垂直軸潮流能發(fā)電機組控制系統(tǒng)設(shè)計

尚春虎，田立國，侯士棟，林浩，梁灶容

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)，天津，300222）

0 引言

在工業(yè)快速發(fā)展的今天，電能的利用已經(jīng)滲透到各個領(lǐng)域，其中煤、石油等作為發(fā)電的主要石化能源，承擔(dān)了中國接近75%的電力來源，但是其開采難度大、危險性較高，且造成污染較大。為了我國的可持續(xù)發(fā)展，避免有限資源被無節(jié)制的礦產(chǎn)開采，必須采用新型能源來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的主力發(fā)電能源。

如今，新能源發(fā)電主要包括波浪能發(fā)電、生物質(zhì)能發(fā)電、光伏發(fā)電、地?zé)崮馨l(fā)電、潮汐能發(fā)電、潮流能發(fā)電等等，其中潮流能發(fā)電作為水力發(fā)電的方式之一，由于其發(fā)電效率高，可預(yù)測預(yù)報，綠色環(huán)保等優(yōu)點，被大大看好。垂直潮流能發(fā)電機組控制系統(tǒng)的設(shè)計就響應(yīng)了當(dāng)下政策形式，利用再生資源潮流進行發(fā)電，不僅降低了石化能源的開采量，而且節(jié)能環(huán)保，為社會持續(xù)穩(wěn)定的發(fā)展奠定了一定的基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

垂直軸潮流能發(fā)電機組控制系統(tǒng)的總體設(shè)計主要分為三大類，一是水輪機發(fā)電的設(shè)計，二是電能變換的設(shè)計，三是控制系統(tǒng)的設(shè)計。水輪機的設(shè)計是發(fā)電的基礎(chǔ)，設(shè)計越人性化、合理化，發(fā)電效率越高；電能變換與控制系統(tǒng)是并網(wǎng)的關(guān)鍵，通過整流、變流和逆變等一系列的轉(zhuǎn)化，將從發(fā)電機出來的電力轉(zhuǎn)為國家電網(wǎng)規(guī)定的50Hz頻率；控制系統(tǒng)包含遠程終端控制和PID控制，遠程終端是為了方便工作人員進行監(jiān)測，由于潮流能發(fā)電站大都建立于水上，臺風(fēng)、海浪隨時會發(fā)生，為了確保人員的人身安全，建立遠程控制終端。PID控制指通過PID算法實現(xiàn)發(fā)電機變流器的轉(zhuǎn)矩控制，改變輸出功率。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

(1)水輪機發(fā)電的設(shè)計：安裝在水下，可將水流的能量轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)機械能的動力機械裝置，再通過發(fā)電機將機械能轉(zhuǎn)換為電能進行發(fā)電。

(2)電能變換的設(shè)計：控制機組建立在海上，可將發(fā)電機發(fā)出的電能進行轉(zhuǎn)換，滿足實現(xiàn)并網(wǎng)條件。

(3)控制系統(tǒng)的設(shè)計：遠程終端監(jiān)控站建立在安全的大陸上，可通過組態(tài)軟件實時觀察發(fā)電情況，并能對其進行控制。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

■2.1 控制模塊

選用STM32F103C8T6最小系統(tǒng)，該單片機須在-25℃～75℃間存放，在-40℃～80℃動作，電源電壓為5V，具有48個引腳，輸入信號電壓是直流3.3V，輸入信號有上拉輸入和下拉輸入兩種形式，輸出具有38個點，輸出頻率為16MHz，動作輸入和輸出都會有LED燈亮作為提示，存儲器的容量高達32K，內(nèi)有實時時鐘，能進行定時中斷功能、脈沖捕捉功能、輸入中斷功能等，可實現(xiàn)浮點數(shù)運算。

■2.2 水輪機發(fā)電

本設(shè)計的水輪機采用垂直軸潮流水輪機，即潮流能水輪機葉輪的旋轉(zhuǎn)軸與水流方向垂直，此種設(shè)計方式使得垂直軸水輪機的葉片旋轉(zhuǎn)方向不受水流方向的限制，因此不僅不需要換向結(jié)構(gòu)，同時能夠使發(fā)電機位于水面之上，簡化了系統(tǒng)設(shè)計，降低了設(shè)計難度，減少了設(shè)計成本。本設(shè)計的垂直水輪機采用H型的三葉片設(shè)計外觀，并裝有增速器，帶動發(fā)電機快速旋轉(zhuǎn)進行發(fā)電。設(shè)備模型圖如圖2所示。

圖2 設(shè)備模型圖

■2.3 電力轉(zhuǎn)換

從水輪機發(fā)電機發(fā)出的電為交流電，但是不滿足并網(wǎng)要求，因此須將交流電通過整流橋轉(zhuǎn)為直流，更方便的控制電流和電壓，再通過變流器對電流進行控制，最后通過逆變器控制電壓和頻率，將直流電變?yōu)榻涣麟?，頻率變?yōu)閲译娋W(wǎng)標(biāo)準頻率50Hz。

■2.4 RS485轉(zhuǎn)ZigBee無線模塊

本設(shè)計RS485轉(zhuǎn)ZigBee無線模塊選用的型號為DRF 2659C，實物圖如圖3所示。模塊輸入電壓為DC5～28V，適用溫度圍在-40℃～85℃之間，無線頻率為2.4GHz，用戶可通過串口指令更改頻道，串口速度默認為38400bps，當(dāng)然也可設(shè)置為1200bps、2400bps、4800bps等，串口格式默認為8-N-1，傳輸距離最大可到1600米。平均工作電流為25mA，模塊內(nèi)部為DC-DC電源，效率約為80%。

圖3 RS485轉(zhuǎn)ZigBee無線模塊實物圖

■2.5 遠程終端控制

遠程終端控制是指利用esp8266無線通訊模塊，將信息實時上傳至匯流站主控計算機，通過組態(tài)軟件進行監(jiān)控。組態(tài)軟件界面顯示電力轉(zhuǎn)換前后的電壓、電流、頻率和功率，同時可以通過此界面進行控制，實現(xiàn)上位機與下位機之間的通訊。如此一來，避免了工作人員身處危險環(huán)境進行作業(yè)，保障了他們的人身安全。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

■3.1 通信協(xié)議

為了實現(xiàn)垂直軸潮流能發(fā)電機組控制系統(tǒng)與上位機監(jiān)控軟件之間的遠程數(shù)據(jù)傳輸，系統(tǒng)采用以TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議為基礎(chǔ)的MQTT網(wǎng)絡(luò)協(xié)議搭建通訊框架，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程通信。MQTT協(xié)議作為一種IoT應(yīng)用通信標(biāo)準，需要定義信息發(fā)布者，而信息接收者則定義為訂閱者。本文設(shè)計的上位機監(jiān)控軟件將垂直軸潮流能發(fā)電機組控制系統(tǒng)作為信息發(fā)布者，上位機則作為訂閱者，用于接收顯示數(shù)據(jù)。上位機監(jiān)控軟件通訊框架圖如圖4所示。

圖4 監(jiān)控軟件通訊框架圖

■3.2 上位機的制作

本文設(shè)計的垂直軸潮流能發(fā)電機組遠程監(jiān)控系統(tǒng)采用可視化的集成開發(fā)工具QT5.11進行設(shè)計，QT作為一種基于C++編程語言的人機交互設(shè)計軟件，非常適合設(shè)計各種上位機監(jiān)控軟件。本系統(tǒng)設(shè)計的垂直軸潮流能發(fā)電機組遠程監(jiān)控系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集、視頻監(jiān)控、數(shù)據(jù)存儲等功能。使用MQTT遙信消息隊列傳輸協(xié)議作為整個系統(tǒng)的核心通訊協(xié)議，并使用阿里云數(shù)據(jù)自動儲存、備份數(shù)據(jù)，極大的增加了數(shù)據(jù)的可靠性。上位機主界面和遠程控制界面分別如圖5、圖6所示。

圖5 上位機主界面圖

圖6 遠程控制界面圖

4 結(jié)束語

本文提出一種垂直軸潮流能發(fā)電機組控制系統(tǒng)，綜合運用了物聯(lián)網(wǎng)、嵌入式、上位機管控等技術(shù)，實現(xiàn)了現(xiàn)代工業(yè)化發(fā)電的技術(shù)。我國海洋面積遼闊，海水資源豐富，不用擔(dān)心會有資源枯竭的一天，在水力發(fā)電中，潮流能發(fā)電不需要進行筑壩，不會對環(huán)境造成破壞，直接利用漲潮落潮來帶動葉輪旋轉(zhuǎn)，并且可以預(yù)測，故選用潮流能來進行發(fā)電，如此一來，緩解了高峰期電網(wǎng)的發(fā)電的壓力，在一定程度上避免因停電造成的經(jīng)濟損失，為我國經(jīng)濟的高速、持續(xù)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，同時也為生態(tài)環(huán)境做出了一份貢獻。