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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(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，我國高壓直流輸電(HVDC)飛速發(fā)展，油氣管道也隨之受到較大影響。HVDC會導(dǎo)致油氣管道陰極保護的失效，甚至加速管道腐蝕，受到相關(guān)科研人員的高度關(guān)注[1-11]。強排流式陰極保護系統(tǒng)的防御技術(shù)，能夠減少HVDC系統(tǒng)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(tǒng)的可靠性和壽命。目前已設(shè)計、開發(fā)了HVDC影響下管道的強排流式陰極保護系統(tǒng)，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(guān)器件MOSFET搭建強排流式陰極保護系統(tǒng)主電路，以數(shù)字信號處理器DSP為核心設(shè)計了控制電路，開發(fā)了強排流式陰極保護系統(tǒng)，可實現(xiàn)對管道的保護。

本工作基于強排流式陰極保護系統(tǒng)，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(huán)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(tǒng)設(shè)計與開發(fā)

管道強排流式陰極保護系統(tǒng)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(xiàn)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(shè)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(shè)計，完成數(shù)據(jù)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(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

強排流式陰極保護系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括電源、變流器、檢測、驅(qū)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(qū)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(qū)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(jīng)過信號處理之后進入DSP控制器的A/D轉(zhuǎn)換器，進而實現(xiàn)PWM的輸出控制、通訊/遠傳、數(shù)據(jù)顯示等。強排流式陰極保護系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本原理為：通過比較參考電位與管地電位，閉環(huán)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(diào)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(tǒng)框圖Fig. 1 Block diagram of a strong-flow cathodic protection system

1.2 系統(tǒng)電路設(shè)計

強排流式陰極保護系統(tǒng)涵蓋了電力電子技術(shù)、PWM控制技術(shù)、遠程監(jiān)控及通訊技術(shù)。圖1所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖中，DSP控制器以TMS320F28335為核心進行軟硬件設(shè)計，實現(xiàn)控制策略的算法開發(fā)，以下主要針對變流器主電路、信號采集調(diào)理電路和驅(qū)動電路進行分析。

(1) 變流器主電路

變流器主電路拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示，交流電源輸入AC為220 V，經(jīng)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(lián)的方式；整流輸出DC直流電壓經(jīng)過電容C1穩(wěn)壓，C1選擇30 V、10 000 μF；開關(guān)管M、儲能電感L、二極管D5構(gòu)成降壓電路，通過調(diào)整開關(guān)管M的觸發(fā)脈沖占空比調(diào)整輸出DC直流的幅值，通過電容C2進行穩(wěn)壓，其中開關(guān)管M選擇IRLBA1304(耐壓40 V，電流185 A，通態(tài)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(jù)輸出電壓、電流波動和開關(guān)頻率的關(guān)系計算，此處選擇150 A、3 μH。

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

(2) 信號采集調(diào)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(zhuǎn)換器0～3.3 V的電平匹配，經(jīng)過運算放大器AD620構(gòu)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(zhuǎn)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(qū)動電路

驅(qū)動電路由IR公司的IR2110及其外圍電路構(gòu)成。IR2110工作頻率可達500 kHz，具有自舉懸浮驅(qū)動電源，只用一路電源即可完成兩個功率開關(guān)器件的驅(qū)動，在本設(shè)計中一路電源正常使用，另一路電源作為冗余備用。系統(tǒng)采用的驅(qū)動電路及其電路參數(shù)如圖4所示，需要注意：二極管D1選擇快恢復(fù)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(wěn)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(qū)動。

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

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

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

1.3 系統(tǒng)軟件開發(fā)

圖6所示為系統(tǒng)軟件的程序流程圖，系統(tǒng)運行后，迅速進行A/D轉(zhuǎn)換，采集相應(yīng)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(huán)控制，降低HVDC干擾的影響；DSP生成MOSFET的PWM觸發(fā)信號，并根據(jù)實際輸出情況進行占空比的調(diào)節(jié)，從而達到強排流的目的，最后將數(shù)據(jù)通訊遠傳并顯示。

圖6 程序流程圖Fig. 6 Program flow chart

2 系統(tǒng)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(tǒng)試驗平臺可以實現(xiàn)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(tǒng)策略仿真分析

根據(jù)強排流式陰極保護系統(tǒng)，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(yōu)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(diào)整，能夠維持管地電壓和管地電流的穩(wěn)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(diào)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(tǒng)，試驗步驟及操作過程如下：

(1) 按照電氣關(guān)系連接主電路、控制電路、電源、驅(qū)動電路、信號處理電路，數(shù)字萬用表監(jiān)控輸入電壓，數(shù)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(nèi)存程序，數(shù)據(jù)初始化運行，液晶顯示等待狀態(tài)，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(tǒng)開始工作；A/D轉(zhuǎn)換器采樣、PWM波輸出，閉環(huán)控制策略運行，根據(jù)負載變化輸出穩(wěn)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(tǒng)正常運行下強排流式陰極保護試驗系統(tǒng)的輸出電壓及電流波形圖。此處給出了系統(tǒng)根據(jù)需要適時調(diào)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(tǒng)閉環(huán)調(diào)節(jié)，能夠跟蹤實時變化而相應(yīng)調(diào)整輸出，輸出電壓和輸出電流的波動較小，穩(wěn)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(tǒng)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(jié)束語

融合電力電子技術(shù)、高壓直流輸電技術(shù)以及管道防腐蝕技術(shù)等，設(shè)計開發(fā)了HVDC影響下的強排流式陰極保護系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠準確模擬管道防腐蝕防御技術(shù)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(jié)果和仿真結(jié)果的對比，驗證了該系統(tǒng)在強排流模式的可行性和優(yōu)越性，為基于管道防腐蝕的陰極保護系統(tǒng)設(shè)計和開發(fā)提供了現(xiàn)場實際應(yīng)用技術(shù)支持。