風電場仿真廣泛應用于風電場建設之初，隨著風電后市場的發展，風電場仿真也逐步擴展到了風電場運維階段。本文介紹的風電場高級仿真技術是考慮到風電場仿真分析的特點和現狀，提供的計算流體動力學與高性能計算相結合的綜合解決方案。文章主要提及兩大計算相關軟件：ZCFD和EPIC。
ZCFD是計算流體動力學仿真軟件，其特點主要是：
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站
https://zcfd.zenotech.com/
EPIC是高性能計算平臺調用及管理軟件，其特點主要是：
可升級、安全&簡單的高性能機群
Scalable, secure & simple HPC on demand
跟多種服務提供商連接
Connect with multiple providers
更多信息可以瀏覽網站
https://epic.zenotech.com/
鑒于篇幅所限，本文主要由四部分組成
目前風電仿真難點
ZCFD+EPIC的優勢
ZCFD的特色模型。
現有風電場仿真分析軟件仿真不準確的根本原因
關于ZCFD+EPIC的行業案例以及EPIC的介紹將在后續文章中繼續介紹，歡迎各位留言討論。
一、目前風電仿真難點
內蒙古烏蘭察布市風電場項目是國家電力投資集團有限公司將在內蒙古烏蘭察布建立的世界上最大的單一陸上風力發電項目，此6千兆瓦級的大型風力發電場總投資425.44億元，規劃面積3800多平方公里，將助力2022年冬季奧林匹克運動會。中標者的單機平均容量為4.2MW，最小為3.4MW，最大為5.17MW。
由此可知大型風電場仿真存在如下的諸多難點：
超大尺度模擬范圍（萬平方公里級）
詳細的地形地貌特征
大氣與風機之間、風機與風機之間的復雜相互作用
風機數量眾多的大型風電機組
風機運行優化問題等
圖為懷特利風電場
二、ZCFD+EPIC的優勢
ZCFD + EPIC聯合優勢主要體現在兩個方面：準確模擬和精確輸出。準確模擬方面能力范圍主要如下：
超大尺度地形模型（200km×200km）
地形特征包括樹木、草地、建筑物和水面等
大氣邊界層（ABL），包括湍流強度
大量風力發電機的位置和類型
上游風機對下游風機的尾流效應影響
風電場與大氣的阻塞效應和相互作用
任何風機的運行狀態（活動或非活動）
風機位置或運行計劃的優化
……
圖片為仿真得到的懷特利風電場局部的尾流相互作用與地形效應
精確輸出方面能力范圍主要如下：
每個風機的功率和局部情況
每臺風機和整個風電場產生的總功率
在規定范圍內的任何風向和風速下，每臺風機的湍流強度和風速
上游風機對未來開發區域的潛在影響
……
圖片為仿真得到的懷特利風電場在229°風向時的發電量
三、ZCFD的特色模型
下列四圖分別為考慮粗糙度的影響、風力發電機模型簡化、冠層對風速影響的研究、基于Python的風電場自動化處理等。
僅以下圖介紹一下ZCFD風場仿真特色模型。
使用激盤模型來模擬風機，將風機歸納為激盤模型，結合槳葉剖面理論以及眾多用戶可自定義的參數，可以使仿真過程變的簡單直接；
地形起伏使用粗糙度模型來替代；
樹木森林等使用具有葉面積密度函數或地形的樹冠模型；
計算結果輸出格式為通用格式，例如可被ParaView、Ensight讀取；
使用Jupyter筆記本來方便地進行參數設置、二次開發，從而進行批處理操作。
四、簡析現有風電場仿真分析軟件仿真不準確原因
為什么現有的很多風電場仿真分析軟件存在仿真不準確的問題，下面從基礎的CFD模型上來解釋。因為詳細的三維仿真分析需要的計算量大，因此很多風電場仿真分析軟件在CFD模型上就開展了較多的簡化，同時帶來了仿真準確度的問題。
空氣的流動使用計算流體動力學來求解時需要考慮到的參數如下：密度、動量、能量、壓力、湍動能、湍流耗散率，這些方程組形成了求解流體流動的方程組。
但是現有的很多風電場仿真分析軟件進行了一些簡化來提升求解效率，同時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替代。這些簡化僅僅在壓力均勻，且湍流只存在大氣湍流的情況下是適用的。
上述簡化帶來的問題之一就是不能考慮阻塞效應。左圖為壓力均勻的流場，在仿真計算中不考慮氣流經過風機時的繞流現象，右圖是考慮了壓力場求解的示意圖，空氣在遇到風機時會繞過風機，流向會發生偏轉。
左圖為大氣邊界層的渦長度示意，右圖為湍流風機尾流的渦長度示意，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機尾流效應，這在大型風場中帶來的仿真誤差是相當大的。
上述由于模型簡化不能很好的捕捉大型風機陣列中的尾流效應，而且在越大的風場中帶來的仿真誤差越大，如下三張圖所示。
后續文章會詳細介紹ZCFD軟件的特性，上述所列的阻塞效應、尾流效應等，在ZCFD分析中均可以詳細捕捉。后續文章還會列出風電場仿真的一些公開案例，以及關于EPIC的詳細介紹。
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