GIS、CFD軟件在風電場中的應用

王文中，陳海峰，王 旭，杜尚尚，許田琦

(陜西科技大學機電工程學院，陜西 西安 710021)

近年來，由于技術的進步，風力發電飛速發展，平坦地形風資源已逐漸開發完全，風電正向著復雜地形方向開發。根據《中國風電發展路線圖2050》，中國今后將繼續推進風電的規模化開發。按照第四次全國風能資源詳查和評價，得到我國陸上(不包括青藏高原海拔高度超過3 500 m以上的區域)可供風能資源技術開發量為20～34億kW[1]。目前，在風電場風資源評估中，丹麥RISO國家實驗室基于線性模型開發的WAs P軟件，適用于地形平坦的風場，以及近幾年發展起來的法國 Meteodyn 公司開發的風流自動測算軟件WT，其采用計算流體力學方法，能反映出復雜地形下風場的流動情況，適合復雜地形下風電場風資源評估，具有更好的發展前景[2]，但這類軟件一般費用昂貴。

目前，對地形上流場的研究分析大都是在中高尺度氣象方面的研究，主要集中在農業、氣象等方面,應用在具體小尺度風電場方面的研究不是很多。在國外，SOM, MUN DA[3]利用CFD(計算流體力學)模型和GIS(地理信息系統)研究了城市再開發和建筑施工對位于建筑密集區的國立釜慶大學校園周邊細流場的影響，從16個來流方向進行了模擬分析。Christoph Schulz[4]對西班牙北部一處復雜地形風電場在極端風況條件下的風力渦輪機功率、負荷和尾流發展進行了數值分析，僅僅是個別風機、局部區域的模擬分析。國內也有不少學者進行了研究，如文獻[5]基于CFD開發了一種風電短期預測方法，文章主要集中于風電場風機如何聚類、模型如何建立對風功率短期預測進行了研究，缺乏風電場地形高程數據的獲取和地形模擬等方面的知識。祝志文[6]對橋址峽谷地貌進行風場特性的CFD模擬分析，但技術路線不夠詳細。劉敏[7]利用地理信息系統(GIS)理論基礎和技術手段,為風電場選址、產業數據庫建立、風功率預測提供技術支持，只是提出這類設想，缺乏具體實踐。李磊[8]對比了RAMS與FLUENT的模擬結果，表明FLUENT完全可以用于小尺度復雜地形上風場的精細模擬，但缺乏地形獲取及模擬過程。

本文以陜北某風電場為例，對風電場地形進行建模，將模型導入CFD軟件進行模擬分析，得到流場云圖，探討復雜地形對風速的影響，得到通過GIS、CFD軟件在研究復雜地形下風場的流動情況的的思路，降低風電場技術開發的成本。其中，選用的湍流模型為 FLUENT 里面的k-ε模型。

1 研究對象

該風電場位于中國陜北，經度在東經108°29′30″～108°36′55″之間，緯度在北緯37°21′40″～37°25′43″之間，屬于大陸性溫帶季風氣候，場區南北寬約6 km，東西長約9 km。場址區海拔高度在1 500～1 750 km之間，為黃土高原北部的黃土丘陵地帶。主導風向為西風，次主導風向為東南風。風電場風機額定發電功率為2 MW，輪轂中心高度為80 m。

2 研究方法及過程

風電場區域較大、地形復雜，很難利用一般的軟件對這種復雜的丘陵地形曲面進行模擬，需要采用一系列專業的地形提取與繪制軟件才能得到風電場區域地形的三維曲面。首先根據風電場區域范圍在水經注萬能地圖下載器中截取下載范圍，選擇合適精度下載數字高程地形坐標點，然后在Global Mapper里面進行坐標轉換，將轉換結果導入到IMAGEWARE里面擬合三維曲面并建立流體域，將流體域導入到ICEM劃分網格，最后運用FLUENT對流體域進行流場分析。

3 地形下載及三維建模

3.1 軟件簡介

水經注萬能地圖下載器是國內一款地形下載軟件，依托Google earth，最高精度能達到分米級別，遠高于WT軟件自帶的SRTM90 m精度地圖，具有更精確的地形模擬，支持下載各種衛星地圖、歷史影像、電子地圖、地形圖、高程等地圖數據，與Auto CAD、Arc GIS、Global Mapper等軟件兼容。Global Mapper是一款免費的地圖繪制軟件，能夠生成等高線、矢量數據，可以對地形坐標進行轉換，支持北京54、西安80、大地2000等格式。由于地形復雜且建模范圍比較大，傳統的正向建模工程任務量巨大，IMAGEWARE[9]作為一款逆向造型軟件，功能強大，滿足要求。

3.2 地形下載

在水經注萬能地圖下載器中下載長11 km、寬7 km的三維經緯度高程坐標，由于區域較大，高精度的高程坐標占據空間很大，增加后續模擬分析對設備的要求，而且本研究主要目的是分析空氣的宏觀流動，對精度的要求也不是很高。因此本次地形下載選擇13級精度，分辨率38 m。圖1為風電場區域的地形圖。

圖1 風電場地形圖

下載的高程地形為三維經緯度坐標，首先要進行坐標轉換。將三維經緯度坐標導入到Global Mapper里面轉換為北京54空間三維坐標，縱向(緯度)4 136 845～4 144 135 m之間，橫向(經度)在36 543 548～36 554 487 m之間。圖2為風電場區域高程離散點。

圖2 風電場離散點圖

3.3 地形三維建模

將空間三維坐標導入到IMAGEWARE里面，可以采用調整控制點的方法對地形進行擬合，本文采用200×150控制點擬合。由于實際地形不規則，沒有適合不規則地形的建模方法，因此分塊逐步對模擬地形進行調整，圖3為擬合地形與高程地形點云的彩色矢量圖，由圖3可知，本次模擬地形在豎直高度上誤差范圍在±20 m之間。

圖3 地形彩色矢量圖

隨著海拔高度的增加，地形對氣流的影響越來越小。本研究在海拔高度2 600 m處建立流體域上表面，對模擬地形建立流場域，地面離頂面高度在850～1 100 m之間，圖4為模擬地形及流體域壁面。

圖4 流場域圖

4 流場分析

4.1 軟件介紹

流場分析是在ANSYS15.0上完成的。ICEM[10]是FLUENT的前處理軟件，具有強大的網格劃分功能，能應對求解域內的各種復雜幾何形狀。FLUENT[11]軟件經過數十年發展，具有更強大的CFD計算功能，主要用于傳熱、傳質等流場分析，主要采用有限體積法(Finite Volume Method,FVM)，可以用于結構化網格、非結構化網格體系的數值求解。

4.2 流場分析

將建立的流場域導入ICEM里劃分網格，最大尺寸設置80 m，劃分非結構化網格1 700 000個，如圖5所示。

圖5 非結構化網格圖

將網格導入到FLUENT里面進行流場分析，采用k-ε模型，進口速度設置為3 m/s，根據風電場所在地理位置全年主導風向西風，進口風向選取270(西風)。計算完畢后，隨機在流體域內截取y=4 140 000 m處的XZ截面，得出速度云圖，如圖6所示。

圖6 y 4 140 000截面速度云圖

由圖6可知，在山脊位置上風速有明顯的加強效果，這是由于迎風坡的加速效應造成的；根據風機輪轂高度截取距離地面高80 m處的風速矢量圖7，圖7右側為框選位置的放大圖，分析發現，在經過高度落差較大的位置時，氣流流向有明顯的改變，這是由于山體的阻擋造成的，但總體風向變化不大，在240～300之間，紊流較少，說明風電場所處位置地形對風向影響較小，較適合建風電場。

圖7 地面高度80 m速度矢量圖

5 結 語

在風電場選址中，本文采用一些常用軟件，基于GIS技術和CFD方法，得到相關計算參數的一般調整方法以及過程，能在中小尺度上對風電場地形進行精確建模，為具體風電場的建設提供技術支持；經過模擬分析，達到了預期效果，為更復雜地形的風電場建設提供預可研。同時，研究技術路線在風電場的規劃、運行、驗收方面具有應用價值，能減少風電場前期風能評估、后期風能預測的建設成本，特別是隨著風電裝機占比的增加，為減小不穩定能源對電網穩定運行的沖擊，超短期預測的研究越來越受重視，本研究可以為超短期預測中測風塔布置提供精確的分析。在未來研究中，也將盡量選取有多測風塔的案例研究項目，可以通過多測風塔的數據以及相關因素的分析，再進行確認與驗證。

致謝：本文風電場資料以及實測數據是由華電陜西能源有限公司提供的，在此表示感謝。