制器工作的可靠與否直接關系到發(fā)電機組的正常運行，以及供電質(zhì)量。

2.1 干擾引入方式

（1）由數(shù)據(jù)采集線引入：發(fā)電機電壓、電流信號，母線電壓信號，AVR電源及反饋信號都是直接來自動力母排，而供電系統(tǒng)中由于含有高次諧波，將會從信號采集線引入控制器，從而干擾控制系統(tǒng)。

（2）由于發(fā)電機組控制屏中即包含控制系統(tǒng)，又安裝有斷路器和匯流母排?？刂破鹘邮軄碜詮婋婋娐分車碾姶鸥蓴_，在通訊線中感應出電壓、電流，影響正常的信號通訊。

2.2 造成的主要影響

（1）由于信號通訊電纜受到空間電磁干擾，引起通訊口信號工作異常從而產(chǎn)生大量的柴油機ECU報警信息。例如：電池電壓異常、油溫異常、油壓異常等。通過實際檢查，這些數(shù)據(jù)均正常，完全是由于諧波干擾造成的誤報警。有時還會對并機通訊線產(chǎn)生干擾導致其他機組無法正常并機，嚴重時甚至引起通訊接口損壞。

（2）諧波通過電壓、電流檢測回路直接進入控制器，造成檢測信號失真，引起誤報警。例如：U/V相電壓低、或高，導致斷路器跳閘停機;母線電壓檢測異常，無法并機;頻率異常報警，導致調(diào)速回路工作異常從而停機。

通過現(xiàn)場實際應用情況可知，以上問題尤其在使用多臺大負荷變頻設備時產(chǎn)生，小負荷工況下發(fā)電機組正常運行。由此可認定這些報警信息都是來自諧波干擾，已經(jīng)嚴重影響了發(fā)電機組的正常運行，在某些特殊工況下突然停電甚至會引發(fā)生產(chǎn)事故。因此我們需要對控制系統(tǒng)做出改進，以保證使發(fā)電機組正常運行。

3 諧波治理

在實際應用中，對于諧波干擾的控制方法主要從傳導、輻射和耦合三個方面解決，原則是抑制和切斷干擾源，切斷干擾對系統(tǒng)的耦合通道和降低對干擾信號的敏感性。根據(jù)以上思路，通過對控制系統(tǒng)的分析，我們對發(fā)電機組控制系統(tǒng)采取了以下措施：

3.1 隔離

（1）發(fā)電機勵磁系統(tǒng)由無刷自勵改為永磁發(fā)電機勵磁，永磁發(fā)電機系統(tǒng)提供一個與定子負載無關的恒定的勵磁電源，不受由非線性負載產(chǎn)生的主定子輸出電壓的波形畸變的干擾。

（2）自動電壓調(diào)節(jié)器AVR通過隔離變壓器向來自主定子繞組的電壓感應信號作出反饋，對干擾信號進行了隔離。

（3）控制器的電壓信號采集回路（包括發(fā)電機電壓和母排電壓）增加隔離變壓器，利用其鐵芯高頻損耗大的特點，有效抑制高頻雜波傳入控制回路。

（4）控制器之間的并聯(lián)通訊接口增加總線隔離中繼器，采用光電隔離技術，可實現(xiàn)接口彼此之間的電氣隔離，大大提高了總線的抗干擾性能。

3.2 屏蔽

控制器與發(fā)動機ECU之間的通訊線和控制器之間的并聯(lián)通訊線等涉及到數(shù)據(jù)傳輸?shù)木€路均采用雙絞屏蔽電纜，以降低共模干擾，屏蔽層單端接地。

3.3 接地

現(xiàn)場控制系統(tǒng)接地線單獨接地，與現(xiàn)場動力系統(tǒng)的接地線分開。避免動力系統(tǒng)的電磁干擾。

3.4 硬件選型

目前，市場上的發(fā)電機組控制器品牌眾多，質(zhì)量等級參差不齊，要選擇符合電磁兼容性要求的產(chǎn)品，一些簡易的低端產(chǎn)品則無法滿足抗干擾的需求。其他元件如隔離變壓器、中繼器等均需要選擇質(zhì)量可靠的工業(yè)級產(chǎn)品。

通過采取以上措施，對發(fā)電機組控制系統(tǒng)進行了改進，經(jīng)過現(xiàn)場驗證，大大提高了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，保證了發(fā)電機組的供電質(zhì)量。

4 結(jié)語

電力系統(tǒng)的諧波干擾包括電網(wǎng)側(cè)和負載側(cè)，本文只針對發(fā)電機組控制系統(tǒng)對電網(wǎng)側(cè)干擾的被動控制方法進行了闡述。在實際應用中，根據(jù)應用場合的不同，對諧波的要求以及諧波對現(xiàn)場的危害程度也不一樣，所以是否需要治理以及治理方法也會存在差異，以保證系統(tǒng)安全、可靠、穩(wěn)定的運行為前提條件。

參考文獻

[1]王廷才.變頻器原理及應用[M].機械工業(yè)出版社.2017.