HVDC影響下管道強排流式陰極保護系統的開發

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(中國石油大學(華東) 信息與控制工程學院，青島 266580)

隨著智能電網技術的發展，我國高壓直流輸電(HVDC)飛速發展，油氣管道也隨之受到較大影響。HVDC會導致油氣管道陰極保護的失效，甚至加速管道腐蝕，受到相關科研人員的高度關注[1-11]。強排流式陰極保護系統的防御技術，能夠減少HVDC系統接地極對管道的影響，緩解油氣管道腐蝕的進程，從而提高油氣管道系統的可靠性和壽命。目前已設計、開發了HVDC影響下管道的強排流式陰極保護系統，研究了HVDC換流站接地極的回流電流對管道的影響；同時，采用全控型開關器件MOSFET搭建強排流式陰極保護系統主電路，以數字信號處理器DSP為核心設計了控制電路，開發了強排流式陰極保護系統，可實現對管道的保護。

本工作基于強排流式陰極保護系統，提取管地之間的保護電壓和保護電流作為控制對象，進行閉環控制，以期有效降低HVDC引起的雜散電流對管道的影響。

1 系統設計與開發

管道強排流式陰極保護系統平臺包括仿真平臺和試驗平臺兩部分。仿真平臺采用MATLAB軟件的SIMULINK，實現強排流式陰極保護方法和控制策略的仿真分析；試驗平臺包括主電路和控制電路兩部分，主電路設計為AC-DC-DC的電力電子電路，控制電路采用TI公司的DSP TMS320F28335進行軟硬件設計，完成數據采樣處理、電壓電流輸出控制、液晶顯示報警等功能。

1.1 系統結構原理

強排流式陰極保護系統結構如圖1所示，主要包括電源、變流器、檢測、驅動、DSP控制器五個單元。交流電源同時為主電路和控制電路供電，直流電源提供DSP控制器以及驅動電路等低壓部分的電源；變流器單元包含變壓器降壓、二極管整流和Buck降壓三部分；驅動電路放大緩沖PWM輸出信號，控制變流器的可控器件；檢測部分采樣輸出電壓、電流以及管地電位等參量，經過信號處理之后進入DSP控制器的A/D轉換器，進而實現PWM的輸出控制、通訊/遠傳、數據顯示等。強排流式陰極保護系統結構的基本原理為：通過比較參考電位與管地電位，閉環控制直流輸出，維持地下陽極電位與管線電位之間的合理電位梯度分布，并實時調整直流輸出電流的大小，自動補償大地電流的變化，抑制HVDC對管道陰極保護帶來的不利影響，輸出模式可以選擇恒壓模式、恒流模式[10-11]和強排流模式。

圖1 強排流式陰極保護系統框圖Fig. 1 Block diagram of a strong-flow cathodic protection system

1.2 系統電路設計

強排流式陰極保護系統涵蓋了電力電子技術、PWM控制技術、遠程監控及通訊技術。圖1所示的系統結構框圖中，DSP控制器以TMS320F28335為核心進行軟硬件設計，實現控制策略的算法開發，以下主要針對變流器主電路、信號采集調理電路和驅動電路進行分析。

(1) 變流器主電路

變流器主電路拓撲結構如圖2所示，交流電源輸入AC為220 V，經過變壓器降壓以后，作為二極管整流橋的輸入；D1～D5為二極管，型號為150CNQ045(耐壓40 V，電流150 A)，為進一步降低管壓降，可采用二極管并聯的方式；整流輸出DC直流電壓經過電容C1穩壓，C1選擇30 V、10 000 μF；開關管M、儲能電感L、二極管D5構成降壓電路，通過調整開關管M的觸發脈沖占空比調整輸出DC直流的幅值，通過電容C2進行穩壓，其中開關管M選擇IRLBA1304(耐壓40 V，電流185 A，通態電阻0.004 Ω)類型的MOSFET，C2選擇10 V、10 000 μF，儲能電感L可以根據輸出電壓、電流波動和開關頻率的關系計算，此處選擇150 A、3 μH。

圖2 強排流式陰極保護系統的主電路Fig. 2 Main circuit of strong row cathodic protection system

(2) 信號采集調理電路

電壓與電流信號通過霍爾傳感器進行采樣，采用高精度電阻分壓得到低電壓信號，要求與DSP的A/D轉換器0～3.3 V的電平匹配，經過運算放大器AD620構成的差分放大電路輸出0～3.3 V的電壓信號。如圖3所示：AD620的外圍電路，電阻分壓后的差分電壓分別進入AD620的同相輸入端(3腳)和反相輸入端(2腳)，7腳和4腳分別接正負電源，1腳和8腳之間的電阻Rg取12 kΩ，R1、R2取47 kΩ，5腳接地，6腳輸出符合要求的電壓U0，作為DSP的A/D轉換器的輸入。

圖3 電壓電流采樣及信號處理電路Fig. 3 Circuit of voltage and current sampling and signal processing

(3) 驅動電路

驅動電路由IR公司的IR2110及其外圍電路構成。IR2110工作頻率可達500 kHz，具有自舉懸浮驅動電源，只用一路電源即可完成兩個功率開關器件的驅動，在本設計中一路電源正常使用，另一路電源作為冗余備用。系統采用的驅動電路及其電路參數如圖4所示，需要注意：二極管D1選擇快恢復二極管10DF4，其耐壓較高，可免于被擊穿；電容C2的容值不能過大，耐壓取100 V，以免擊穿爆裂；D4、D5、D7、D8為穩壓管，此處取20 V；其余器件為常用元件；G1端接MOSFET的柵極，S1端接MOSFET的源級，G2、S2為備用驅動。

圖4 IR2110為核心的驅動電路Fig. 4 Driving circuit taking IR2110 as the core

將各部分電路按照電氣關系連接之后，即構成基于管道防腐蝕的強排流式陰極保護系統的試驗平臺，如圖5所示。

圖5 試驗系統平臺及裝置Fig. 5 Experimental system platform and device

1.3 系統軟件開發

圖6所示為系統軟件的程序流程圖，系統運行后，迅速進行A/D轉換，采集相應的電壓電流信號，提取管地之間的保護電壓和保護電流作為控制對象，進行閉環控制，降低HVDC干擾的影響；DSP生成MOSFET的PWM觸發信號，并根據實際輸出情況進行占空比的調節，從而達到強排流的目的，最后將數據通訊遠傳并顯示。

圖6 程序流程圖Fig. 6 Program flow chart

2 系統仿真與試驗

HVDC影響下管道防腐蝕用強排流式陰極保護系統試驗平臺可以實現基于控制策略的仿真分析和多種輸出模式下的陰極保護試驗。

2.1 系統策略仿真分析

根據強排流式陰極保護系統，采用MATLAB軟件的SIMULINK仿真模塊，可以針對主電路和控制策略進行仿真分析。通過分析恒壓模式、恒流模式、強排流模式輸出的效果，比較多種模式的優劣，得到最佳的控制策略；同時可以模擬HVDC對輸出的影響情況。圖7所示為強排流模式下，在模擬HVDC干擾影響下，陰極保護裝置的輸出電壓和輸出電流，圖7(c)模擬管地電壓和管地電流的變化。從波形可以看出，有干擾時，陰極保護裝置的輸出隨之調整，能夠維持管地電壓和管地電流的穩定，波動很小，管道受到HVDC干擾的影響小，陰極保護效果好。表1所示相同模擬HVDC干擾條件下，三種輸出模式的輸出比較，表中“-”表示隨時調整變化。

2.2 陰極保護試驗

針對強排流式陰極保護試驗系統，試驗步驟及操作過程如下：

(1) 按照電氣關系連接主電路、控制電路、電源、驅動電路、信號處理電路，數字萬用表監控輸入電壓，數字示波器測試輸出電壓電流波形；

(2) DSP控制器、傳感器通電，寫入DSP內存程序，數據初始化運行，液晶顯示等待狀態，3 min后程序自動運行；

(3) 主電路通電，整流部分開始工作，系統開始工作；A/D轉換器采樣、PWM波輸出，閉環控制策略運行，根據負載變化輸出穩定電壓/電流，實施陰極保護。

(a) 干擾信號

(b) 陰極保護的輸出

(c) 模擬管地電壓，交流變化圖7 強排流模式下的仿真波形Fig. 7 Simulation waveforms under strong-flow mode

變量恒壓模式恒流模式強排流模式干擾電壓/V±0.15±0.15±0.15干擾電流/A±6A±6±6輸出電壓/V0.85--輸出電流/A-100-管地電壓波動/%±25±7±3.5管地電流波動/%±31.2±7±3

圖8為系統正常運行下強排流式陰極保護試驗系統的輸出電壓及電流波形圖。此處給出了系統根據需要適時調整的兩組輸出波形，其中，圖8(a)輸出電壓1.14 V，輸出電流51.2 A；圖8(b)輸出電壓1.61 V，輸出電流64 A。從波形可以看出，在強排流模式下，通過系統閉環調節，能夠跟蹤實時變化而相應調整輸出，輸出電壓和輸出電流的波動較小，穩定性好，能夠滿足陰極保護的需求。

(a)

(b)圖8 強排流式陰極保護實驗系統運行時的輸出電壓及電流波形Fig. 8 The output voltage and current waveform of the experimental system of strong-flow cathodic protection

3 結束語

融合電力電子技術、高壓直流輸電技術以及管道防腐蝕技術等，設計開發了HVDC影響下的強排流式陰極保護系統。該系統能夠準確模擬管道防腐蝕防御技術的多種控制策略，并且能夠在恒壓模式、恒流模式、強排流模式下工作。采用試驗結果和仿真結果的對比，驗證了該系統在強排流模式的可行性和優越性，為基于管道防腐蝕的陰極保護系統設計和開發提供了現場實際應用技術支持。