世界领先的大型风电场仿真解决方案
2020-02-11 15:54 来源：赛普克CAE有限元 点击：1944
风电场仿真广泛应用于风电场建设之初，随着风电后市场的发展，风电场仿真也逐步扩展到了风电场运维阶段。本文介绍的风电场高级仿真技术是考虑到风电场仿真分析的特点和现状，提供的计算流体动力学与高性能计算相结合的综合解决方案。文章主要提及两大计算相关软件：ZCFD和EPIC。
ZCFD是计算流体动力学仿真软件，其特点主要是：
高精确度&高性能
High accuracy and performance
中央处理器和图片处理器操作
CPU and GPU operation
更多信息可以浏览网站
https://zcfd.zenotech.com/
EPIC是高性能计算平台调用及管理软件，其特点主要是：
可升级、安全&简单的高性能机群
Scalable, secure & simple HPC on demand
跟多种服务提供商连接
Connect with multiple providers
更多信息可以浏览网站
https://epic.zenotech.com/
鉴于篇幅所限，本文主要由四部分组成
目前风电仿真难点
ZCFD+EPIC的优势
ZCFD的特色模型。
现有风电场仿真分析软件仿真不准确的根本原因
关于ZCFD+EPIC的行业案例以及EPIC的介绍将在后续文章中继续介绍，欢迎各位留言讨论。
一、目前风电仿真难点
内蒙古乌兰察布市风电场项目是国家电力投资集团有限公司将在内蒙古乌兰察布建立的世界上最大的单一陆上风力发电项目，此6千兆瓦级的大型风力发电场总投资425.44亿元，规划面积3800多平方公里，将助力2022年冬季奥林匹克运动会。中标者的单机平均容量为4.2MW，最小为3.4MW，最大为5.17MW。
由此可知大型风电场仿真存在如下的诸多难点：
超大尺度模拟范围（万平方公里级）
详细的地形地貌特征
大气与风机之间、风机与风机之间的复杂相互作用
风机数量众多的大型风电机组
风机运行优化问题等
图为怀特利风电场
二、ZCFD+EPIC的优势
ZCFD + EPIC联合优势主要体现在两个方面：准确模拟和精确输出。准确模拟方面能力范围主要如下：
超大尺度地形模型（200km×200km）
地形特征包括树木、草地、建筑物和水面等
大气边界层（ABL），包括湍流强度
大量风力发电机的位置和类型
上游风机对下游风机的尾流效应影响
风电场与大气的阻塞效应和相互作用
任何风机的运行状态（活动或非活动）
风机位置或运行计划的优化
……
图片为仿真得到的怀特利风电场局部的尾流相互作用与地形效应
精确输出方面能力范围主要如下：
每个风机的功率和局部情况
每台风机和整个风电场产生的总功率
在规定范围内的任何风向和风速下，每台风机的湍流强度和风速
上游风机对未来开发区域的潜在影响
……
图片为仿真得到的怀特利风电场在229°风向时的发电量
三、ZCFD的特色模型
下列四图分别为考虑粗糙度的影响、风力发电机模型简化、冠层对风速影响的研究、基于Python的风电场自动化处理等。
仅以下图介绍一下ZCFD风场仿真特色模型。
使用激盘模型来模拟风机，将风机归纳为激盘模型，结合桨叶剖面理论以及众多用户可自定义的参数，可以使仿真过程变的简单直接；
地形起伏使用粗糙度模型来替代；
树木森林等使用具有叶面积密度函数或地形的树冠模型；
计算结果输出格式为通用格式，例如可被ParaView、Ensight读取；
使用Jupyter笔记本来方便地进行参数设置、二次开发，从而进行批处理操作。
四、简析现有风电场仿真分析软件仿真不准确原因
为什么现有的很多风电场仿真分析软件存在仿真不准确的问题，下面从基础的CFD模型上来解释。因为详细的三维仿真分析需要的计算量大，因此很多风电场仿真分析软件在CFD模型上就开展了较多的简化，同时带来了仿真准确度的问题。
空气的流动使用计算流体动力学来求解时需要考虑到的参数如下：密度、动量、能量、压力、湍动能、湍流耗散率，这些方程组形成了求解流体流动的方程组。
但是现有的很多风电场仿真分析软件进行了一些简化来提升求解效率，同时牺牲了一些仿真精度。如下图所示，不考虑空气的可压缩性、忽略压力场的求解、封闭流体方程组的两方程湍流模型使用了单方程的涡粘模型来替代。这些简化仅仅在压力均匀，且湍流只存在大气湍流的情况下是适用的。
上述简化带来的问题之一就是不能考虑阻塞效应。左图为压力均匀的流场，在仿真计算中不考虑气流经过风机时的绕流现象，右图是考虑了压力场求解的示意图，空气在遇到风机时会绕过风机，流向会发生偏转。
左图为大气边界层的涡长度示意，右图为湍流风机尾流的涡长度示意，上面讲述的涡粘模型不能够在大气边界层里很好的捕捉湍流风机尾流效应，这在大型风场中带来的仿真误差是相当大的。
上述由于模型简化不能很好的捕捉大型风机阵列中的尾流效应，而且在越大的风场中带来的仿真误差越大，如下三张图所示。
后续文章会详细介绍ZCFD软件的特性，上述所列的阻塞效应、尾流效应等，在ZCFD分析中均可以详细捕捉。后续文章还会列出风电场仿真的一些公开案例，以及关于EPIC的详细介绍。
