垂直軸潮流能發電機組控制系統設計

尚春虎，田立國，侯士棟，林浩，梁灶容

（天津職業技術師范大學，天津，300222）

0 引言

在工業快速發展的今天，電能的利用已經滲透到各個領域，其中煤、石油等作為發電的主要石化能源，承擔了中國接近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。為了我國的可持續發展，避免有限資源被無節制的礦產開采，必須采用新型能源來代替傳統的主力發電能源。

如今，新能源發電主要包括波浪能發電、生物質能發電、光伏發電、地熱能發電、潮汐能發電、潮流能發電等等，其中潮流能發電作為水力發電的方式之一，由于其發電效率高，可預測預報，綠色環保等優點，被大大看好。垂直潮流能發電機組控制系統的設計就響應了當下政策形式，利用再生資源潮流進行發電，不僅降低了石化能源的開采量，而且節能環保，為社會持續穩定的發展奠定了一定的基礎。

1 系統總體設計

垂直軸潮流能發電機組控制系統的總體設計主要分為三大類，一是水輪機發電的設計，二是電能變換的設計，三是控制系統的設計。水輪機的設計是發電的基礎，設計越人性化、合理化，發電效率越高；電能變換與控制系統是并網的關鍵，通過整流、變流和逆變等一系列的轉化，將從發電機出來的電力轉為國家電網規定的50Hz頻率；控制系統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測，由于潮流能發電站大都建立于水上，臺風、海浪隨時會發生，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算法實現發電機變流器的轉矩控制，改變輸出功率。系統框圖如圖1所示。

圖1 系統框圖

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

(2)電能變換的設計：控制機組建立在海上，可將發電機發出的電能進行轉換，滿足實現并網條件。

(3)控制系統的設計：遠程終端監控站建立在安全的大陸上，可通過組態軟件實時觀察發電情況，并能對其進行控制。

2 系統硬件設計

■2.1 控制模塊

選用STM32F103C8T6最小系統，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，可實現浮點數運算。

■2.2 水輪機發電

本設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軸與水流方向垂直，此種設計方式使得垂直軸水輪機的葉片旋轉方向不受水流方向的限制，因此不僅不需要換向結構，同時能夠使發電機位于水面之上，簡化了系統設計，降低了設計難度，減少了設計成本。本設計的垂直水輪機采用H型的三葉片設計外觀，并裝有增速器，帶動發電機快速旋轉進行發電。設備模型圖如圖2所示。

圖2 設備模型圖

■2.3 電力轉換

從水輪機發電機發出的電為交流電，但是不滿足并網要求，因此須將交流電通過整流橋轉為直流，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，將直流電變為交流電，頻率變為國家電網標準頻率50Hz。

■2.4 RS485轉ZigBee無線模塊

本設計RS485轉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，當然也可設置為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，模塊內部為DC-DC電源，效率約為80%。

圖3 RS485轉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，通過組態軟件進行監控。組態軟件界面顯示電力轉換前后的電壓、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境進行作業，保障了他們的人身安全。

3 系統軟件設計

■3.1 通信協議

為了實現垂直軸潮流能發電機組控制系統與上位機監控軟件之間的遠程數據傳輸，系統采用以TCP/IP網絡協議為基礎的MQTT網絡協議搭建通訊框架，實現數據的遠程通信。MQTT協議作為一種IoT應用通信標準，需要定義信息發布者，而信息接收者則定義為訂閱者。本文設計的上位機監控軟件將垂直軸潮流能發電機組控制系統作為信息發布者，上位機則作為訂閱者，用于接收顯示數據。上位機監控軟件通訊框架圖如圖4所示。

圖4 監控軟件通訊框架圖

■3.2 上位機的制作

本文設計的垂直軸潮流能發電機組遠程監控系統采用可視化的集成開發工具QT5.11進行設計，QT作為一種基于C++編程語言的人機交互設計軟件，非常適合設計各種上位機監控軟件。本系統設計的垂直軸潮流能發電機組遠程監控系統包括數據采集、視頻監控、數據存儲等功能。使用MQTT遙信消息隊列傳輸協議作為整個系統的核心通訊協議，并使用阿里云數據自動儲存、備份數據，極大的增加了數據的可靠性。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 結束語

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