風(fēng)電場仿真廣泛應(yīng)用于風(fēng)電場建設(shè)之初，隨著風(fēng)電后市場的發(fā)展，風(fēng)電場仿真也逐步擴展到了風(fēng)電場運維階段。本文介紹的風(fēng)電場高級仿真技術(shù)是考慮到風(fēng)電場仿真分析的特點和現(xiàn)狀，提供的計算流體動力學(xué)與高性能計算相結(jié)合的綜合解決方案。文章主要提及兩大計算相關(guān)軟件：ZCFD和EPIC。
ZCFD是計算流體動力學(xué)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(wǎng)站
https://zcfd.zenotech.com/
EPIC是高性能計算平臺調(diào)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(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
ZCFD+EPIC的優(yōu)勢
ZCFD的特色模型。
現(xiàn)有風(fēng)電場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
內(nèi)蒙古烏蘭察布市風(fēng)電場項目是國家電力投資集團有限公司將在內(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)電項目，此6千兆瓦級的大型風(fēng)力發(fā)電場總投資425.44億元，規(guī)劃面積3800多平方公里，將助力2022年冬季奧林匹克運動會。中標(biāo)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(fēng)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(fēng)機之間、風(fēng)機與風(fēng)機之間的復(fù)雜相互作用
風(fēng)機數(shù)量眾多的大型風(fēng)電機組
風(fēng)機運行優(yōu)化問題等
圖為懷特利風(fēng)電場
二、ZCFD+EPIC的優(yōu)勢
ZCFD + EPIC聯(lián)合優(yōu)勢主要體現(xiàn)在兩個方面：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(fēng)力發(fā)電機的位置和類型
上游風(fēng)機對下游風(fēng)機的尾流效應(yīng)影響
風(fēng)電場與大氣的阻塞效應(yīng)和相互作用
任何風(fēng)機的運行狀態(tài)（活動或非活動）
風(fēng)機位置或運行計劃的優(yōu)化
……
圖片為仿真得到的懷特利風(fēng)電場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：
每個風(fēng)機的功率和局部情況
每臺風(fēng)機和整個風(fēng)電場產(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，每臺風(fēng)機的湍流強度和風(fēng)速
上游風(fēng)機對未來開發(fā)區(qū)域的潛在影響
……
圖片為仿真得到的懷特利風(fēng)電場在229°風(fēng)向時的發(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)電機模型簡化、冠層對風(fēng)速影響的研究、基于Python的風(fēng)電場自動化處理等。
僅以下圖介紹一下ZCFD風(fēng)場仿真特色模型。
使用激盤模型來模擬風(fēng)機，將風(fēng)機歸納為激盤模型，結(jié)合槳葉剖面理論以及眾多用戶可自定義的參數(shù)，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(shù)或地形的樹冠模型；
計算結(jié)果輸出格式為通用格式，例如可被ParaView、Ensight讀??；
使用Jupyter筆記本來方便地進行參數(shù)設(shè)置、二次開發(fā)，從而進行批處理操作。
四、簡析現(xiàn)有風(fēng)電場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)電場仿真分析軟件存在仿真不準(zhǔn)確的問題，下面從基礎(chǔ)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(fēng)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(zhǔn)確度的問題。
空氣的流動使用計算流體動力學(xué)來求解時需要考慮到的參數(shù)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(xiàn)有的很多風(fēng)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(yīng)。左圖為壓力均勻的流場，在仿真計算中不考慮氣流經(jīng)過風(fēng)機時的繞流現(xiàn)象，右圖是考慮了壓力場求解的示意圖，空氣在遇到風(fēng)機時會繞過風(fēng)機，流向會發(fā)生偏轉(zhuǎn)。
左圖為大氣邊界層的渦長度示意，右圖為湍流風(fēng)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(fēng)機尾流效應(yīng)，這在大型風(fēng)場中帶來的仿真誤差是相當(dāng)大的。
上述由于模型簡化不能很好的捕捉大型風(fēng)機陣列中的尾流效應(yīng)，而且在越大的風(fēng)場中帶來的仿真誤差越大，如下三張圖所示。
后續(xù)文章會詳細介紹ZCFD軟件的特性，上述所列的阻塞效應(yīng)、尾流效應(yīng)等，在ZCFD分析中均可以詳細捕捉。后續(xù)文章還會列出風(fēng)電場仿真的一些公開案例，以及關(guān)于EPIC的詳細介紹。
