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摘要：针对当前风电场有功出力的研究多侧重于理论方面, 缺少具体软件平台的实现, 开发了基于VC++与SQL Server数据库的风电场有功出力仿真软件平台。首先, 利用VC++丰富的函数库对风电场的有功出力进行软件实现, 基于VC++中MFC (微软基础类库) 强大的数据处理与数据可视化功能, 对风电场有功出力的数据进行图形化显示;其次, 利用SQL Server数据库的数据存储与管理功能, 实现了该软件的信息浏览、查询以及远程数据调用的功能, 并基于此软件平台提出了一种软件系统构架方法;最后, 利用新疆某地风场的实测风速数据进行了仿真验证, 结果表明了此风电场有功出力仿真软件可以将风电场各个时刻的有功出力形象且具体地以曲线的形式表现出来, 并证明了该软件平台具有较好的工程应用性, 对风电系统的完善和研究具有重要意义。
关键词：VC++; SQL Server数据库; 微软基础类库 (MFC) ; 风电场有功出力;
Abstract：In view of that the research of the current active power output of wind farm focuses on the theoretical research and are lack of realization of the software platform, in this paper, the simulation software platform of active power output of wind farm based on VC++and SQL Server database was developed.Firstly, the active power output of wind farm was realized by using the VC++rich function library, and the data of active power output of wind farm was displayed graphically based on the powerful data processing and data visualization function of MFC in VC++.Secondly, the data storage and management function of SQL Server database was used to realize the function of information browsing, query and remote data call.Based on this software platform, a software system architecture method was proposed.Finally, the data of wind farm in Xinjiang was simulated and verified by the measured wind speed data, and the results show that the simulation software of the active power output of wind farm can show the active power of wind farm in the form of a curve graph, and this proves that the software platform has a good engineering application, and it has important signifi-cance for the improvement of wind power system.
Keyword：VC++; SQL server database; Microsoft foundation classes (MFC) ; Active power output of wind farm;
1、引言
鉴于能源需求以及环境压力, 发展风能等可再生能源已成为必然[1-3]。受环境和气候的影响, 风电出力具有明显的随机性、波动性和间歇性等特点, 这些特点会对电网产生很大的影响[4-5]。因此, 亟需对风电出力评估进行进一步研究, 并加以软件实现。
国内外对风电场出力评估做了大量的研究, 并取得了一定的成果, 但是, 具体到“风电场有功出力”并加以远程调用的软件实现较少。文献[6]以风电场的实测数据为基础, 对风电场风速的分布情况进行了威布尔函数拟合, 基于风电机的功率特性曲线, 得到了风电场有功出力的概率分布情况。文献[7]基于笼型异步发电机的单机数学模型, 搭建了基于遗传算法的风电场的等值模型, 并对风电场中笼型异步发电机参数完全相同和不同两种情况进行了仿真验证与分析。文献[8]基于神经网络的预测功能和风电场出力预测的经济调度要求, 建立了风电场短期出力预测模型。文献[9]基于蒙特卡罗法, 判断出风电机的运行状态, 并建立了风电机组的可靠性模型。文献[10]考虑风电机组的故障与降额状态、风速的随机性和风电场尾流效应, 建立了风电场的可靠性模型。文献[11]考虑到风电机组之间尾流效应的相互影响, 提出了“尾流影响因子”的概念, 建立了风电场多机等值模型。文献[12]基于对风电场长期运行数据进行的分析研究, 提出了能表征整个风电场风能状况的“等效风速概念”, 并建立了基于等效风速的风电场等值模型。然而, 以上大部分研究都针对风机或风电场的有功出力模型, 很少涉及基于数据库的具体软件平台的开发, 仍需要进一步研究。
针对以上情况, 利用VC++函数库丰富、人机界面友好等优点[13]以及SQL Server数据库数据的存储功能[14], 基于笔者关于风电场有功出力的相关研究成果, 对“风电场有功出力”进行软件实现, 并提出了一种基于此软件平台的软件系统构架方法。以新疆某地区并网风电场的实测数据为例, 对基于VC++与SQL Server数据库的风电场有功出力仿真软件进行仿真验证, 结果证明该软件具有人机界面友好、工程应用性强等优点。
2、风电场模型
2.1、发电机有功出力模型
经过研究[10], 风电机的有功出力与风电场风速的三次方成正比, 其输出功率与风速的关系为:
其中, Pw (vx) 为风速vx下风机发出的有功功率, vci为切入风速, vco为切出风速, vr为额定风速, Pwr为额定风速下风机发的有功功率, v为该风场的风速值。
2.2、基于JENSEN尾流效应的风速模型
在风电场中, 由于尾流效应的影响[15], 位于上风向的风电机的风速要大于下风向的风电机风速。这里用Jensen模型来模拟尾流效应, 如图1所示。
图1 Jensen尾流效应模型
图1中, R为风机叶轮半径, RW为尾流半径, V0为平均风速, VT为通过叶片的风速, Vx为受尾流影响的风速, X表示两个风机之间的距离。
根据图1, 可以计算出受尾流影响的风速为:
其中, k和CT分别为尾流下降系数和风机推力系数, CT的取值一般为0.2, k的取值一般为0.075。
2.3、风电场有功出力模型
根据式 (1) , 可得第n台风电机的出力为:
风电场出力为所有风机出力的总和, 可表示为:
其中, m表示风机的总数。
3、风电场有功出力计算软件
3.1、数据导入模块
利用此软件进行风电场有功出力计算时, 首先要将风电场风速数据进行导入, 然后进行有功出力仿真及计算。VC++的平台中数据以TXT的方式导入, 简便易行且非常灵活。具体实现软件数据导入的主程序如下所示:
3.2、数据预处理模块
风速数据的准确性受到风速本身变化和观测仪器、观测方法以及观测人员诸因素变化的影响, 数据检测后可能有可疑的数据和漏测的数据, 它们将会对数据的进一步分析处理产生影响, 因此对数据进行预处理显得尤为重要。本文将采用拉格朗日插值法对数据进行预处理, 则第xk个时间点所对应的风速数据L为:
其中, xk-1为第k-1个时间点, yk-1为第k-1个时间点所对应的风速数据, xk+1为第k+1个时间点, yk+1为第k+1个时间点所对应的风速数据。
3.3、风电场有功出力计算模块
风电场出力计算模块通过求解风电场不同风速下风力发电机的功率, 进而计算出整个风电场的有功出力, 并设置了结果输出功能。在此模块中, 首先, 对风力发电机的切入风速等参数进行初始化设定;其次, 导入风速数据, 并对导入的风速数据进行处理, 得出风电场各个风力发电机的有功出力;最后, 对各个风力发电机的有功出力进行叠加, 从而计算出整个风电场的有功出力。风电场出力计算流程图如图2所示, 风电场出力计算的模块界面如图3所示。
图2 风电场出力计算流程图
图3 风电场出力计算模块界面
本软件实现风电场有功出力计算的主程序如下:
3.4、基于数据库的数据管理模块
SQL Server数据库的主要功能是如何存取并管理大量数据。本软件对风电场的有功出力实现了数据存储, 并实现了对风电场有功出力数据的管理, 成功地实现了数据的远程操作以及历史数据的浏览和查询, 大大降低了风电系统的负担, 这就很大程度地提高了风电系统的稳定性。本软件具体实现数据库的数据管理的主程序如下:
3.5、基于数据库的软件系统框架
基于本数据库软件平台, 本文提出了一种基于此软件平台的系统构架, 如图4所示。该系统框架揭示了软件系统数据库服务器、软件系统客户端、以太网、互联网的相互关系。
图4 基于数据库的软件系统框架结构
本系统通过以太网实现数据库服务器与客户端的数据交互, 通过一台热备服务器对数据库服务器进行热备, 可以随时与数据库服务器进行切换, 防止因软件平台的数据库服务器出现故障而造成严重的损失。本系统增设一台服务器专门进行数据备份, 防止系统出现故障而造成数据的缺失。客户端的数据可以通过用户数据存储服务器进行存储, 并通过数据冷备服务器对其进行冷备, 防止用户数据存储服务器出现故障而造成损失。为了防止外来人员通过互联网的侵入, 在路由器与交换机之间建立一道防火墙。通过这一系列的防范措施, 可以有效提高整个系统的稳定性以及安全性。
4、风电场有功出力计算软件实例仿真
本文以某并网风电场实测数据为例, 将所建的风电场有功出力计算模型与所搭建的软件平台相结合, 进行仿真计算及验证。具体实测场景和相关参数设置如下:
本算例采用的风电场装机容量为200MW, 风电场安装单机容量为2000kW、叶轮直径为104m、切入风速为3m/s、切出风速为25m/s、额定风速为10.8m/s的WTG104-2000型号风电机100台, 风机的排布选用3D×9D的梅花型排布方式。以上各个参数为本软件的初始化数据, 并加载时间跨度为24h、采样时间尺度为10min的两天风速数据, 分别以数字1和2表示。经过软件仿真计算, 将风速-时间关系、单个风机的风-功率关系和日风电有功出力-时间关系以二维曲线的方式输出, 输出结果分别如图5-图10所示。
图5 风速-时间曲线1
图6 风速-时间曲线2
图7 单个风机的风-功率曲线1
图8 单个风机的风-功率曲线2
图9 日风电有功出力曲线1
图10 日风电有功出力曲线2
结束语针对以上情况, 利用VC++函数库丰富、人机界面友好等优点以及SQL Server数据库的数据存储功能, 对“风电场有功出力”加以软件实现。基于VC++中MFC易于实现可视化界面以及人机界面友好的特性, 实现了风速-时间曲线、单个风机的风-功率曲线与日风电有功出力曲线的可视化。基于SQL Server数据库的数据存储功能, 对风电场的有功出力实现了数据存储, 并实现了对风电场有功出力数据的管理, 成功地实现了数据的远程操作和历史数据的浏览及查询。同时, 基于此软件平台, 提出了一种系统构架方法。因此, 本文工作对于完善和丰富“风电场有功出力仿真软件”的知识理论体系以及对未来风电系统的研究具有一定的积极意义。
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