摘要：針對當前風(fēng)電場(chǎng)有功出力的研究多側重于理論方面, 缺少具體軟件平臺的實(shí)現, 開(kāi)發(fā)了基于VC++與SQL Server數據庫的風(fēng)電場(chǎng)有功出力仿真軟件平臺。首先, 利用VC++豐富的函數庫對風(fēng)電場(chǎng)的有功出力進(jìn)行軟件實(shí)現, 基于VC++中MFC (微軟基礎類(lèi)庫) 強大的數據處理與數據可視化功能, 對風(fēng)電場(chǎng)有功出力的數據進(jìn)行圖形化顯示;其次, 利用SQL Server數據庫的數據存儲與管理功能, 實(shí)現了該軟件的信息瀏覽、查詢(xún)以及遠程數據調用的功能, 并基于此軟件平臺提出了一種軟件系統構架方法;最后, 利用新疆某地風(fēng)場(chǎng)的實(shí)測風(fēng)速數據進(jìn)行了仿真驗證, 結果表明了此風(fēng)電場(chǎng)有功出力仿真軟件可以將風(fēng)電場(chǎng)各個(gè)時(shí)刻的有功出力形象且具體地以曲線(xiàn)的形式表現出來(lái), 并證明了該軟件平臺具有較好的工程應用性, 對風(fēng)電系統的完善和研究具有重要意義。

　　關(guān)鍵詞：VC++; SQL Server數據庫; 微軟基礎類(lèi)庫 (MFC) ; 風(fēng)電場(chǎng)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

　　鑒于能源需求以及環(huán)境壓力, 發(fā)展風(fēng)能等可再生能源已成為必然[1-3]。受環(huán)境和氣候的影響, 風(fēng)電出力具有明顯的隨機性、波動(dòng)性和間歇性等特點(diǎn), 這些特點(diǎn)會(huì )對電網(wǎng)產(chǎn)生很大的影響[4-5]。因此, 亟需對風(fēng)電出力評估進(jìn)行進(jìn)一步研究, 并加以軟件實(shí)現。

　　國內外對風(fēng)電場(chǎng)出力評估做了大量的研究, 并取得了一定的成果, 但是, 具體到“風(fēng)電場(chǎng)有功出力”并加以遠程調用的軟件實(shí)現較少。文獻[6]以風(fēng)電場(chǎng)的實(shí)測數據為基礎, 對風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速的分布情況進(jìn)行了威布爾函數擬合, 基于風(fēng)電機的功率特性曲線(xiàn), 得到了風(fēng)電場(chǎng)有功出力的概率分布情況。文獻[7]基于籠型異步發(fā)電機的單機數學(xué)模型, 搭建了基于遺傳算法的風(fēng)電場(chǎng)的等值模型, 并對風(fēng)電場(chǎng)中籠型異步發(fā)電機參數完全相同和不同兩種情況進(jìn)行了仿真驗證與分析。文獻[8]基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的預測功能和風(fēng)電場(chǎng)出力預測的經(jīng)濟調度要求, 建立了風(fēng)電場(chǎng)短期出力預測模型。文獻[9]基于蒙特卡羅法, 判斷出風(fēng)電機的運行狀態(tài), 并建立了風(fēng)電機組的可靠性模型。文獻[10]考慮風(fēng)電機組的故障與降額狀態(tài)、風(fēng)速的隨機性和風(fēng)電場(chǎng)尾流效應, 建立了風(fēng)電場(chǎng)的可靠性模型。文獻[11]考慮到風(fēng)電機組之間尾流效應的相互影響, 提出了“尾流影響因子”的概念, 建立了風(fēng)電場(chǎng)多機等值模型。文獻[12]基于對風(fēng)電場(chǎng)長(cháng)期運行數據進(jìn)行的分析研究, 提出了能表征整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能狀況的“等效風(fēng)速概念”, 并建立了基于等效風(fēng)速的風(fēng)電場(chǎng)等值模型。然而, 以上大部分研究都針對風(fēng)機或風(fēng)電場(chǎng)的有功出力模型, 很少涉及基于數據庫的具體軟件平臺的開(kāi)發(fā), 仍需要進(jìn)一步研究。

　　針對以上情況, 利用VC++函數庫豐富、人機界面友好等優(yōu)點(diǎn)[13]以及SQL Server數據庫數據的存儲功能[14], 基于筆者關(guān)于風(fēng)電場(chǎng)有功出力的相關(guān)研究成果, 對“風(fēng)電場(chǎng)有功出力”進(jìn)行軟件實(shí)現, 并提出了一種基于此軟件平臺的軟件系統構架方法。以新疆某地區并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)的實(shí)測數據為例, 對基于VC++與SQL Server數據庫的風(fēng)電場(chǎng)有功出力仿真軟件進(jìn)行仿真驗證, 結果證明該軟件具有人機界面友好、工程應用性強等優(yōu)點(diǎn)。

　　2、風(fēng)電場(chǎng)模型

　　2.1、發(fā)電機有功出力模型

　　經(jīng)過(guò)研究[10], 風(fēng)電機的有功出力與風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速的三次方成正比, 其輸出功率與風(fēng)速的關(guān)系為:

　　其中, Pw (vx) 為風(fēng)速vx下風(fēng)機發(fā)出的有功功率, vci為切入風(fēng)速, vco為切出風(fēng)速, vr為額定風(fēng)速, Pwr為額定風(fēng)速下風(fēng)機發(fā)的有功功率, v為該風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)速值。

　　2.2、基于JENSEN尾流效應的風(fēng)速模型

　　在風(fēng)電場(chǎng)中, 由于尾流效應的影響[15], 位于上風(fēng)向的風(fēng)電機的風(fēng)速要大于下風(fēng)向的風(fēng)電機風(fēng)速。這里用Jensen模型來(lái)模擬尾流效應, 如圖1所示。

圖1 Jensen尾流效應模型

　　圖1中, R為風(fēng)機葉輪半徑, RW為尾流半徑, V0為平均風(fēng)速, VT為通過(guò)葉片的風(fēng)速, Vx為受尾流影響的風(fēng)速, X表示兩個(gè)風(fēng)機之間的距離。

　　根據圖1, 可以計算出受尾流影響的風(fēng)速為:

　　其中, k和CT分別為尾流下降系數和風(fēng)機推力系數, CT的取值一般為0.2, k的取值一般為0.075。

　　2.3、風(fēng)電場(chǎng)有功出力模型

　　根據式 (1) , 可得第n臺風(fēng)電機的出力為:

　　風(fēng)電場(chǎng)出力為所有風(fēng)機出力的總和, 可表示為:

　　其中, m表示風(fēng)機的總數。

　　3、風(fēng)電場(chǎng)有功出力計算軟件

　　3.1、數據導入模塊

　　利用此軟件進(jìn)行風(fēng)電場(chǎng)有功出力計算時(shí), 首先要將風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速數據進(jìn)行導入, 然后進(jìn)行有功出力仿真及計算。VC++的平臺中數據以TXT的方式導入, 簡(jiǎn)便易行且非常靈活。具體實(shí)現軟件數據導入的主程序如下所示:

　　3.2、數據預處理模塊

　　風(fēng)速數據的準確性受到風(fēng)速本身變化和觀(guān)測儀器、觀(guān)測方法以及觀(guān)測人員諸因素變化的影響, 數據檢測后可能有可疑的數據和漏測的數據, 它們將會(huì )對數據的進(jìn)一步分析處理產(chǎn)生影響, 因此對數據進(jìn)行預處理顯得尤為重要。本文將采用拉格朗日插值法對數據進(jìn)行預處理, 則第xk個(gè)時(shí)間點(diǎn)所對應的風(fēng)速數據L為:

　　其中, xk-1為第k-1個(gè)時(shí)間點(diǎn), yk-1為第k-1個(gè)時(shí)間點(diǎn)所對應的風(fēng)速數據, xk+1為第k+1個(gè)時(shí)間點(diǎn), yk+1為第k+1個(gè)時(shí)間點(diǎn)所對應的風(fēng)速數據。

　　3.3、風(fēng)電場(chǎng)有功出力計算模塊

　　風(fēng)電場(chǎng)出力計算模塊通過(guò)求解風(fēng)電場(chǎng)不同風(fēng)速下風(fēng)力發(fā)電機的功率, 進(jìn)而計算出整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的有功出力, 并設置了結果輸出功能。在此模塊中, 首先, 對風(fēng)力發(fā)電機的切入風(fēng)速等參數進(jìn)行初始化設定;其次, 導入風(fēng)速數據, 并對導入的風(fēng)速數據進(jìn)行處理, 得出風(fēng)電場(chǎng)各個(gè)風(fēng)力發(fā)電機的有功出力;最后, 對各個(gè)風(fēng)力發(fā)電機的有功出力進(jìn)行疊加, 從而計算出整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的有功出力。風(fēng)電場(chǎng)出力計算流程圖如圖2所示, 風(fēng)電場(chǎng)出力計算的模塊界面如圖3所示。

圖2 風(fēng)電場(chǎng)出力計算流程圖

圖3 風(fēng)電場(chǎng)出力計算模塊界面

　　本軟件實(shí)現風(fēng)電場(chǎng)有功出力計算的主程序如下:

　　3.4、基于數據庫的數據管理模塊

　　SQL Server數據庫的主要功能是如何存取并管理大量數據。本軟件對風(fēng)電場(chǎng)的有功出力實(shí)現了數據存儲, 并實(shí)現了對風(fēng)電場(chǎng)有功出力數據的管理, 成功地實(shí)現了數據的遠程操作以及歷史數據的瀏覽和查詢(xún), 大大降低了風(fēng)電系統的負擔, 這就很大程度地提高了風(fēng)電系統的穩定性。本軟件具體實(shí)現數據庫的數據管理的主程序如下:

　　3.5、基于數據庫的軟件系統框架

　　基于本數據庫軟件平臺, 本文提出了一種基于此軟件平臺的系統構架, 如圖4所示。該系統框架揭示了軟件系統數據庫服務(wù)器、軟件系統客戶(hù)端、以太網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)的相互關(guān)系。

圖4 基于數據庫的軟件系統框架結構

　　本系統通過(guò)以太網(wǎng)實(shí)現數據庫服務(wù)器與客戶(hù)端的數據交互, 通過(guò)一臺熱備服務(wù)器對數據庫服務(wù)器進(jìn)行熱備, 可以隨時(shí)與數據庫服務(wù)器進(jìn)行切換, 防止因軟件平臺的數據庫服務(wù)器出現故障而造成嚴重的損失。本系統增設一臺服務(wù)器專(zhuān)門(mén)進(jìn)行數據備份, 防止系統出現故障而造成數據的缺失。客戶(hù)端的數據可以通過(guò)用戶(hù)數據存儲服務(wù)器進(jìn)行存儲, 并通過(guò)數據冷備服務(wù)器對其進(jìn)行冷備, 防止用戶(hù)數據存儲服務(wù)器出現故障而造成損失。為了防止外來(lái)人員通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)的侵入, 在路由器與交換機之間建立一道防火墻。通過(guò)這一系列的防范措施, 可以有效提高整個(gè)系統的穩定性以及安全性。

　　4、風(fēng)電場(chǎng)有功出力計算軟件實(shí)例仿真

　　本文以某并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)實(shí)測數據為例, 將所建的風(fēng)電場(chǎng)有功出力計算模型與所搭建的軟件平臺相結合, 進(jìn)行仿真計算及驗證。具體實(shí)測場(chǎng)景和相關(guān)參數設置如下:

　　本算例采用的風(fēng)電場(chǎng)裝機容量為200MW, 風(fēng)電場(chǎng)安裝單機容量為2000kW、葉輪直徑為104m、切入風(fēng)速為3m/s、切出風(fēng)速為25m/s、額定風(fēng)速為10.8m/s的WTG104-2000型號風(fēng)電機100臺, 風(fēng)機的排布選用3D×9D的梅花型排布方式。以上各個(gè)參數為本軟件的初始化數據, 并加載時(shí)間跨度為24h、采樣時(shí)間尺度為10min的兩天風(fēng)速數據, 分別以數字1和2表示。經(jīng)過(guò)軟件仿真計算, 將風(fēng)速-時(shí)間關(guān)系、單個(gè)風(fēng)機的風(fēng)-功率關(guān)系和日風(fēng)電有功出力-時(shí)間關(guān)系以二維曲線(xiàn)的方式輸出, 輸出結果分別如圖5-圖10所示。

圖5 風(fēng)速-時(shí)間曲線(xiàn)1

圖6 風(fēng)速-時(shí)間曲線(xiàn)2

圖7 單個(gè)風(fēng)機的風(fēng)-功率曲線(xiàn)1

圖8 單個(gè)風(fēng)機的風(fēng)-功率曲線(xiàn)2

圖9 日風(fēng)電有功出力曲線(xiàn)1

圖10 日風(fēng)電有功出力曲線(xiàn)2

　　結束語(yǔ)針對以上情況, 利用VC++函數庫豐富、人機界面友好等優(yōu)點(diǎn)以及SQL Server數據庫的數據存儲功能, 對“風(fēng)電場(chǎng)有功出力”加以軟件實(shí)現。基于VC++中MFC易于實(shí)現可視化界面以及人機界面友好的特性, 實(shí)現了風(fēng)速-時(shí)間曲線(xiàn)、單個(gè)風(fēng)機的風(fēng)-功率曲線(xiàn)與日風(fēng)電有功出力曲線(xiàn)的可視化。基于SQL Server數據庫的數據存儲功能, 對風(fēng)電場(chǎng)的有功出力實(shí)現了數據存儲, 并實(shí)現了對風(fēng)電場(chǎng)有功出力數據的管理, 成功地實(shí)現了數據的遠程操作和歷史數據的瀏覽及查詢(xún)。同時(shí), 基于此軟件平臺, 提出了一種系統構架方法。因此, 本文工作對于完善和豐富“風(fēng)電場(chǎng)有功出力仿真軟件”的知識理論體系以及對未來(lái)風(fēng)電系統的研究具有一定的積極意義。

　　參考文獻
　　[1]袁鐵江, 陳潔, 劉沛漢, 等.儲能系統改善大規模風(fēng)電場(chǎng)出力波動(dòng)的策略[J].電力系統保護與控制, 2014, 42 (4) :47-53.
　　[2]王海超, 魯宗相, 周雙喜.風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電容量可信度研究[J].中國電機工程學(xué)報, 2005, 25 (10) :103-106.
　　[3]孫建峰.風(fēng)電場(chǎng)建模和仿真研究[D].北京:清華大學(xué), 2004.
　　[4]姜文, 嚴正, 楊建林.計及風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)輸電可靠性評估[J].電力系統保護與控制, 2010, 38 (22) :126-130.
　　[5]徐麗華, 楊青斌.基于VC++的風(fēng)儲一體化電站中儲能容量?jì)?yōu)化配比[J].電力電容器與無(wú)功補償, 2015, 36 (4) :80-86.
　　[6]黃海煜, 于文娟.考慮風(fēng)電出力概率分布的電力系統可靠性評估[J].電網(wǎng)技術(shù), 2013, 37 (9) :2585-2591.
　　[7]李輝, 王荷生, 史旭陽(yáng), 等.基于遺傳算法的風(fēng)電場(chǎng)等值模型的研究[J].電力系統保護與控制, 2011, 39 (11) :1-8.
　　[8]袁鐵江, 晁勤, 李義巖, 等.大規模風(fēng)電并網(wǎng)電力系統經(jīng)濟調度中風(fēng)電場(chǎng)出力的短期預測模型[J].中國電機工程學(xué)報, 2010, 30 (13) :23-27.
　　[9]蔣程, 劉先正.風(fēng)電機組出力的概率性評估[J].現代電力, 2013, 30 (1) :51-54.
　　[10]張建華, 王昕偉, 蔣程, 等.基于蒙特卡羅方法的風(fēng)電場(chǎng)有功出力的概率性評估[J].電力系統保護與控制, 2014, 42 (3) :82-87.
　　[11]徐玉琴, 張林浩, 王娜.計及尾流效應的雙饋機組風(fēng)電場(chǎng)等值建模研究[J].電力系統保護與控制, 2014, 42 (1) :70-76.
　　[12]嚴干貴, 李鴻博, 穆鋼, 等.基于等效風(fēng)速的風(fēng)電場(chǎng)等值建模[J].東北電力大學(xué)學(xué)報, 2011, 31 (3) :13-19.
　　[13]夏欣.VC與MATLAB混合編程實(shí)現方法及具體實(shí)例研究[J].青島理工大學(xué)學(xué)報, 2011, 33 (3) :83-88.
　　[14]閆旭.淺談SQL Server數據庫的特點(diǎn)和基本功能[J].價(jià)值工程, 2012 (22) :229-231.
　　[15]JENSEN N O.A note on wind generator interaction:Ris�i-M-2411[R].Ris�iNational Laboratory, 1983.