尚春虎，田立國(guó)，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(gè)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(guó)接近75%的電力來(lái)源，但是其開(kāi)采難度大、危險(xiǎn)性較高，且造成污染較大。為了我國(guó)的可持續(xù)發(fā)展，避免有限資源被無(wú)節(jié)制的礦產(chǎn)開(kāi)采，必須采用新型能源來(lái)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(cè)預(yù)報(bào)，綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，被大大看好。垂直潮流能發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)就響應(yīng)了當(dāng)下政策形式，利用再生資源潮流進(jìn)行發(fā)電，不僅降低了石化能源的開(kāi)采量，而且節(jié)能環(huán)保，為社會(huì)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(jì)

垂直軸潮流能發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)主要分為三大類，一是水輪機(jī)發(fā)電的設(shè)計(jì)，二是電能變換的設(shè)計(jì)，三是控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。水輪機(jī)的設(shè)計(jì)是發(fā)電的基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)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(guò)整流、變流和逆變等一系列的轉(zhuǎn)化，將從發(fā)電機(jī)出來(lái)的電力轉(zhuǎn)為國(guó)家電網(wǎng)規(guī)定的50Hz頻率；控制系統(tǒng)包含遠(yuǎn)程終端控制和PID控制，遠(yuǎn)程終端是為了方便工作人員進(jìn)行監(jiān)測(cè)，由于潮流能發(fā)電站大都建立于水上，臺(tái)風(fēng)、海浪隨時(shí)會(huì)發(fā)生，為了確保人員的人身安全，建立遠(yuǎn)程控制終端。PID控制指通過(guò)PID算法實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)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(jī)發(fā)電的設(shè)計(jì)：安裝在水下，可將水流的能量轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)機(jī)械能的動(dòng)力機(jī)械裝置，再通過(guò)發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能進(jìn)行發(fā)電。

(2)電能變換的設(shè)計(jì)：控制機(jī)組建立在海上，可將發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能進(jìn)行轉(zhuǎn)換，滿足實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)條件。

(3)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)：遠(yuǎn)程終端監(jiān)控站建立在安全的大陸上，可通過(guò)組態(tài)軟件實(shí)時(shí)觀察發(fā)電情況，并能對(duì)其進(jìn)行控制。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

■2.1 控制模塊

選用STM32F103C8T6最小系統(tǒng)，該單片機(jī)須在-25℃～75℃間存放，在-40℃～80℃動(dòng)作，電源電壓為5V，具有48個(gè)引腳，輸入信號(hào)電壓是直流3.3V，輸入信號(hào)有上拉輸入和下拉輸入兩種形式，輸出具有38個(gè)點(diǎn)，輸出頻率為16MHz，動(dòng)作輸入和輸出都會(huì)有LED燈亮作為提示，存儲(chǔ)器的容量高達(dá)32K，內(nèi)有實(shí)時(shí)時(shí)鐘，能進(jìn)行定時(shí)中斷功能、脈沖捕捉功能、輸入中斷功能等，可實(shí)現(xiàn)浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算。

■2.2 水輪機(jī)發(fā)電

本設(shè)計(jì)的水輪機(jī)采用垂直軸潮流水輪機(jī)，即潮流能水輪機(jī)葉輪的旋轉(zhuǎn)軸與水流方向垂直，此種設(shè)計(jì)方式使得垂直軸水輪機(jī)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(shí)能夠使發(fā)電機(jī)位于水面之上，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，降低了設(shè)計(jì)難度，減少了設(shè)計(jì)成本。本設(shè)計(jì)的垂直水輪機(jī)采用H型的三葉片設(shè)計(jì)外觀，并裝有增速器，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)快速旋轉(zhuǎn)進(jìn)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(jī)發(fā)電機(jī)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(guò)整流橋轉(zhuǎn)為直流，更方便的控制電流和電壓，再通過(guò)變流器對(duì)電流進(jìn)行控制，最后通過(guò)逆變器控制電壓和頻率，將直流電變?yōu)榻涣麟姡l率變?yōu)閲?guó)家電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)頻率50Hz。

■2.4 RS485轉(zhuǎn)ZigBee無(wú)線模塊

本設(shè)計(jì)RS485轉(zhuǎn)ZigBee無(wú)線模塊選用的型號(hào)為DRF 2659C，實(shí)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(wú)線頻率為2.4GHz，用戶可通過(guò)串口指令更改頻道，串口速度默認(rèn)為38400bps，當(dāng)然也可設(shè)置為1200bps、2400bps、4800bps等，串口格式默認(rèn)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(wú)線模塊實(shí)物圖

■2.5 遠(yuǎn)程終端控制

遠(yuǎn)程終端控制是指利用esp8266無(wú)線通訊模塊，將信息實(shí)時(shí)上傳至匯流站主控計(jì)算機(jī)，通過(guò)組態(tài)軟件進(jìn)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(shí)可以通過(guò)此界面進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)之間的通訊。如此一來(lái)，避免了工作人員身處危險(xiǎn)環(huán)境進(jìn)行作業(yè)，保障了他們的人身安全。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

■3.1 通信協(xié)議

為了實(shí)現(xiàn)垂直軸潮流能發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)與上位機(jī)監(jiān)控軟件之間的遠(yuǎn)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程通信。MQTT協(xié)議作為一種IoT應(yīng)用通信標(biāo)準(zhǔn)，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(jì)的上位機(jī)監(jiān)控軟件將垂直軸潮流能發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)作為信息發(fā)布者，上位機(jī)則作為訂閱者，用于接收顯示數(shù)據(jù)。上位機(jī)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(jī)的制作

本文設(shè)計(jì)的垂直軸潮流能發(fā)電機(jī)組遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)采用可視化的集成開(kāi)發(fā)工具QT5.11進(jìn)行設(shè)計(jì)，QT作為一種基于C++編程語(yǔ)言的人機(jī)交互設(shè)計(jì)軟件，非常適合設(shè)計(jì)各種上位機(jī)監(jiān)控軟件。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的垂直軸潮流能發(fā)電機(jī)組遠(yuǎn)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(chǔ)等功能。使用MQTT遙信消息隊(duì)列傳輸協(xié)議作為整個(gè)系統(tǒng)的核心通訊協(xié)議，并使用阿里云數(shù)據(jù)自動(dòng)儲(chǔ)存、備份數(shù)據(jù)，極大的增加了數(shù)據(jù)的可靠性。上位機(jī)主界面和遠(yuǎn)程控制界面分別如圖5、圖6所示。

圖5 上位機(jī)主界面圖

圖6 遠(yuǎn)程控制界面圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出一種垂直軸潮流能發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)，綜合運(yùn)用了物聯(lián)網(wǎng)、嵌入式、上位機(jī)管控等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)代工業(yè)化發(fā)電的技術(shù)。我國(guó)海洋面積遼闊，海水資源豐富，不用擔(dān)心會(huì)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(jìn)行筑壩，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成破壞，直接利用漲潮落潮來(lái)帶動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)，并且可以預(yù)測(cè)，故選用潮流能來(lái)進(jìn)行發(fā)電，如此一來(lái)，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(jì)損失，為我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速、持續(xù)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，同時(shí)也為生態(tài)環(huán)境做出了一份貢獻(xiàn)。