HVDC影响下管道强排流式阴极保护系统的开发

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(中国石油大学(华东) 信息与控制工程学院，青岛 266580)

随着智能电网技术的发展，我国高压直流输电(HVDC)飞速发展，油气管道也随之受到较大影响。HVDC会导致油气管道阴极保护的失效，甚至加速管道腐蚀，受到相关科研人员的高度关注[1-11]。强排流式阴极保护系统的防御技术，能够减少HVDC系统接地极对管道的影响，缓解油气管道腐蚀的进程，从而提高油气管道系统的可靠性和寿命。目前已设计、开发了HVDC影响下管道的强排流式阴极保护系统，研究了HVDC换流站接地极的回流电流对管道的影响；同时，采用全控型开关器件MOSFET搭建强排流式阴极保护系统主电路，以数字信号处理器DSP为核心设计了控制电路，开发了强排流式阴极保护系统，可实现对管道的保护。

本工作基于强排流式阴极保护系统，提取管地之间的保护电压和保护电流作为控制对象，进行闭环控制，以期有效降低HVDC引起的杂散电流对管道的影响。

1 系统设计与开发

管道强排流式阴极保护系统平台包括仿真平台和试验平台两部分。仿真平台采用MATLAB软件的SIMULINK，实现强排流式阴极保护方法和控制策略的仿真分析；试验平台包括主电路和控制电路两部分，主电路设计为AC-DC-DC的电力电子电路，控制电路采用TI公司的DSP TMS320F28335进行软硬件设计，完成数据采样处理、电压电流输出控制、液晶显示报警等功能。

1.1 系统结构原理

强排流式阴极保护系统结构如图1所示，主要包括电源、变流器、检测、驱动、DSP控制器五个单元。交流电源同时为主电路和控制电路供电，直流电源提供DSP控制器以及驱动电路等低压部分的电源；变流器单元包含变压器降压、二极管整流和Buck降压三部分；驱动电路放大缓冲PWM输出信号，控制变流器的可控器件；检测部分采样输出电压、电流以及管地电位等参量，经过信号处理之后进入DSP控制器的A/D转换器，进而实现PWM的输出控制、通讯/远传、数据显示等。强排流式阴极保护系统结构的基本原理为：通过比较参考电位与管地电位，闭环控制直流输出，维持地下阳极电位与管线电位之间的合理电位梯度分布，并实时调整直流输出电流的大小，自动补偿大地电流的变化，抑制HVDC对管道阴极保护带来的不利影响，输出模式可以选择恒压模式、恒流模式[10-11]和强排流模式。

图1 强排流式阴极保护系统框图Fig. 1 Block diagram of a strong-flow cathodic protection system

1.2 系统电路设计

强排流式阴极保护系统涵盖了电力电子技术、PWM控制技术、远程监控及通讯技术。图1所示的系统结构框图中，DSP控制器以TMS320F28335为核心进行软硬件设计，实现控制策略的算法开发，以下主要针对变流器主电路、信号采集调理电路和驱动电路进行分析。

(1) 变流器主电路

变流器主电路拓扑结构如图2所示，交流电源输入AC为220 V，经过变压器降压以后，作为二极管整流桥的输入；D1～D5为二极管，型号为150CNQ045(耐压40 V，电流150 A)，为进一步降低管压降，可采用二极管并联的方式；整流输出DC直流电压经过电容C1稳压，C1选择30 V、10 000 μF；开关管M、储能电感L、二极管D5构成降压电路，通过调整开关管M的触发脉冲占空比调整输出DC直流的幅值，通过电容C2进行稳压，其中开关管M选择IRLBA1304(耐压40 V，电流185 A，通态电阻0.004 Ω)类型的MOSFET，C2选择10 V、10 000 μF，储能电感L可以根据输出电压、电流波动和开关频率的关系计算，此处选择150 A、3 μH。

图2 强排流式阴极保护系统的主电路Fig. 2 Main circuit of strong row cathodic protection system

(2) 信号采集调理电路

电压与电流信号通过霍尔传感器进行采样，采用高精度电阻分压得到低电压信号，要求与DSP的A/D转换器0～3.3 V的电平匹配，经过运算放大器AD620构成的差分放大电路输出0～3.3 V的电压信号。如图3所示：AD620的外围电路，电阻分压后的差分电压分别进入AD620的同相输入端(3脚)和反相输入端(2脚)，7脚和4脚分别接正负电源，1脚和8脚之间的电阻Rg取12 kΩ，R1、R2取47 kΩ，5脚接地，6脚输出符合要求的电压U0，作为DSP的A/D转换器的输入。

图3 电压电流采样及信号处理电路Fig. 3 Circuit of voltage and current sampling and signal processing

(3) 驱动电路

驱动电路由IR公司的IR2110及其外围电路构成。IR2110工作频率可达500 kHz，具有自举悬浮驱动电源，只用一路电源即可完成两个功率开关器件的驱动，在本设计中一路电源正常使用，另一路电源作为冗余备用。系统采用的驱动电路及其电路参数如图4所示，需要注意：二极管D1选择快恢复二极管10DF4，其耐压较高，可免于被击穿；电容C2的容值不能过大，耐压取100 V，以免击穿爆裂；D4、D5、D7、D8为稳压管，此处取20 V；其余器件为常用元件；G1端接MOSFET的栅极，S1端接MOSFET的源级，G2、S2为备用驱动。

图4 IR2110为核心的驱动电路Fig. 4 Driving circuit taking IR2110 as the core

将各部分电路按照电气关系连接之后，即构成基于管道防腐蚀的强排流式阴极保护系统的试验平台，如图5所示。

图5 试验系统平台及装置Fig. 5 Experimental system platform and device

1.3 系统软件开发

图6所示为系统软件的程序流程图，系统运行后，迅速进行A/D转换，采集相应的电压电流信号，提取管地之间的保护电压和保护电流作为控制对象，进行闭环控制，降低HVDC干扰的影响；DSP生成MOSFET的PWM触发信号，并根据实际输出情况进行占空比的调节，从而达到强排流的目的，最后将数据通讯远传并显示。

图6 程序流程图Fig. 6 Program flow chart

2 系统仿真与试验

HVDC影响下管道防腐蚀用强排流式阴极保护系统试验平台可以实现基于控制策略的仿真分析和多种输出模式下的阴极保护试验。

2.1 系统策略仿真分析

根据强排流式阴极保护系统，采用MATLAB软件的SIMULINK仿真模块，可以针对主电路和控制策略进行仿真分析。通过分析恒压模式、恒流模式、强排流模式输出的效果，比较多种模式的优劣，得到最佳的控制策略；同时可以模拟HVDC对输出的影响情况。图7所示为强排流模式下，在模拟HVDC干扰影响下，阴极保护装置的输出电压和输出电流，图7(c)模拟管地电压和管地电流的变化。从波形可以看出，有干扰时，阴极保护装置的输出随之调整，能够维持管地电压和管地电流的稳定，波动很小，管道受到HVDC干扰的影响小，阴极保护效果好。表1所示相同模拟HVDC干扰条件下，三种输出模式的输出比较，表中“-”表示随时调整变化。

2.2 阴极保护试验

针对强排流式阴极保护试验系统，试验步骤及操作过程如下：

(1) 按照电气关系连接主电路、控制电路、电源、驱动电路、信号处理电路，数字万用表监控输入电压，数字示波器测试输出电压电流波形；

(2) DSP控制器、传感器通电，写入DSP内存程序，数据初始化运行，液晶显示等待状态，3 min后程序自动运行；

(3) 主电路通电，整流部分开始工作，系统开始工作；A/D转换器采样、PWM波输出，闭环控制策略运行，根据负载变化输出稳定电压/电流，实施阴极保护。

(a) 干扰信号

(b) 阴极保护的输出

(c) 模拟管地电压，交流变化图7 强排流模式下的仿真波形Fig. 7 Simulation waveforms under strong-flow mode

变量恒压模式恒流模式强排流模式干扰电压/V±0.15±0.15±0.15干扰电流/A±6A±6±6输出电压/V0.85--输出电流/A-100-管地电压波动/%±25±7±3.5管地电流波动/%±31.2±7±3

图8为系统正常运行下强排流式阴极保护试验系统的输出电压及电流波形图。此处给出了系统根据需要适时调整的两组输出波形，其中，图8(a)输出电压1.14 V，输出电流51.2 A；图8(b)输出电压1.61 V，输出电流64 A。从波形可以看出，在强排流模式下，通过系统闭环调节，能够跟踪实时变化而相应调整输出，输出电压和输出电流的波动较小，稳定性好，能够满足阴极保护的需求。

(a)

(b)图8 强排流式阴极保护实验系统运行时的输出电压及电流波形Fig. 8 The output voltage and current waveform of the experimental system of strong-flow cathodic protection

3 结束语

融合电力电子技术、高压直流输电技术以及管道防腐蚀技术等，设计开发了HVDC影响下的强排流式阴极保护系统。该系统能够准确模拟管道防腐蚀防御技术的多种控制策略，并且能够在恒压模式、恒流模式、强排流模式下工作。采用试验结果和仿真结果的对比，验证了该系统在强排流模式的可行性和优越性，为基于管道防腐蚀的阴极保护系统设计和开发提供了现场实际应用技术支持。