一种油井套管阴极保护专用脉冲恒电位电源及其构建方法
【专利摘要】一种油井套管阴极保护专用脉冲恒电位电源，微处理器与采样信号滤波放大处理电路、GPRS模块及PWM驱动电路相连；PWM驱动电路与全桥逆变器、斩波器相连；全桥逆变器通过一次整流滤波单元与AC380V电源相连；全桥逆变器通过中频变压单元与二次整流滤波单元相连；二次整流滤波单元与斩波器相连；斩波器与油井套管相连；采样信号滤波放大处理电路与主电源电压传感器、主电源电流传感器、油井套管电位传感器及异常信号传感器相连；功率主电路生成频率、幅值、占空比均可控的脉冲电流，控制单元采集、处理外部信号，调节输出参数，使套管的保护电位始终处于最佳范围；具有体积小、重量轻、电源动特性及可控性佳的特点。
【专利说明】一种油井套管阴极保护专用脉冲恒电位电源及其构建方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于金属腐蚀与防护【技术领域】，具体涉及一种油井套管阴极保护专用脉冲 恒电位电源及其构建方法，用于油井套管脉冲电流阴极保护领域，也可进一步扩展应用至 石油及天然气长输管线、埋地管道、地下钢结构的脉冲电流阴极保护。
【背景技术】
[0002] 实践表明，传统的直流型油井套管阴极保护电源系统存在套管保护深度不够、能 耗高、电流及电位分布不均匀等问题。近期的研究表明采用脉冲电流对油井套管实施阴极 保护可有效解决这些问题，由于脉冲电流具有更强的穿透力，更均匀的电位分布，及更灵活 的调节方式，使其在套管阴极保护方面更有前途。本发明正是在此背景下完成的一种一种 油井套管阴极保护专用脉冲恒电位电源系统。
[0003] 由于脉冲电流的占空比、幅值、频率等参数均对油井套管脉冲电流阴极保护效果 有显著影响，因此实现各个脉冲电流参数的独立准确调节是整个脉冲电源系统的关键，而 其中电源的主电路结构形式是保证电源性能的核心。
[0004] 随着电力电子技术、自动控制技术和微型计算机技术的飞跃发展，二次逆变技术 越来越显示出它巨大的优越性。与传统的晶闸管整流电源相比，基于二次逆变的脉冲恒电 位电源具有输出参数控制准确，动特性好，效率高，体积小，重量轻等优点，同时结合先进的 控制单元及控制算法可准确地对电源输出参数进行实时调控，并可方便地扩展其外围功 能，如运行状态显示及报警，数据无线传输与监控等，非常适合对地处偏远且不集中的油井 套管实施阴极保护，对建设数字化油田具有重大意义，展示出广阔的应用前景。
【发明内容】
[0005] 为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种油井套管阴极保护专用 脉冲恒电位电源及其构建方法，解决了传统的直流型恒电位仪存在套管保护深度不够、能 耗高、电流及电位分布不均匀的问题；具有体积小、重量轻、电源动特性及可控性佳的特点。
[0006] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种油井套管阴极保护专用脉冲恒 电位电源，包括有微处理器，微处理器与采样信号滤波放大处理电路、GPRS模块及PWM驱动 电路相连；PWM驱动电路分别与全桥逆变器、斩波器相连；全桥逆变器通过一次整流滤波单 元与AC380V电源相连；全桥逆变器通过中频变压单元与二次整流滤波单元相连；二次整流 滤波单元与斩波器相连；斩波器与油井套管相连； 所述的采样信号滤波放大处理电路分别与主电源电压传感器、主电源电流传感器、油 井套管电位传感器及异常信号传感器相连。
[0007] 所述的全桥逆变器还与保护电路A相连；斩波器与保护电路B相连。
[0008] 所述的微处理器与PWM驱动电路之间连接控制信号隔离放大电路。
[0009] 所述的微处理器还与参数显示、参数输入单元相连。
[0010] 所述的微处理器、参数显示、参数输入、GPRS模块、PWM驱动电路、采样信号滤波放 大处理电路组成控制单元。
[0011] 所述的AC380V电源、一次整流滤波单元、全桥逆变器、中频变压单元、二次整流滤 波单元、斩波器、保护电路A及保护电路B组成功率主电路。
[0012] 所述的微处理器采用高性能数字信号处理器。
[0013] 所述的全桥逆变器、斩波器均包括有功率开关器件，功率开关器件采用功率晶体 管GTR或金属一氧化物一半导体型场效应晶体管MOSFET或绝缘栅双极型晶体管IGBT或门 极关断晶闸管GT0。
[0014] 一种油井套管阴极保护专用脉冲恒电位电源的构建方法，包括以下步骤： 1) 首先采用全桥逆变器构成电源的一次逆变单元，并引入中频变压单元实现一次侧的 电能传递与电压变换，并同时实现电气隔离； 2) 采用斩波器构成电源的二次逆变单元并输出频率、幅值、占空比均可独立调节的脉 冲电流； 3) 在二次逆变主电路结构的基础上，增设以高性能DSP微处理器为核心的控制单元， 通过DSP输出的PWM控制信号控制一、二次逆变中功率管的动作； 4) 设置电流、电压采样电路，通过对外部反馈信号采集进行运算，外部反馈信号包括输 出电流、输出电压、套管实测电位，生成控制PWM信号； 5) 在控制软件中嵌入控制算法及信号采样滤波算法，控制算法采用闭环控制策略实现 电源的自适应调节，即通过对外部信号的测量不断调整自身输出参数，确保套管始终处于 最佳的阴极保护状态； 6) 扩展电源的外围功能，所述的外围功能包括：实现电源的参数调节与显示，同时通过 扩展GPRS无线数传功能实现油井套管阴极保护现场数据与远程中控中心的无线通讯，实 现套管阴极保护的数字化管理。
[0015] 所述的一次逆变单元由全桥变换电路组成，全桥变换电路由可控开关型功率管组 成；二次逆变单元由斩波电路组成。
[0016] 本发明的有益效果是： 本发明是在二次逆变体制即AC-DC-AC-DC-AC(脉冲波）的基础上构建功率主电路，同 时构建控制单元对功率主电路进行实时控制。功率主电路负责生成频率、幅值、占空比均可 控的脉冲电流，控制单元负责对外部信号如输出电流、电压、套管实测电位的采集与计算， 同时根据控制算法对脉冲电流的输出参数进行实时调节，使得套管的保护电位始终处于最 佳范围，确保油井套管获得最佳的保护状态，同时在此基础上扩展外围功能，如故障自检、 人机交互、GPRS无线数据传输功能，使其构成一个完整的智能化脉冲电源，方便人们对运行 参数进行设定与监控，同时保障系统运行正常平稳，特别是对那些不便于人工职守地处偏 远的油井套管来说，该系统可极大程度的保障油井套管安全、降低人工成本、提高系统运行 效率，同时由于智能化控制单元的引入，可以很方便地对脉冲电源实施技术升级改造，不断 优化其性能，另外，本系统具有使用广泛的特点，可以应用于石油及天然气长输管线、埋地 管道、地下钢结构的脉冲电流阴极保护，具有极大的社会效益和经济效益。本发明还具有以 下优点： 1)功率主电路基于二次逆变体制构建，一次逆变部分实现电气隔离和电压变换，中频 变压器的引入极大程度地减小了电源的体积，减轻了电源重量。二次逆变部分使得直流变 为脉冲，实现脉冲参数的调节。
[0017] 2) -次逆变部分采用全桥器件作功率变换器件，二次逆变部分采用斩波器作功率 调节器，一、二次逆变均采用PWM方式进行控制； 3) 采用先进微处理器构建控制单元，设置电压和电流传感器采集外部信号并通过先进 的自动控制算法输出PWM控制信号，实现电源系统的自动化及智能化运行； 4) 在先进微处理器的基础上扩展外围功能，如增设液晶显示屏、键盘、GPRS数传模块等 外设，实现系统运行过程中的参数显示与设置，数据的远程传输，运行状态的实时监控等功 能； 本发明的油井套管阴极保护专用脉冲恒电位电源系统，具有以下明显优点： 1)该电源具有更强的电流穿透力、更均匀的保护电位分布，能够提供更大的输出电流， 而且脉冲电流输出参数如频率、幅值、占空比可以在较大范围内进行调节，使其在套管阴极 保护方面更有前途。
[0018] 2)二次逆变主电路结构形式的引入极大程度地减小了电源体积，减轻了电源重 量，提升了电源效率，同时由于实现了电气隔离使电源的安全性得到提升。
[0019] 3)二次逆变主电路结构形式的引入使得脉冲电流输出参数如频率、幅值、占空比 可以在较大范围内进行独立调节，使其在套管阴极保护方面更有前途。
[0020] 4)先进微处理器及先进控制算法的应用极大程度的提升了电源的智能化水平，使 得系统可根据设定值及外部反馈信号自动调节系统的运行参数，确保套管始终处于最佳保 护状态，并且可以通过软件升级的方式不断提升系统控制的精确程度及自动化程度。
[0021] 5)在先进微处理器的基础上可以不断扩充外围功能，如运行参数的实时显示、存 储、分析、设置以及远程传输等功能，使其成为一个功能完备的智能化控制系统，实现油井 套管阴极保护的数字化管理。
[0022] 6)本系统使用广泛，可以用于石油及天然气长输管线、埋地管道、地下钢结构的脉 冲电流阴极保护。
[0023] 采用本发明延长了油井套管的保护深度；改善了油井套管的保护效果；提升了套 管阴极保护的自动化及智能化水平；节省能源，提高电能利用率，降低使用成本；实现了油 井套管阴极保护的数字化管理。
【专利附图】
【附图说明】
[0024] 图1是本发明整体结构原理图。
[0025] 图2是本发明控制电路框图。
[0026] 图3是实施例中二层闭环控制策略不意图。
【具体实施方式】
[0027] 下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
[0028] 参见图1?3,一种油井套管阴极保护专用脉冲恒电位电源，包括有微处理器，微 处理器与采样信号滤波放大处理电路、GPRS模块及PWM驱动电路相连；PWM驱动电路分别 与全桥逆变器、斩波器相连；全桥逆变器的输入端通过一次整流滤波单元与AC380V电源相 连；全桥逆变器的输出端通过中频变压单元与二次整流滤波单元相连；二次整流滤波单元 与斩波器相连；斩波器与油井套管相连； 所述的采样信号滤波放大处理电路分别与主电源电压传感器、主电源电流传感器、油 井套管电位传感器及异常信号传感器相连。
[0029] 所述的全桥逆变器还与保护电路A相连；斩波器与保护电路B相连。
[0030] 所述的微处理器与PWM驱动电路之间连接控制信号隔离放大电路。
[0031] 所述的微处理器还与参数显示、参数输入单元相连。
[0032] 所述的微处理器、参数显示、参数输入、GPRS模块、PWM驱动电路、采样信号滤波放 大处理电路组成控制单元。
[0033] 所述的AC380V电源、一次整流滤波单元、全桥逆变器、中频变压单元、二次整流滤 波单元、斩波器、保护电路A及保护电路B组成功率单元。
[0034] 所述的全桥逆变器、斩波器均包括有功率开关器件，功率开关器件采用功率晶体 管GTR或金属一氧化物一半导体型场效应晶体管MOSFET或绝缘栅双极型晶体管IGBT或门 极关断晶闸管GT0。
[0035] 所述的中频变压单元为中频变压器。
[0036] 微处理器采用高性能单片机、DSP器件，微处理器通过滤波电路及滤波算法采集电 压、电流信号、油井套管实测电位等反馈信号，经闭环控制算法计算后生成调制PWM信号， 再将该PWM信号经过光电隔离器件及驱动电路控制一、二次逆变单元中每个功率器件的动 作；功率器件采用大功率的场效应晶体管MOSFET或绝缘栅双极型晶体管IGBT功率开关器 件分别组成，控制电路不仅控制逆变器的输入输出，而且对整个装置起保护和控制作用； 同时在此基础上，通过扩展其他外围器件如LCD显示屏、键盘、GPRS模块，实现人机交互及 数据的远程传输功能，在LCD上显示脉冲电源的输出电压、电流、占空比，同时可通过键盘 对相关参数进行设置，通过GPRS模块将脉冲电源的参数传输给远程中央监控系统，实现对 脉冲电源运行状态的远程实时监控。
[0037] 依照本发明的技术方案，本实施例的技术路线是：采用二次逆变体制设计电源的 功率主电路，同时以先进DSP微处理器为核心设计电源的控制单元，接口控制单元的接口 电路与主功率器件、电流及电压传感器、其他外设等部件相连，通过滤波电路对外部反馈信 号进行测量后进行运算后输出调制PWM波，再由光电隔离及驱动电路控制一次逆变与二次 逆变单元中功率管的动作，使得输出的脉冲电流随着外部信号变化而不断进行自适应调 整，从而确保油井套管的保护电位始终处于最佳范围，达到良好的阴极保护效果，在此基础 之上，适当扩展外围功能，采用LCD显示屏对运行过程中的各个脉冲电流参数进行实时显 示，采用薄膜键盘对运行参数如占空比、幅值、频率等进行设置，采用GPRS无线数传模块对 运行中需要记录与分析的参数进行远程传输，使得人们可以在远程中控中心对各个油井套 管的阴极保护过程进行实时监控，省去人工值守，整个脉冲恒电位电源系统构成一个功能 完备的智能化控制系统。整个脉冲电源系统组成如图1所示。
[0038] 主电路的功率器件采用IGBT及其相应的驱动电路构成，具体的工作原理为：输入 的AC380V交流电首先经一次大功率整流桥堆整流成520V左右直流电，滤波后再由一次全 桥逆变器变成可控的交流电，经过中频变压单元变压后输出相对较低的电压，中频变压单 元的变比采用NI :N2=2:1，再经二次整流滤波单元二次整流滤波后得到电压固定的直流电， 二次斩波逆变部分由单只IGBT管组成，通过PWM驱动电路控制其斩波生成频率、占空比、幅 值、基值均可独立调节的调制脉冲波，由于在该结构中引入了中频变压器，此时变压器的设 计要满足公式： U=4. 44SBN/*10H (式 I ) 式中，B为磁感应强度，S为变压器磁芯截面积，U为输入电压，N为中频变压器绕组匝 数，/为逆变频率。
[0039] 若在一次全桥逆变器取/ =20ΚΗζ，则相对于普通50Hz工频电压，中频变压器磁芯 截面积理论上可减小400倍，因此该二次逆变结构的引入极大程度的减小了脉冲电源的体 积及重量，同时实现了电气隔离，使电源获得良好的动特性和可调性，并有助于提高电源的 工作效率。
[0040] 控制单元由微处理器、PWM驱动电路、采样信号滤波放大处理电路等组成一个完整 的智能控制系统。运行时，微处理器根据人机交互界面所设定的初始运行参数启动脉冲电 源，然后通过采集外部数据如保护电位、输出电压电流、异常信号参数，通过控制算法处理 后改变二次斩波单元载波的占空比，实现电源运行参数的自动调整，确保油井套管处于最 佳保护状态，同时每隔一定时间将该参数进行储存，每隔1小时进行打包发送给上位机。
[0041] 所用微处理器采用TI公司TMS320LF2407DSP ;主电源电压传感器采用电流型200V 电压传感器；主电源电流传感器采用电流型200A电流传感器。PWM调制频率为20KHz ;信号 采集和控制周期取Ims ;整个控制系统原理如图2所示。
[0042] 采用三层自学习闭环控制策略实现脉冲恒电位电源系统输出参数的自适应调节， 保证处于不同工况条件下的油井套管都能得到有效地阴极保护，具体控制原理为： 在系统刚开始运行时，为了不使套管保护电流一下子过大，首先对最里层电流反馈进 行算法处理，使保护电流逐渐达到设定值，并在这个过程学习最佳的占空比参数匹配；当电 流达到设定值时，开始进行中间层自学习控制，在这个过程主要学习如何匹配最佳的幅值 及基值，使得脉冲电源输出功率达到最小化，同时不改变保护电流的大小；当输出功率匹配 完成后，最后引入最外层保护电位反馈信号，通过改变载波占空比使得被保护油井套管达 到最佳保护电位，对其实行精细调节，这种三层自学习闭环控制策略不仅可以使套管的保 护电位始终保持在最佳范围内，同时可有效匹配电源输出功率，节能环保且提升了系统的 稳定性。整个控制原理框图如图3所示。
[0043] 一种油井套管阴极保护专用脉冲恒电位电源的构建方法，包括以下步骤： 1) 首先采用全桥逆变器构成电源的一次逆变单元，并引入中频变压单元实现一次侧的 电能传递与电压变换，并同时实现电气隔离，减小电源体积，减轻电源重量，是电源获得良 好的动特性； 2) 采用斩波器构成电源的二次逆变单元并输出频率、幅值、占空比均可独立调节的脉 冲电流； 3) 在二次逆变主电路结构的基础上，增设以高性能DSP微处理器为核心的控制单元， 通过DSP输出的PWM控制信号控制一、二次逆变中功率管的动作； 4) 设置电流、电压采样电路，通过实时采集外部反馈信号进行运算后，（外部反馈信号 包括输出电流、输出电压、套管实测电位等)，生成PWM控制信号； 5) 在控制软件中嵌入控制算法及信号采样滤波算法，控制算法采用闭环控制策略实现 电源的自适应调节，即通过对外部信号的测量不断调整自身输出参数，确保套管始终处于 最佳的阴极保护状态； 6) 扩展电源的外围功能，所述的外围功能包括：实现电源的参数调节与显示，同时通过 扩展GPRS无线数传功能实现油井套管阴极保护现场数据与远程中控中心的无线通讯，实 现套管阴极保护的数字化管理。
[0044] 所述的一次逆变单元由全桥变换电路组成，全桥变换电路由可控开关型功率管组 成；二次逆变单元由斩波电路组成。
[0045] 所述的控制单元采用高性能数字信号处理器为核心，同时扩展出信号采样滤波电 路、信号隔离放大电路、其他外设接口电路等。
[0046] 所述的控制策略为三层自学习闭环控制策略，控制单元通过采集电源输出电流电 压，套管实测电位等值实现三个层次的自适应闭环控制。
【权利要求】
1. 一种油井套管阴极保护专用脉冲恒电位电源，其特征在于，包括有微处理器，微处理 器与采样信号滤波放大处理电路、GPRS模块及PWM驱动电路相连；PWM驱动电路分别与全桥 逆变器、斩波器相连；全桥逆变器通过一次整流滤波单元与AC380V电源相连；全桥逆变器 通过中频变压单元与二次整流滤波单元相连；二次整流滤波单元与斩波器相连；斩波器与 油井套管相连； 所述的采样信号滤波放大处理电路分别与主电源电压传感器、主电源电流传感器、油 井套管电位传感器及异常信号传感器相连。
2. 根据权利要求1所述的一种油井套管阴极保护专用脉冲恒电位电源，其特征在于， 所述的全桥逆变器还与保护电路A相连；斩波器与保护电路B相连。
3. 根据权利要求1所述的一种油井套管阴极保护专用脉冲恒电位电源，其特征在于， 所述的微处理器与PWM驱动电路之间连接控制信号隔离放大电路。
4. 根据权利要求1所述的一种油井套管阴极保护专用脉冲恒电位电源，其特征在于， 所述的微处理器还与参数显示、参数输入单元相连。
5. 根据权利要求1所述的一种油井套管阴极保护专用脉冲恒电位电源，其特征在于， 所述的微处理器、参数显不、参数输入、GPRS模块、PWM驱动电路、米样信号滤波放大处理电 路组成控制单元。
6. 根据权利要求1所述的一种油井套管阴极保护专用脉冲恒电位电源，其特征在于， 所述的AC380V电源、一次整流滤波单元、全桥逆变器、中频变压单元、二次整流滤波单元、 斩波器、保护电路A及保护电路B组成功率主电路。
7. 根据权利要求1所述的一种油井套管阴极保护专用脉冲恒电位电源，其特征在于， 所述的微处理器采用高性能数字信号处理器。
8. 根据权利要求1所述的一种油井套管阴极保护专用脉冲恒电位电源，其特征在于， 所述的全桥逆变器、斩波器均包括有功率开关器件，功率开关器件采用功率晶体管GTR或 金属一氧化物一半导体型场效应晶体管MOSFET或绝缘栅双极型晶体管IGBT或门极关断晶 闸管GTO。
9. 一种油井套管阴极保护专用脉冲恒电位电源的构建方法，其特征在于，包括以下步 骤： 1) 首先采用全桥逆变器构成电源的一次逆变单元，并引入中频变压单元实现一次侧的 电能传递与电压变换，并同时实现电气隔离； 2) 采用斩波器构成电源的二次逆变单元并输出频率、幅值、占空比均可独立调节的脉 冲电流； 3) 在二次逆变主电路结构的基础上，增设以高性能DSP微处理器为核心的控制单元， 通过DSP输出的PWM控制信号控制一、二次逆变中功率管的动作； 4) 设置电流、电压采样电路，通过对外部反馈信号采集进行运算，外部反馈信号包括输 出电流、输出电压、套管实测电位，生成控制PWM信号； 5) 在控制软件中嵌入控制算法及信号采样滤波算法，控制算法采用三层自学习闭环控 制策略实现电源的自适应调节，即通过对外部信号的测量不断调整自身输出参数，确保套 管始终处于最佳的阴极保护状态； 6) 扩展电源的外围功能，所述的外围功能包括：实现电源的参数调节与显示，同时通过 扩展GPRS无线数传功能实现油井套管阴极保护现场数据与远程中控中心的无线通讯，实 现套管阴极保护的数字化管理。
10.根据权利要求9所述的一种油井套管阴极保护专用脉冲恒电位电源的构建方法， 其特征在于，所述的一次逆变单元由全桥变换电路组成，全桥变换电路由可控开关型功率 管组成；二次逆变单元由斩波电路组成。
【文档编号】H02M7/5395GK104393764SQ201410738461
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2014年12月8日 优先权日:2014年12月8日
【发明者】周好斌, 袁森, 周勇, 栗汝杰 申请人:西安石油大学