一種油井套管陰極保護專用脈沖恒電位電源及其構建方法
【專利摘要】一種油井套管陰極保護專用脈沖恒電位電源，微處理器與采樣信號濾波放大處理電路、GPRS模塊及PWM驅動電路相連；PWM驅動電路與全橋逆變器、斬波器相連；全橋逆變器通過一次整流濾波單元與AC380V電源相連；全橋逆變器通過中頻變壓單元與二次整流濾波單元相連；二次整流濾波單元與斬波器相連；斬波器與油井套管相連；采樣信號濾波放大處理電路與主電源電壓傳感器、主電源電流傳感器、油井套管電位傳感器及異常信號傳感器相連；功率主電路生成頻率、幅值、占空比均可控的脈沖電流，控制單元采集、處理外部信號，調節(jié)輸出參數，使套管的保護電位始終處于最佳范圍；具有體積小、重量輕、電源動特性及可控性佳的特點。
【專利說明】一種油井套管陰極保護專用脈沖恒電位電源及其構建方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于金屬腐蝕與防護【技術領域】，具體涉及一種油井套管陰極保護專用脈沖 恒電位電源及其構建方法，用于油井套管脈沖電流陰極保護領域，也可進一步擴展應用至 石油及天然氣長輸管線、埋地管道、地下鋼結構的脈沖電流陰極保護。

【背景技術】
[0002] 實踐表明，傳統(tǒng)的直流型油井套管陰極保護電源系統(tǒng)存在套管保護深度不夠、能 耗高、電流及電位分布不均勻等問題。近期的研究表明采用脈沖電流對油井套管實施陰極 保護可有效解決這些問題，由于脈沖電流具有更強的穿透力，更均勻的電位分布，及更靈活 的調節(jié)方式，使其在套管陰極保護方面更有前途。本發(fā)明正是在此背景下完成的一種一種 油井套管陰極保護專用脈沖恒電位電源系統(tǒng)。
[0003] 由于脈沖電流的占空比、幅值、頻率等參數均對油井套管脈沖電流陰極保護效果 有顯著影響，因此實現(xiàn)各個脈沖電流參數的獨立準確調節(jié)是整個脈沖電源系統(tǒng)的關鍵，而 其中電源的主電路結構形式是保證電源性能的核心。
[0004] 隨著電力電子技術、自動控制技術和微型計算機技術的飛躍發(fā)展，二次逆變技術 越來越顯示出它巨大的優(yōu)越性。與傳統(tǒng)的晶閘管整流電源相比，基于二次逆變的脈沖恒電 位電源具有輸出參數控制準確，動特性好，效率高，體積小，重量輕等優(yōu)點，同時結合先進的 控制單元及控制算法可準確地對電源輸出參數進行實時調控，并可方便地擴展其外圍功 能，如運行狀態(tài)顯示及報警，數據無線傳輸與監(jiān)控等，非常適合對地處偏遠且不集中的油井 套管實施陰極保護，對建設數字化油田具有重大意義，展示出廣闊的應用前景。


【發(fā)明內容】

[0005] 為了克服上述現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明的目的是提供一種油井套管陰極保護專用 脈沖恒電位電源及其構建方法，解決了傳統(tǒng)的直流型恒電位儀存在套管保護深度不夠、能 耗高、電流及電位分布不均勻的問題；具有體積小、重量輕、電源動特性及可控性佳的特點。
[0006] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案是：一種油井套管陰極保護專用脈沖恒 電位電源，包括有微處理器，微處理器與采樣信號濾波放大處理電路、GPRS模塊及PWM驅動 電路相連；PWM驅動電路分別與全橋逆變器、斬波器相連；全橋逆變器通過一次整流濾波單 元與AC380V電源相連；全橋逆變器通過中頻變壓單元與二次整流濾波單元相連；二次整流 濾波單元與斬波器相連；斬波器與油井套管相連； 所述的采樣信號濾波放大處理電路分別與主電源電壓傳感器、主電源電流傳感器、油 井套管電位傳感器及異常信號傳感器相連。
[0007] 所述的全橋逆變器還與保護電路A相連；斬波器與保護電路B相連。
[0008] 所述的微處理器與PWM驅動電路之間連接控制信號隔離放大電路。
[0009] 所述的微處理器還與參數顯示、參數輸入單元相連。
[0010] 所述的微處理器、參數顯示、參數輸入、GPRS模塊、PWM驅動電路、采樣信號濾波放 大處理電路組成控制單元。
[0011] 所述的AC380V電源、一次整流濾波單元、全橋逆變器、中頻變壓單元、二次整流濾 波單元、斬波器、保護電路A及保護電路B組成功率主電路。
[0012] 所述的微處理器采用高性能數字信號處理器。
[0013] 所述的全橋逆變器、斬波器均包括有功率開關器件，功率開關器件采用功率晶體 管GTR或金屬一氧化物一半導體型場效應晶體管MOSFET或絕緣柵雙極型晶體管IGBT或門 極關斷晶閘管GT0。
[0014] 一種油井套管陰極保護專用脈沖恒電位電源的構建方法，包括以下步驟： 1) 首先采用全橋逆變器構成電源的一次逆變單元，并引入中頻變壓單元實現(xiàn)一次側的 電能傳遞與電壓變換，并同時實現(xiàn)電氣隔離； 2) 采用斬波器構成電源的二次逆變單元并輸出頻率、幅值、占空比均可獨立調節(jié)的脈 沖電流； 3) 在二次逆變主電路結構的基礎上，增設以高性能DSP微處理器為核心的控制單元， 通過DSP輸出的PWM控制信號控制一、二次逆變中功率管的動作； 4) 設置電流、電壓采樣電路，通過對外部反饋信號采集進行運算，外部反饋信號包括輸 出電流、輸出電壓、套管實測電位，生成控制PWM信號； 5) 在控制軟件中嵌入控制算法及信號采樣濾波算法，控制算法采用閉環(huán)控制策略實現(xiàn) 電源的自適應調節(jié)，即通過對外部信號的測量不斷調整自身輸出參數，確保套管始終處于 最佳的陰極保護狀態(tài)； 6) 擴展電源的外圍功能，所述的外圍功能包括：實現(xiàn)電源的參數調節(jié)與顯示，同時通過 擴展GPRS無線數傳功能實現(xiàn)油井套管陰極保護現(xiàn)場數據與遠程中控中心的無線通訊，實 現(xiàn)套管陰極保護的數字化管理。
[0015] 所述的一次逆變單元由全橋變換電路組成，全橋變換電路由可控開關型功率管組 成；二次逆變單元由斬波電路組成。
[0016] 本發(fā)明的有益效果是： 本發(fā)明是在二次逆變體制即AC-DC-AC-DC-AC(脈沖波）的基礎上構建功率主電路，同 時構建控制單元對功率主電路進行實時控制。功率主電路負責生成頻率、幅值、占空比均可 控的脈沖電流，控制單元負責對外部信號如輸出電流、電壓、套管實測電位的采集與計算， 同時根據控制算法對脈沖電流的輸出參數進行實時調節(jié)，使得套管的保護電位始終處于最 佳范圍，確保油井套管獲得最佳的保護狀態(tài)，同時在此基礎上擴展外圍功能，如故障自檢、 人機交互、GPRS無線數據傳輸功能，使其構成一個完整的智能化脈沖電源，方便人們對運行 參數進行設定與監(jiān)控，同時保障系統(tǒng)運行正常平穩(wěn)，特別是對那些不便于人工職守地處偏 遠的油井套管來說，該系統(tǒng)可極大程度的保障油井套管安全、降低人工成本、提高系統(tǒng)運行 效率，同時由于智能化控制單元的引入，可以很方便地對脈沖電源實施技術升級改造，不斷 優(yōu)化其性能，另外，本系統(tǒng)具有使用廣泛的特點，可以應用于石油及天然氣長輸管線、埋地 管道、地下鋼結構的脈沖電流陰極保護，具有極大的社會效益和經濟效益。本發(fā)明還具有以 下優(yōu)點： 1)功率主電路基于二次逆變體制構建，一次逆變部分實現(xiàn)電氣隔離和電壓變換，中頻 變壓器的引入極大程度地減小了電源的體積，減輕了電源重量。二次逆變部分使得直流變 為脈沖，實現(xiàn)脈沖參數的調節(jié)。
[0017] 2) -次逆變部分采用全橋器件作功率變換器件，二次逆變部分采用斬波器作功率 調節(jié)器，一、二次逆變均采用PWM方式進行控制； 3) 采用先進微處理器構建控制單元，設置電壓和電流傳感器采集外部信號并通過先進 的自動控制算法輸出PWM控制信號，實現(xiàn)電源系統(tǒng)的自動化及智能化運行； 4) 在先進微處理器的基礎上擴展外圍功能，如增設液晶顯示屏、鍵盤、GPRS數傳模塊等 外設，實現(xiàn)系統(tǒng)運行過程中的參數顯示與設置，數據的遠程傳輸，運行狀態(tài)的實時監(jiān)控等功 能； 本發(fā)明的油井套管陰極保護專用脈沖恒電位電源系統(tǒng)，具有以下明顯優(yōu)點： 1)該電源具有更強的電流穿透力、更均勻的保護電位分布，能夠提供更大的輸出電流， 而且脈沖電流輸出參數如頻率、幅值、占空比可以在較大范圍內進行調節(jié)，使其在套管陰極 保護方面更有前途。
[0018] 2)二次逆變主電路結構形式的引入極大程度地減小了電源體積，減輕了電源重 量，提升了電源效率，同時由于實現(xiàn)了電氣隔離使電源的安全性得到提升。
[0019] 3)二次逆變主電路結構形式的引入使得脈沖電流輸出參數如頻率、幅值、占空比 可以在較大范圍內進行獨立調節(jié)，使其在套管陰極保護方面更有前途。
[0020] 4)先進微處理器及先進控制算法的應用極大程度的提升了電源的智能化水平，使 得系統(tǒng)可根據設定值及外部反饋信號自動調節(jié)系統(tǒng)的運行參數，確保套管始終處于最佳保 護狀態(tài)，并且可以通過軟件升級的方式不斷提升系統(tǒng)控制的精確程度及自動化程度。
[0021] 5)在先進微處理器的基礎上可以不斷擴充外圍功能，如運行參數的實時顯示、存 儲、分析、設置以及遠程傳輸等功能，使其成為一個功能完備的智能化控制系統(tǒng)，實現(xiàn)油井 套管陰極保護的數字化管理。
[0022] 6)本系統(tǒng)使用廣泛，可以用于石油及天然氣長輸管線、埋地管道、地下鋼結構的脈 沖電流陰極保護。
[0023] 采用本發(fā)明延長了油井套管的保護深度；改善了油井套管的保護效果；提升了套 管陰極保護的自動化及智能化水平；節(jié)省能源，提高電能利用率，降低使用成本；實現(xiàn)了油 井套管陰極保護的數字化管理。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0024] 圖1是本發(fā)明整體結構原理圖。
[0025] 圖2是本發(fā)明控制電路框圖。
[0026] 圖3是實施例中二層閉環(huán)控制策略不意圖。

【具體實施方式】
[0027] 下面結合附圖對本發(fā)明作進一步的詳細說明。
[0028] 參見圖1?3,一種油井套管陰極保護專用脈沖恒電位電源，包括有微處理器，微 處理器與采樣信號濾波放大處理電路、GPRS模塊及PWM驅動電路相連；PWM驅動電路分別 與全橋逆變器、斬波器相連；全橋逆變器的輸入端通過一次整流濾波單元與AC380V電源相 連；全橋逆變器的輸出端通過中頻變壓單元與二次整流濾波單元相連；二次整流濾波單元 與斬波器相連；斬波器與油井套管相連； 所述的采樣信號濾波放大處理電路分別與主電源電壓傳感器、主電源電流傳感器、油 井套管電位傳感器及異常信號傳感器相連。
[0029] 所述的全橋逆變器還與保護電路A相連；斬波器與保護電路B相連。
[0030] 所述的微處理器與PWM驅動電路之間連接控制信號隔離放大電路。
[0031] 所述的微處理器還與參數顯示、參數輸入單元相連。
[0032] 所述的微處理器、參數顯示、參數輸入、GPRS模塊、PWM驅動電路、采樣信號濾波放 大處理電路組成控制單元。
[0033] 所述的AC380V電源、一次整流濾波單元、全橋逆變器、中頻變壓單元、二次整流濾 波單元、斬波器、保護電路A及保護電路B組成功率單元。
[0034] 所述的全橋逆變器、斬波器均包括有功率開關器件，功率開關器件采用功率晶體 管GTR或金屬一氧化物一半導體型場效應晶體管MOSFET或絕緣柵雙極型晶體管IGBT或門 極關斷晶閘管GT0。
[0035] 所述的中頻變壓單元為中頻變壓器。
[0036] 微處理器采用高性能單片機、DSP器件，微處理器通過濾波電路及濾波算法采集電 壓、電流信號、油井套管實測電位等反饋信號，經閉環(huán)控制算法計算后生成調制PWM信號， 再將該PWM信號經過光電隔離器件及驅動電路控制一、二次逆變單元中每個功率器件的動 作；功率器件采用大功率的場效應晶體管MOSFET或絕緣柵雙極型晶體管IGBT功率開關器 件分別組成，控制電路不僅控制逆變器的輸入輸出，而且對整個裝置起保護和控制作用； 同時在此基礎上，通過擴展其他外圍器件如LCD顯示屏、鍵盤、GPRS模塊，實現(xiàn)人機交互及 數據的遠程傳輸功能，在LCD上顯示脈沖電源的輸出電壓、電流、占空比，同時可通過鍵盤 對相關參數進行設置，通過GPRS模塊將脈沖電源的參數傳輸給遠程中央監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)對 脈沖電源運行狀態(tài)的遠程實時監(jiān)控。
[0037] 依照本發(fā)明的技術方案，本實施例的技術路線是：采用二次逆變體制設計電源的 功率主電路，同時以先進DSP微處理器為核心設計電源的控制單元，接口控制單元的接口 電路與主功率器件、電流及電壓傳感器、其他外設等部件相連，通過濾波電路對外部反饋信 號進行測量后進行運算后輸出調制PWM波，再由光電隔離及驅動電路控制一次逆變與二次 逆變單元中功率管的動作，使得輸出的脈沖電流隨著外部信號變化而不斷進行自適應調 整，從而確保油井套管的保護電位始終處于最佳范圍，達到良好的陰極保護效果，在此基礎 之上，適當擴展外圍功能，采用LCD顯示屏對運行過程中的各個脈沖電流參數進行實時顯 示，采用薄膜鍵盤對運行參數如占空比、幅值、頻率等進行設置，采用GPRS無線數傳模塊對 運行中需要記錄與分析的參數進行遠程傳輸，使得人們可以在遠程中控中心對各個油井套 管的陰極保護過程進行實時監(jiān)控，省去人工值守，整個脈沖恒電位電源系統(tǒng)構成一個功能 完備的智能化控制系統(tǒng)。整個脈沖電源系統(tǒng)組成如圖1所示。
[0038] 主電路的功率器件采用IGBT及其相應的驅動電路構成，具體的工作原理為：輸入 的AC380V交流電首先經一次大功率整流橋堆整流成520V左右直流電，濾波后再由一次全 橋逆變器變成可控的交流電，經過中頻變壓單元變壓后輸出相對較低的電壓，中頻變壓單 元的變比采用NI :N2=2:1，再經二次整流濾波單元二次整流濾波后得到電壓固定的直流電， 二次斬波逆變部分由單只IGBT管組成，通過PWM驅動電路控制其斬波生成頻率、占空比、幅 值、基值均可獨立調節(jié)的調制脈沖波，由于在該結構中引入了中頻變壓器，此時變壓器的設 計要滿足公式： U=4. 44SBN/*10H (式 I ) 式中，B為磁感應強度，S為變壓器磁芯截面積，U為輸入電壓，N為中頻變壓器繞組匝 數，/為逆變頻率。
[0039] 若在一次全橋逆變器取/ =20ΚΗζ，則相對于普通50Hz工頻電壓，中頻變壓器磁芯 截面積理論上可減小400倍，因此該二次逆變結構的引入極大程度的減小了脈沖電源的體 積及重量，同時實現(xiàn)了電氣隔離，使電源獲得良好的動特性和可調性，并有助于提高電源的 工作效率。
[0040] 控制單元由微處理器、PWM驅動電路、采樣信號濾波放大處理電路等組成一個完整 的智能控制系統(tǒng)。運行時，微處理器根據人機交互界面所設定的初始運行參數啟動脈沖電 源，然后通過采集外部數據如保護電位、輸出電壓電流、異常信號參數，通過控制算法處理 后改變二次斬波單元載波的占空比，實現(xiàn)電源運行參數的自動調整，確保油井套管處于最 佳保護狀態(tài)，同時每隔一定時間將該參數進行儲存，每隔1小時進行打包發(fā)送給上位機。
[0041] 所用微處理器采用TI公司TMS320LF2407DSP ;主電源電壓傳感器采用電流型200V 電壓傳感器；主電源電流傳感器采用電流型200A電流傳感器。PWM調制頻率為20KHz ;信號 采集和控制周期取Ims ;整個控制系統(tǒng)原理如圖2所示。
[0042] 采用三層自學習閉環(huán)控制策略實現(xiàn)脈沖恒電位電源系統(tǒng)輸出參數的自適應調節(jié)， 保證處于不同工況條件下的油井套管都能得到有效地陰極保護，具體控制原理為： 在系統(tǒng)剛開始運行時，為了不使套管保護電流一下子過大，首先對最里層電流反饋進 行算法處理，使保護電流逐漸達到設定值，并在這個過程學習最佳的占空比參數匹配；當電 流達到設定值時，開始進行中間層自學習控制，在這個過程主要學習如何匹配最佳的幅值 及基值，使得脈沖電源輸出功率達到最小化，同時不改變保護電流的大小；當輸出功率匹配 完成后，最后引入最外層保護電位反饋信號，通過改變載波占空比使得被保護油井套管達 到最佳保護電位，對其實行精細調節(jié)，這種三層自學習閉環(huán)控制策略不僅可以使套管的保 護電位始終保持在最佳范圍內，同時可有效匹配電源輸出功率，節(jié)能環(huán)保且提升了系統(tǒng)的 穩(wěn)定性。整個控制原理框圖如圖3所示。
[0043] 一種油井套管陰極保護專用脈沖恒電位電源的構建方法，包括以下步驟： 1) 首先采用全橋逆變器構成電源的一次逆變單元，并引入中頻變壓單元實現(xiàn)一次側的 電能傳遞與電壓變換，并同時實現(xiàn)電氣隔離，減小電源體積，減輕電源重量，是電源獲得良 好的動特性； 2) 采用斬波器構成電源的二次逆變單元并輸出頻率、幅值、占空比均可獨立調節(jié)的脈 沖電流； 3) 在二次逆變主電路結構的基礎上，增設以高性能DSP微處理器為核心的控制單元， 通過DSP輸出的PWM控制信號控制一、二次逆變中功率管的動作； 4) 設置電流、電壓采樣電路，通過實時采集外部反饋信號進行運算后，（外部反饋信號 包括輸出電流、輸出電壓、套管實測電位等)，生成PWM控制信號； 5) 在控制軟件中嵌入控制算法及信號采樣濾波算法，控制算法采用閉環(huán)控制策略實現(xiàn) 電源的自適應調節(jié)，即通過對外部信號的測量不斷調整自身輸出參數，確保套管始終處于 最佳的陰極保護狀態(tài)； 6) 擴展電源的外圍功能，所述的外圍功能包括：實現(xiàn)電源的參數調節(jié)與顯示，同時通過 擴展GPRS無線數傳功能實現(xiàn)油井套管陰極保護現(xiàn)場數據與遠程中控中心的無線通訊，實 現(xiàn)套管陰極保護的數字化管理。
[0044] 所述的一次逆變單元由全橋變換電路組成，全橋變換電路由可控開關型功率管組 成；二次逆變單元由斬波電路組成。
[0045] 所述的控制單元采用高性能數字信號處理器為核心，同時擴展出信號采樣濾波電 路、信號隔離放大電路、其他外設接口電路等。
[0046] 所述的控制策略為三層自學習閉環(huán)控制策略，控制單元通過采集電源輸出電流電 壓，套管實測電位等值實現(xiàn)三個層次的自適應閉環(huán)控制。
【權利要求】
1. 一種油井套管陰極保護專用脈沖恒電位電源，其特征在于，包括有微處理器，微處理 器與采樣信號濾波放大處理電路、GPRS模塊及PWM驅動電路相連；PWM驅動電路分別與全橋 逆變器、斬波器相連；全橋逆變器通過一次整流濾波單元與AC380V電源相連；全橋逆變器 通過中頻變壓單元與二次整流濾波單元相連；二次整流濾波單元與斬波器相連；斬波器與 油井套管相連； 所述的采樣信號濾波放大處理電路分別與主電源電壓傳感器、主電源電流傳感器、油 井套管電位傳感器及異常信號傳感器相連。
2. 根據權利要求1所述的一種油井套管陰極保護專用脈沖恒電位電源，其特征在于， 所述的全橋逆變器還與保護電路A相連；斬波器與保護電路B相連。
3. 根據權利要求1所述的一種油井套管陰極保護專用脈沖恒電位電源，其特征在于， 所述的微處理器與PWM驅動電路之間連接控制信號隔離放大電路。
4. 根據權利要求1所述的一種油井套管陰極保護專用脈沖恒電位電源，其特征在于， 所述的微處理器還與參數顯示、參數輸入單元相連。
5. 根據權利要求1所述的一種油井套管陰極保護專用脈沖恒電位電源，其特征在于， 所述的微處理器、參數顯不、參數輸入、GPRS模塊、PWM驅動電路、米樣信號濾波放大處理電 路組成控制單元。
6. 根據權利要求1所述的一種油井套管陰極保護專用脈沖恒電位電源，其特征在于， 所述的AC380V電源、一次整流濾波單元、全橋逆變器、中頻變壓單元、二次整流濾波單元、 斬波器、保護電路A及保護電路B組成功率主電路。
7. 根據權利要求1所述的一種油井套管陰極保護專用脈沖恒電位電源，其特征在于， 所述的微處理器采用高性能數字信號處理器。
8. 根據權利要求1所述的一種油井套管陰極保護專用脈沖恒電位電源，其特征在于， 所述的全橋逆變器、斬波器均包括有功率開關器件，功率開關器件采用功率晶體管GTR或 金屬一氧化物一半導體型場效應晶體管MOSFET或絕緣柵雙極型晶體管IGBT或門極關斷晶 閘管GTO。
9. 一種油井套管陰極保護專用脈沖恒電位電源的構建方法，其特征在于，包括以下步 驟： 1) 首先采用全橋逆變器構成電源的一次逆變單元，并引入中頻變壓單元實現(xiàn)一次側的 電能傳遞與電壓變換，并同時實現(xiàn)電氣隔離； 2) 采用斬波器構成電源的二次逆變單元并輸出頻率、幅值、占空比均可獨立調節(jié)的脈 沖電流； 3) 在二次逆變主電路結構的基礎上，增設以高性能DSP微處理器為核心的控制單元， 通過DSP輸出的PWM控制信號控制一、二次逆變中功率管的動作； 4) 設置電流、電壓采樣電路，通過對外部反饋信號采集進行運算，外部反饋信號包括輸 出電流、輸出電壓、套管實測電位，生成控制PWM信號； 5) 在控制軟件中嵌入控制算法及信號采樣濾波算法，控制算法采用三層自學習閉環(huán)控 制策略實現(xiàn)電源的自適應調節(jié)，即通過對外部信號的測量不斷調整自身輸出參數，確保套 管始終處于最佳的陰極保護狀態(tài)； 6) 擴展電源的外圍功能，所述的外圍功能包括：實現(xiàn)電源的參數調節(jié)與顯示，同時通過 擴展GPRS無線數傳功能實現(xiàn)油井套管陰極保護現(xiàn)場數據與遠程中控中心的無線通訊，實 現(xiàn)套管陰極保護的數字化管理。
10.根據權利要求9所述的一種油井套管陰極保護專用脈沖恒電位電源的構建方法， 其特征在于，所述的一次逆變單元由全橋變換電路組成，全橋變換電路由可控開關型功率 管組成；二次逆變單元由斬波電路組成。
【文檔編號】H02M7/5395GK104393764SQ201410738461
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年12月8日 優(yōu)先權日:2014年12月8日
【發(fā)明者】周好斌, 袁森, 周勇, 栗汝杰 申請人:西安石油大學