近海岸潮流发电模拟装置中造流方法研究

白 晗 ，王世明，白连平 ，田 卡 ，石皓岩

（1．北京信息科技大学 自动化学院，北京 100192；2．上海海洋大学 工程学院，上海 201306）

随着风力发电和光伏发电技术逐步趋于成熟，人们将关注点又投向海洋能发电。海洋能发电形式主要是潮汐、潮流、波浪、温差、盐差发电。其中潮流能的能量密度较高，而且能量转换方便，具有很好的产业化前景。目前国内外采用的潮流发电机主要有水平轴式和竖轴式两种形式，水平轴式发电机转换效率比竖轴式要高[1]。在潮流发电过程中，海上测试难度大而且试验成本高，需要建立潮流发电的前期研究环境，为此我们设计了一种水平轴式双向叶轮潮流发电模拟装置。在控制系统中，通过LabVIEW实现上位机对模拟装置的控制。根据近海岸的潮流流速，实现了对恒流速和变流速的潮流模拟。该装置为研究潮流发电中的叶轮优化设计、海水的能量转换效率、潮流发电机效率，以及发电机能量处理，提供了必要的实验条件。为潮流发电的海上试验奠定了基础。

图1 近海岸潮流发电装置原理图

1 潮流发电模拟实验装置

近海岸潮流发电装置原理图如图1所示，汇流罩将潮流汇聚在导流筒内，增大水的流速，将集中到的能量带动发电机转子旋转，使发电机发电。在实验室模拟图1所示的海上潮流发电，导流筒及发电机部分装置是必不可少的，故实验室潮流发电模拟装置设计成一种可控流速的水流闭合回路，潮流发电模拟实验装置如图2所示。变频器驱动电动机，电动机正反转带动双向叶轮泵旋转，在导流筒内产生往复的水流。本实验装置不需要考虑换向问题，可双向获取能量，效率高；占地面积小，结构紧凑；水在管道内流动，成本低。根据电动机的转速n与变频器频率f的关系可知 n∝f，由于水泵的流量Q正比于电动机转速n，又因水泵流量与水流速v和管道截面积s的关系Q=s*v，则在电动机参数、水泵参数以及管道截面积都固定时v∝f，即管道内的水流速与变频器频率成正比关系，经测得图2所示的潮流模拟实验装置的水流速与变频器频率的关系如图3所示。

图2 实验室潮流模拟实验装置

图3 流速与变频器频率关系图

2 潮流模拟控制系统设计

根据潮流模拟装置的水流速与变频器频率的关系，给定预设流速函数可以得到对应的频率函数，从而控制变频器的输出频率改变，在图2模拟装置内产生期望的水流，达到流速模拟效果。在潮流模拟控制系统中，如何快速准确控制变频器又要实时显示模拟结果成为控制的关键。通过手动操作变频器按键控制，自动化程度太低，通过外部输入的模拟信号控制，调节精度又不够高，故本文通过LabVIEW的VISA串口通信设定变频器频率，除了自动化程度高可以准确设定频率外，还能通过Labview与Matlab的混合编程实现上位机对变频器的连续控制适合进行潮流模拟，而且还可以在LabVIEW上设计良好的界面进行模拟流速的实时显示。

2.1 基于LabVIEW与Matlab混合编程的流速控制

LabVIEW运用简单易用的图形式开发环境与强大的图像化编程语言，提供了一个非常直观的语言环境，在信号采集、界面设计和过程控制与处理等方面具有强大的功能。但是，LabVIEW的数学运算功能不够强大，在一些需要进行大量数据运算的复杂环境Matlab更有优势，Matlab具有强大的数学计算和波形显示的功能，但在数据采集、程序运行、程序框图等方面比较逊色，其界面开发及流程控制的能力也比较较差。LabVIEW与Matlab混合编程，可以发挥出二者的优势，是很强大的使用工具[2]。在LabVIEW与Matlab的混合编程中,Matlab后台负责进行预设流速函数以及频率函数的计算，然后将频率信号提供给LabVIEW，最后通过串口发送给变频器进行频率控制。

LabVIEW与Matlab混合编程有两种方法：使用LabVIEW的Actiex函数模板和使用Matlab Script节点。Activex通过接口函数建立Activex通道将Matlab当作一个Activex服务器对Matlab进行数据传送，这种方法设计比较复杂，故本文采用第二种方法，Matlab Script节点具有多输入、多输出的特点，一次可以处理很大的数据信息量。本控制系统直接在LabVIEW的Matlab Script节点中编写预设流速函数，将计算出的对应频率放在数组内。根据Modbus通讯协议以及变频器的参数，将数据帧0106 0001 2710 C236（以50 Hz为例），利用Lab VIEW的VISA技术通过变频器的RS485接口将频率信号发送给变频器，实现预设流速信号的发送。LabVIEW与Matlab混合编程的程序框图如图4所示。

图4 预设流速-频率发送程序框图

2.2 基于LabVIEW的上位机采集方法研究

在潮流模拟实验装置中，流速传感器需要将实时的管道水流速发送到上位机，以便观察对比。流速传感器通过RS232串口将水流速信号采集到上位机，LabVIEW利用VISA技术进行数据接收，并显示及保存下来。LabVIEW的流速采集程序框图如图5所示，其具体步骤按照数据的流动可以分为如下几个步骤。

(1)VISA配置串口，包括VISA资源名称即变频器端口号选择、波特率，数据比特、奇偶校验和停止位，其参数设置应和变频器参数设置一致。

(2)读取串口，通过VISA Read.vi对传输数据进行串口读操作。将接收到3位十六进制流速数据转换为十进制数据，并将信号接入滤波器增加流速曲线的稳定性。

(3)将滤波之后的数据在前面板进行显示并保存在文件内，延时1 s再进行信号采集。

(4)关闭串口，利用VISA Close.vi将串口关闭，不再对信号进行采集。

(5)数据回放，将写入电子表格的数据进行重新读取，方便对模拟的流速数据进行后期研究。

图5 模拟流速采集程序框图

2.3 潮流模拟装置上位机界面设计

在上位机的LabVIEW软件内设计的流速采集界面如图6示，直观明了，界面良好。采集前选择好串口端号、波特率、数据位、奇偶校验位以及停止位就可以进行数据采集。先点击停止采集按钮然后点击保存数据按钮完成数据的保存，点击数据回放按钮即可进行流速的回放，以便对数据的后期研究。

图6 模拟流速上位机采集界面

3 造流方法探索

近海岸地区的海水动力环境非常复杂，包含了风、波浪、潮流和径流等多种动力因素，波浪在向近海岸传播的过程中由于复杂多变的环境而呈现出多种形式，通常可以分为线性波和非线性波。线性波的水面呈现简谐形式的起伏，波高和波长之比较小，是最简单的波动。大多情况下近海岸的波动是非线性的，常见的非线性波分为斯托克斯波、椭圆余弦波和孤立波[3]。当水深很浅（h＜0.125L）时，斯托克斯波的高阶项可能变得很大，因而不能适用，这时就应作为浅水非线性波来研究[4]，故采用椭圆余弦波做为流速研究的基础。椭圆余弦波的水平流速波形如图7所示，其水平方向流速方程为：

图7 椭圆余弦波流速

在波浪向近海岸传播过程中，受到海底地形、地貌、水深变浅以及海岸建筑物的影响，波浪产生变形、折射、绕射、反射和破碎等现象，从而使波浪的特征参数发生变化，波面极其复杂，无法用数学描述，此时采用近海岸的沿岸流进行研究[5]。Longuet-Higgins提出改进后的沿岸流如图8所示，计算公式如下：

式中：V=v/vb，

式中：v为沿岸流流速；h为水深；x为到静水岸线的距离；fcw为波流共存时的摩擦系数；下角标“b”代表破碎点；tanβ=-dD/dx是海底坡度；γ为波高水深比，在均匀底坡上通常可取为0.8；α为波浪入射角；式中N和γ为无量纲系数。

图8 近海岸水流速曲线图

4 造流过程与实验结果

4.1 稳定流速模拟

在图2所示的实验室潮流模拟装置中欲产生0.75 m/s的水流速，需要给定变频器的频率为50 Hz。在图6所示的上位机界面，采集到的模拟流速如图9所示。对于稳定流速的模拟误差采用模拟流速的平均值v¯相对预设流速v的变化率来表示，经计算，图9的平均流速为0.78 m/s，因此稳定流速的模拟误差δ1为：

图9 恒流速模拟曲线

4.2 椭圆余弦波流速模拟

根据图7所示椭圆余弦波流速曲线进行流速模拟，将仿真步长增大到1 s，其预设变流速曲线如图10所示。采集到的流速曲线如图11所示，与预设流速波形较为吻合。误差采用模拟流速曲线和时间轴的面积S2与预设流速曲线和时间轴面积S1之差再与模拟流速曲线面积S1的商进行评估，由于预设流速发送与模拟流速采集的时间单位都是1 s，与其对应的流速值恰好为矩形，故其面积为流速所有数值之和。经计算椭圆余弦波预设流速曲线和其模拟流速曲线的所有值之和分别为4.91 m/s和5.18 m/s，因此椭圆余弦波流速模拟误差δ2为：

图10 椭圆余弦波预设流速曲线

图11 椭圆余弦波流速模拟曲线

4.3 沿岸流流速模拟

根据图8所示沿岸流流速曲线进行流速模拟，将流速随位置的变化转换为随时间的变化并将仿真步长增大到1 s，其预设流速曲线如图12所示。采集到的流速曲线如图13所示。经计算预设变流速曲线和模拟变流速曲线的所有值之和分别为7.54 m/s和7.99 m/s，因此沿岸流流速模拟误差δ3为：

图12 沿岸流预设流速曲线

图13 沿岸流变流速模拟曲线

5 结语

由于潮流能发电海上实验的困难性和竖轴式潮流发电机的不足，设计了实验室叶轮直驱式潮流发电模拟装置，具有结构紧凑、效率高、成本低的优势。基于LabVIEW上位机软件对模拟装置中的造流方法进行研究，设计了预设流速信号的发送以及模拟流速信号的采集。根据近海岸波浪理论，对稳定流速、椭圆余弦波流速以及沿岸流流速分别进行潮流模拟，模拟值虽比预设值较大但实验误差在10%以内，可以满足近海岸潮流发电的模拟要求，实现了实验室潮流发电的前期研究，为海上实验做充分的准备。

[1]王世明，杨志乾，田卡,等.双向直驱式潮流能发电轮机性能实验研究［J］.海洋工程，2017,35（3）:119-124.

[2]张晖，郑炜.Labview与Matlab混合编程的实现[J].系统软件与软件工程，2010，5:4322-4323.

[3]文圣常，余庙文.海浪理论与计算原理[M].北京：科学出版社,1985.

[4]吴宋仁.海岸动力学［M］.北京：人民交通出版社,2000.

[5]连怡贞.近岸波浪变形数值模拟及破波带沿岸流计算[D].天津：天津大学，2007.