近海岸潮流發(fā)電模擬裝置中造流方法研究

白 晗 ，王世明，白連平 ，田 卡 ，石皓巖

（1．北京信息科技大學 自動化學院，北京 100192；2．上海海洋大學 工程學院，上海 201306）

隨著風力發(fā)電和光伏發(fā)電技術(shù)逐步趨于成熟，人們將關(guān)注點又投向海洋能發(fā)電。海洋能發(fā)電形式主要是潮汐、潮流、波浪、溫差、鹽差發(fā)電。其中潮流能的能量密度較高，而且能量轉(zhuǎn)換方便，具有很好的產(chǎn)業(yè)化前景。目前國內(nèi)外采用的潮流發(fā)電機主要有水平軸式和豎軸式兩種形式，水平軸式發(fā)電機轉(zhuǎn)換效率比豎軸式要高[1]。在潮流發(fā)電過程中，海上測試難度大而且試驗成本高，需要建立潮流發(fā)電的前期研究環(huán)境，為此我們設計了一種水平軸式雙向葉輪潮流發(fā)電模擬裝置。在控制系統(tǒng)中，通過LabVIEW實現(xiàn)上位機對模擬裝置的控制。根據(jù)近海岸的潮流流速，實現(xiàn)了對恒流速和變流速的潮流模擬。該裝置為研究潮流發(fā)電中的葉輪優(yōu)化設計、海水的能量轉(zhuǎn)換效率、潮流發(fā)電機效率，以及發(fā)電機能量處理，提供了必要的實驗條件。為潮流發(fā)電的海上試驗奠定了基礎(chǔ)。

圖1 近海岸潮流發(fā)電裝置原理圖

1 潮流發(fā)電模擬實驗裝置

近海岸潮流發(fā)電裝置原理圖如圖1所示，匯流罩將潮流匯聚在導流筒內(nèi)，增大水的流速，將集中到的能量帶動發(fā)電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，使發(fā)電機發(fā)電。在實驗室模擬圖1所示的海上潮流發(fā)電，導流筒及發(fā)電機部分裝置是必不可少的，故實驗室潮流發(fā)電模擬裝置設計成一種可控流速的水流閉合回路，潮流發(fā)電模擬實驗裝置如圖2所示。變頻器驅(qū)動電動機，電動機正反轉(zhuǎn)帶動雙向葉輪泵旋轉(zhuǎn)，在導流筒內(nèi)產(chǎn)生往復的水流。本實驗裝置不需要考慮換向問題，可雙向獲取能量，效率高；占地面積小，結(jié)構(gòu)緊湊；水在管道內(nèi)流動，成本低。根據(jù)電動機的轉(zhuǎn)速n與變頻器頻率f的關(guān)系可知 n∝f，由于水泵的流量Q正比于電動機轉(zhuǎn)速n，又因水泵流量與水流速v和管道截面積s的關(guān)系Q=s*v，則在電動機參數(shù)、水泵參數(shù)以及管道截面積都固定時v∝f，即管道內(nèi)的水流速與變頻器頻率成正比關(guān)系，經(jīng)測得圖2所示的潮流模擬實驗裝置的水流速與變頻器頻率的關(guān)系如圖3所示。

圖2 實驗室潮流模擬實驗裝置

圖3 流速與變頻器頻率關(guān)系圖

2 潮流模擬控制系統(tǒng)設計

根據(jù)潮流模擬裝置的水流速與變頻器頻率的關(guān)系，給定預設流速函數(shù)可以得到對應的頻率函數(shù)，從而控制變頻器的輸出頻率改變，在圖2模擬裝置內(nèi)產(chǎn)生期望的水流，達到流速模擬效果。在潮流模擬控制系統(tǒng)中，如何快速準確控制變頻器又要實時顯示模擬結(jié)果成為控制的關(guān)鍵。通過手動操作變頻器按鍵控制，自動化程度太低，通過外部輸入的模擬信號控制，調(diào)節(jié)精度又不夠高，故本文通過LabVIEW的VISA串口通信設定變頻器頻率，除了自動化程度高可以準確設定頻率外，還能通過Labview與Matlab的混合編程實現(xiàn)上位機對變頻器的連續(xù)控制適合進行潮流模擬，而且還可以在LabVIEW上設計良好的界面進行模擬流速的實時顯示。

2.1 基于LabVIEW與Matlab混合編程的流速控制

LabVIEW運用簡單易用的圖形式開發(fā)環(huán)境與強大的圖像化編程語言，提供了一個非常直觀的語言環(huán)境，在信號采集、界面設計和過程控制與處理等方面具有強大的功能。但是，LabVIEW的數(shù)學運算功能不夠強大，在一些需要進行大量數(shù)據(jù)運算的復雜環(huán)境Matlab更有優(yōu)勢，Matlab具有強大的數(shù)學計算和波形顯示的功能，但在數(shù)據(jù)采集、程序運行、程序框圖等方面比較遜色，其界面開發(fā)及流程控制的能力也比較較差。LabVIEW與Matlab混合編程，可以發(fā)揮出二者的優(yōu)勢，是很強大的使用工具[2]。在LabVIEW與Matlab的混合編程中,Matlab后臺負責進行預設流速函數(shù)以及頻率函數(shù)的計算，然后將頻率信號提供給LabVIEW，最后通過串口發(fā)送給變頻器進行頻率控制。

LabVIEW與Matlab混合編程有兩種方法：使用LabVIEW的Actiex函數(shù)模板和使用Matlab Script節(jié)點。Activex通過接口函數(shù)建立Activex通道將Matlab當作一個Activex服務器對Matlab進行數(shù)據(jù)傳送，這種方法設計比較復雜，故本文采用第二種方法，Matlab Script節(jié)點具有多輸入、多輸出的特點，一次可以處理很大的數(shù)據(jù)信息量。本控制系統(tǒng)直接在LabVIEW的Matlab Script節(jié)點中編寫預設流速函數(shù)，將計算出的對應頻率放在數(shù)組內(nèi)。根據(jù)Modbus通訊協(xié)議以及變頻器的參數(shù)，將數(shù)據(jù)幀0106 0001 2710 C236（以50 Hz為例），利用Lab VIEW的VISA技術(shù)通過變頻器的RS485接口將頻率信號發(fā)送給變頻器，實現(xiàn)預設流速信號的發(fā)送。LabVIEW與Matlab混合編程的程序框圖如圖4所示。

圖4 預設流速-頻率發(fā)送程序框圖

2.2 基于LabVIEW的上位機采集方法研究

在潮流模擬實驗裝置中，流速傳感器需要將實時的管道水流速發(fā)送到上位機，以便觀察對比。流速傳感器通過RS232串口將水流速信號采集到上位機，LabVIEW利用VISA技術(shù)進行數(shù)據(jù)接收，并顯示及保存下來。LabVIEW的流速采集程序框圖如圖5所示，其具體步驟按照數(shù)據(jù)的流動可以分為如下幾個步驟。

(1)VISA配置串口，包括VISA資源名稱即變頻器端口號選擇、波特率，數(shù)據(jù)比特、奇偶校驗和停止位，其參數(shù)設置應和變頻器參數(shù)設置一致。

(2)讀取串口，通過VISA Read.vi對傳輸數(shù)據(jù)進行串口讀操作。將接收到3位十六進制流速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)據(jù)，并將信號接入濾波器增加流速曲線的穩(wěn)定性。

(3)將濾波之后的數(shù)據(jù)在前面板進行顯示并保存在文件內(nèi)，延時1 s再進行信號采集。

(4)關(guān)閉串口，利用VISA Close.vi將串口關(guān)閉，不再對信號進行采集。

(5)數(shù)據(jù)回放，將寫入電子表格的數(shù)據(jù)進行重新讀取，方便對模擬的流速數(shù)據(jù)進行后期研究。

圖5 模擬流速采集程序框圖

2.3 潮流模擬裝置上位機界面設計

在上位機的LabVIEW軟件內(nèi)設計的流速采集界面如圖6示，直觀明了，界面良好。采集前選擇好串口端號、波特率、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗位以及停止位就可以進行數(shù)據(jù)采集。先點擊停止采集按鈕然后點擊保存數(shù)據(jù)按鈕完成數(shù)據(jù)的保存，點擊數(shù)據(jù)回放按鈕即可進行流速的回放，以便對數(shù)據(jù)的后期研究。

圖6 模擬流速上位機采集界面

3 造流方法探索

近海岸地區(qū)的海水動力環(huán)境非常復雜，包含了風、波浪、潮流和徑流等多種動力因素，波浪在向近海岸傳播的過程中由于復雜多變的環(huán)境而呈現(xiàn)出多種形式，通常可以分為線性波和非線性波。線性波的水面呈現(xiàn)簡諧形式的起伏，波高和波長之比較小，是最簡單的波動。大多情況下近海岸的波動是非線性的，常見的非線性波分為斯托克斯波、橢圓余弦波和孤立波[3]。當水深很淺（h＜0.125L）時，斯托克斯波的高階項可能變得很大，因而不能適用，這時就應作為淺水非線性波來研究[4]，故采用橢圓余弦波做為流速研究的基礎(chǔ)。橢圓余弦波的水平流速波形如圖7所示，其水平方向流速方程為：

圖7 橢圓余弦波流速

在波浪向近海岸傳播過程中，受到海底地形、地貌、水深變淺以及海岸建筑物的影響，波浪產(chǎn)生變形、折射、繞射、反射和破碎等現(xiàn)象，從而使波浪的特征參數(shù)發(fā)生變化，波面極其復雜，無法用數(shù)學描述，此時采用近海岸的沿岸流進行研究[5]。Longuet-Higgins提出改進后的沿岸流如圖8所示，計算公式如下：

式中：V=v/vb，

式中：v為沿岸流流速；h為水深；x為到靜水岸線的距離；fcw為波流共存時的摩擦系數(shù)；下角標“b”代表破碎點；tanβ=-dD/dx是海底坡度；γ為波高水深比，在均勻底坡上通常可取為0.8；α為波浪入射角；式中N和γ為無量綱系數(shù)。

圖8 近海岸水流速曲線圖

4 造流過程與實驗結(jié)果

4.1 穩(wěn)定流速模擬

在圖2所示的實驗室潮流模擬裝置中欲產(chǎn)生0.75 m/s的水流速，需要給定變頻器的頻率為50 Hz。在圖6所示的上位機界面，采集到的模擬流速如圖9所示。對于穩(wěn)定流速的模擬誤差采用模擬流速的平均值vˉ相對預設流速v的變化率來表示，經(jīng)計算，圖9的平均流速為0.78 m/s，因此穩(wěn)定流速的模擬誤差δ1為：

圖9 恒流速模擬曲線

4.2 橢圓余弦波流速模擬

根據(jù)圖7所示橢圓余弦波流速曲線進行流速模擬，將仿真步長增大到1 s，其預設變流速曲線如圖10所示。采集到的流速曲線如圖11所示，與預設流速波形較為吻合。誤差采用模擬流速曲線和時間軸的面積S2與預設流速曲線和時間軸面積S1之差再與模擬流速曲線面積S1的商進行評估，由于預設流速發(fā)送與模擬流速采集的時間單位都是1 s，與其對應的流速值恰好為矩形，故其面積為流速所有數(shù)值之和。經(jīng)計算橢圓余弦波預設流速曲線和其模擬流速曲線的所有值之和分別為4.91 m/s和5.18 m/s，因此橢圓余弦波流速模擬誤差δ2為：

圖10 橢圓余弦波預設流速曲線

圖11 橢圓余弦波流速模擬曲線

4.3 沿岸流流速模擬

根據(jù)圖8所示沿岸流流速曲線進行流速模擬，將流速隨位置的變化轉(zhuǎn)換為隨時間的變化并將仿真步長增大到1 s，其預設流速曲線如圖12所示。采集到的流速曲線如圖13所示。經(jīng)計算預設變流速曲線和模擬變流速曲線的所有值之和分別為7.54 m/s和7.99 m/s，因此沿岸流流速模擬誤差δ3為：

圖12 沿岸流預設流速曲線

圖13 沿岸流變流速模擬曲線

5 結(jié)語

由于潮流能發(fā)電海上實驗的困難性和豎軸式潮流發(fā)電機的不足，設計了實驗室葉輪直驅(qū)式潮流發(fā)電模擬裝置，具有結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、成本低的優(yōu)勢。基于LabVIEW上位機軟件對模擬裝置中的造流方法進行研究，設計了預設流速信號的發(fā)送以及模擬流速信號的采集。根據(jù)近海岸波浪理論，對穩(wěn)定流速、橢圓余弦波流速以及沿岸流流速分別進行潮流模擬，模擬值雖比預設值較大但實驗誤差在10%以內(nèi)，可以滿足近海岸潮流發(fā)電的模擬要求，實現(xiàn)了實驗室潮流發(fā)電的前期研究，為海上實驗做充分的準備。

[1]王世明，楊志乾，田卡,等.雙向直驅(qū)式潮流能發(fā)電輪機性能實驗研究［J］.海洋工程，2017,35（3）:119-124.

[2]張暉，鄭煒.Labview與Matlab混合編程的實現(xiàn)[J].系統(tǒng)軟件與軟件工程，2010，5:4322-4323.

[3]文圣常，余廟文.海浪理論與計算原理[M].北京：科學出版社,1985.

[4]吳宋仁.海岸動力學［M］.北京：人民交通出版社,2000.

[5]連怡貞.近岸波浪變形數(shù)值模擬及破波帶沿岸流計算[D].天津：天津大學，2007.