風(fēng)電場(chǎng)仿真廣泛應(yīng)用于風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)之初，隨著風(fēng)電后市場(chǎng)的發(fā)展，風(fēng)電場(chǎng)仿真也逐步擴(kuò)展到了風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)維階段。本文介紹的風(fēng)電場(chǎng)高級(jí)仿真技術(shù)是考慮到風(fēng)電場(chǎng)仿真分析的特點(diǎn)和現(xiàn)狀，提供的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)與高性能計(jì)算相結(jié)合的綜合解決方案。文章主要提及兩大計(jì)算相關(guān)軟件：ZCFD和EPIC。
ZCFD是計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)仿真軟件，其特點(diǎn)主要是：
高精確度&高性能
High accuracy and performance
中央處理器和圖片處理器操作
CPU and GPU operation
更多信息可以瀏覽網(wǎng)站
https://zcfd.zenotech.com/
EPIC是高性能計(jì)算平臺(tái)調(diào)用及管理軟件，其特點(diǎn)主要是：
可升級(jí)、安全&簡(jiǎn)單的高性能機(jī)群
Scalable, secure & simple HPC on demand
跟多種服務(wù)提供商連接
Connect with multiple providers
更多信息可以瀏覽網(wǎng)站
https://epic.zenotech.com/
鑒于篇幅所限，本文主要由四部分組成
目前風(fēng)電仿真難點(diǎn)
ZCFD+EPIC的優(yōu)勢(shì)
ZCFD的特色模型。
現(xiàn)有風(fēng)電場(chǎng)仿真分析軟件仿真不準(zhǔn)確的根本原因
關(guān)于ZCFD+EPIC的行業(yè)案例以及EPIC的介紹將在后續(xù)文章中繼續(xù)介紹，歡迎各位留言討論。
一、目前風(fēng)電仿真難點(diǎn)
內(nèi)蒙古烏蘭察布市風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目是國(guó)家電力投資集團(tuán)有限公司將在內(nèi)蒙古烏蘭察布建立的世界上最大的單一陸上風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目，此6千兆瓦級(jí)的大型風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)總投資425.44億元，規(guī)劃面積3800多平方公里，將助力2022年冬季奧林匹克運(yùn)動(dòng)會(huì)。中標(biāo)者的單機(jī)平均容量為4.2MW，最小為3.4MW，最大為5.17MW。
由此可知大型風(fēng)電場(chǎng)仿真存在如下的諸多難點(diǎn)：
超大尺度模擬范圍（萬(wàn)平方公里級(jí)）
詳細(xì)的地形地貌特征
大氣與風(fēng)機(jī)之間、風(fēng)機(jī)與風(fēng)機(jī)之間的復(fù)雜相互作用
風(fēng)機(jī)數(shù)量眾多的大型風(fēng)電機(jī)組
風(fēng)機(jī)運(yùn)行優(yōu)化問(wèn)題等
圖為懷特利風(fēng)電場(chǎng)
二、ZCFD+EPIC的優(yōu)勢(shì)
ZCFD + EPIC聯(lián)合優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：準(zhǔn)確模擬和精確輸出。準(zhǔn)確模擬方面能力范圍主要如下：
超大尺度地形模型（200km×200km）
地形特征包括樹(shù)木、草地、建筑物和水面等
大氣邊界層（ABL），包括湍流強(qiáng)度
大量風(fēng)力發(fā)電機(jī)的位置和類(lèi)型
上游風(fēng)機(jī)對(duì)下游風(fēng)機(jī)的尾流效應(yīng)影響
風(fēng)電場(chǎng)與大氣的阻塞效應(yīng)和相互作用
任何風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)（活動(dòng)或非活動(dòng)）
風(fēng)機(jī)位置或運(yùn)行計(jì)劃的優(yōu)化
……
圖片為仿真得到的懷特利風(fēng)電場(chǎng)局部的尾流相互作用與地形效應(yīng)
精確輸出方面能力范圍主要如下：
每個(gè)風(fēng)機(jī)的功率和局部情況
每臺(tái)風(fēng)機(jī)和整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)產(chǎn)生的總功率
在規(guī)定范圍內(nèi)的任何風(fēng)向和風(fēng)速下，每臺(tái)風(fēng)機(jī)的湍流強(qiáng)度和風(fēng)速
上游風(fēng)機(jī)對(duì)未來(lái)開(kāi)發(fā)區(qū)域的潛在影響
……
圖片為仿真得到的懷特利風(fēng)電場(chǎng)在229°風(fēng)向時(shí)的發(fā)電量
三、ZCFD的特色模型
下列四圖分別為考慮粗糙度的影響、風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型簡(jiǎn)化、冠層對(duì)風(fēng)速影響的研究、基于Python的風(fēng)電場(chǎng)自動(dòng)化處理等。
僅以下圖介紹一下ZCFD風(fēng)場(chǎng)仿真特色模型。
使用激盤(pán)模型來(lái)模擬風(fēng)機(jī)，將風(fēng)機(jī)歸納為激盤(pán)模型，結(jié)合槳葉剖面理論以及眾多用戶(hù)可自定義的參數(shù)，可以使仿真過(guò)程變的簡(jiǎn)單直接；
地形起伏使用粗糙度模型來(lái)替代；
樹(shù)木森林等使用具有葉面積密度函數(shù)或地形的樹(shù)冠模型；
計(jì)算結(jié)果輸出格式為通用格式，例如可被ParaView、Ensight讀取；
使用Jupyter筆記本來(lái)方便地進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、二次開(kāi)發(fā)，從而進(jìn)行批處理操作。
四、簡(jiǎn)析現(xiàn)有風(fēng)電場(chǎng)仿真分析軟件仿真不準(zhǔn)確原因
為什么現(xiàn)有的很多風(fēng)電場(chǎng)仿真分析軟件存在仿真不準(zhǔn)確的問(wèn)題，下面從基礎(chǔ)的CFD模型上來(lái)解釋。因?yàn)樵敿?xì)的三維仿真分析需要的計(jì)算量大，因此很多風(fēng)電場(chǎng)仿真分析軟件在CFD模型上就開(kāi)展了較多的簡(jiǎn)化，同時(shí)帶來(lái)了仿真準(zhǔn)確度的問(wèn)題。
空氣的流動(dòng)使用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)來(lái)求解時(shí)需要考慮到的參數(shù)如下：密度、動(dòng)量、能量、壓力、湍動(dòng)能、湍流耗散率，這些方程組形成了求解流體流動(dòng)的方程組。
但是現(xiàn)有的很多風(fēng)電場(chǎng)仿真分析軟件進(jìn)行了一些簡(jiǎn)化來(lái)提升求解效率，同時(shí)犧牲了一些仿真精度。如下圖所示，不考慮空氣的可壓縮性、忽略壓力場(chǎng)的求解、封閉流體方程組的兩方程湍流模型使用了單方程的渦粘模型來(lái)替代。這些簡(jiǎn)化僅僅在壓力均勻，且湍流只存在大氣湍流的情況下是適用的。
上述簡(jiǎn)化帶來(lái)的問(wèn)題之一就是不能考慮阻塞效應(yīng)。左圖為壓力均勻的流場(chǎng)，在仿真計(jì)算中不考慮氣流經(jīng)過(guò)風(fēng)機(jī)時(shí)的繞流現(xiàn)象，右圖是考慮了壓力場(chǎng)求解的示意圖，空氣在遇到風(fēng)機(jī)時(shí)會(huì)繞過(guò)風(fēng)機(jī)，流向會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)。
左圖為大氣邊界層的渦長(zhǎng)度示意，右圖為湍流風(fēng)機(jī)尾流的渦長(zhǎng)度示意，上面講述的渦粘模型不能夠在大氣邊界層里很好的捕捉湍流風(fēng)機(jī)尾流效應(yīng)，這在大型風(fēng)場(chǎng)中帶來(lái)的仿真誤差是相當(dāng)大的。
上述由于模型簡(jiǎn)化不能很好的捕捉大型風(fēng)機(jī)陣列中的尾流效應(yīng)，而且在越大的風(fēng)場(chǎng)中帶來(lái)的仿真誤差越大，如下三張圖所示。
后續(xù)文章會(huì)詳細(xì)介紹ZCFD軟件的特性，上述所列的阻塞效應(yīng)、尾流效應(yīng)等，在ZCFD分析中均可以詳細(xì)捕捉。后續(xù)文章還會(huì)列出風(fēng)電場(chǎng)仿真的一些公開(kāi)案例，以及關(guān)于EPIC的詳細(xì)介紹。
