GIS、CFD软件在风电场中的应用

王文中，陈海峰，王 旭，杜尚尚，许田琦

(陕西科技大学机电工程学院，陕西 西安 710021)

近年来，由于技术的进步，风力发电飞速发展，平坦地形风资源已逐渐开发完全，风电正向着复杂地形方向开发。根据《中国风电发展路线图2050》，中国今后将继续推进风电的规模化开发。按照第四次全国风能资源详查和评价，得到我国陆上(不包括青藏高原海拔高度超过3 500 m以上的区域)可供风能资源技术开发量为20～34亿kW[1]。目前，在风电场风资源评估中，丹麦RISO国家实验室基于线性模型开发的WAs P软件，适用于地形平坦的风场，以及近几年发展起来的法国 Meteodyn 公司开发的风流自动测算软件WT，其采用计算流体力学方法，能反映出复杂地形下风场的流动情况，适合复杂地形下风电场风资源评估，具有更好的发展前景[2]，但这类软件一般费用昂贵。

目前，对地形上流场的研究分析大都是在中高尺度气象方面的研究，主要集中在农业、气象等方面,应用在具体小尺度风电场方面的研究不是很多。在国外，SOM, MUN DA[3]利用CFD(计算流体力学)模型和GIS(地理信息系统)研究了城市再开发和建筑施工对位于建筑密集区的国立釜庆大学校园周边细流场的影响，从16个来流方向进行了模拟分析。Christoph Schulz[4]对西班牙北部一处复杂地形风电场在极端风况条件下的风力涡轮机功率、负荷和尾流发展进行了数值分析，仅仅是个别风机、局部区域的模拟分析。国内也有不少学者进行了研究，如文献[5]基于CFD开发了一种风电短期预测方法，文章主要集中于风电场风机如何聚类、模型如何建立对风功率短期预测进行了研究，缺乏风电场地形高程数据的获取和地形模拟等方面的知识。祝志文[6]对桥址峡谷地貌进行风场特性的CFD模拟分析，但技术路线不够详细。刘敏[7]利用地理信息系统(GIS)理论基础和技术手段,为风电场选址、产业数据库建立、风功率预测提供技术支持，只是提出这类设想，缺乏具体实践。李磊[8]对比了RAMS与FLUENT的模拟结果，表明FLUENT完全可以用于小尺度复杂地形上风场的精细模拟，但缺乏地形获取及模拟过程。

本文以陕北某风电场为例，对风电场地形进行建模，将模型导入CFD软件进行模拟分析，得到流场云图，探讨复杂地形对风速的影响，得到通过GIS、CFD软件在研究复杂地形下风场的流动情况的的思路，降低风电场技术开发的成本。其中，选用的湍流模型为 FLUENT 里面的k-ε模型。

1 研究对象

该风电场位于中国陕北，经度在东经108°29′30″～108°36′55″之间，纬度在北纬37°21′40″～37°25′43″之间，属于大陆性温带季风气候，场区南北宽约6 km，东西长约9 km。场址区海拔高度在1 500～1 750 km之间，为黄土高原北部的黄土丘陵地带。主导风向为西风，次主导风向为东南风。风电场风机额定发电功率为2 MW，轮毂中心高度为80 m。

2 研究方法及过程

风电场区域较大、地形复杂，很难利用一般的软件对这种复杂的丘陵地形曲面进行模拟，需要采用一系列专业的地形提取与绘制软件才能得到风电场区域地形的三维曲面。首先根据风电场区域范围在水经注万能地图下载器中截取下载范围，选择合适精度下载数字高程地形坐标点，然后在Global Mapper里面进行坐标转换，将转换结果导入到IMAGEWARE里面拟合三维曲面并建立流体域，将流体域导入到ICEM划分网格，最后运用FLUENT对流体域进行流场分析。

3 地形下载及三维建模

3.1 软件简介

水经注万能地图下载器是国内一款地形下载软件，依托Google earth，最高精度能达到分米级别，远高于WT软件自带的SRTM90 m精度地图，具有更精确的地形模拟，支持下载各种卫星地图、历史影像、电子地图、地形图、高程等地图数据，与Auto CAD、Arc GIS、Global Mapper等软件兼容。Global Mapper是一款免费的地图绘制软件，能够生成等高线、矢量数据，可以对地形坐标进行转换，支持北京54、西安80、大地2000等格式。由于地形复杂且建模范围比较大，传统的正向建模工程任务量巨大，IMAGEWARE[9]作为一款逆向造型软件，功能强大，满足要求。

3.2 地形下载

在水经注万能地图下载器中下载长11 km、宽7 km的三维经纬度高程坐标，由于区域较大，高精度的高程坐标占据空间很大，增加后续模拟分析对设备的要求，而且本研究主要目的是分析空气的宏观流动，对精度的要求也不是很高。因此本次地形下载选择13级精度，分辨率38 m。图1为风电场区域的地形图。

图1 风电场地形图

下载的高程地形为三维经纬度坐标，首先要进行坐标转换。将三维经纬度坐标导入到Global Mapper里面转换为北京54空间三维坐标，纵向(纬度)4 136 845～4 144 135 m之间，横向(经度)在36 543 548～36 554 487 m之间。图2为风电场区域高程离散点。

图2 风电场离散点图

3.3 地形三维建模

将空间三维坐标导入到IMAGEWARE里面，可以采用调整控制点的方法对地形进行拟合，本文采用200×150控制点拟合。由于实际地形不规则，没有适合不规则地形的建模方法，因此分块逐步对模拟地形进行调整，图3为拟合地形与高程地形点云的彩色矢量图，由图3可知，本次模拟地形在竖直高度上误差范围在±20 m之间。

图3 地形彩色矢量图

随着海拔高度的增加，地形对气流的影响越来越小。本研究在海拔高度2 600 m处建立流体域上表面，对模拟地形建立流场域，地面离顶面高度在850～1 100 m之间，图4为模拟地形及流体域壁面。

图4 流场域图

4 流场分析

4.1 软件介绍

流场分析是在ANSYS15.0上完成的。ICEM[10]是FLUENT的前处理软件，具有强大的网格划分功能，能应对求解域内的各种复杂几何形状。FLUENT[11]软件经过数十年发展，具有更强大的CFD计算功能，主要用于传热、传质等流场分析，主要采用有限体积法(Finite Volume Method,FVM)，可以用于结构化网格、非结构化网格体系的数值求解。

4.2 流场分析

将建立的流场域导入ICEM里划分网格，最大尺寸设置80 m，划分非结构化网格1 700 000个，如图5所示。

图5 非结构化网格图

将网格导入到FLUENT里面进行流场分析，采用k-ε模型，进口速度设置为3 m/s，根据风电场所在地理位置全年主导风向西风，进口风向选取270(西风)。计算完毕后，随机在流体域内截取y=4 140 000 m处的XZ截面，得出速度云图，如图6所示。

图6 y 4 140 000截面速度云图

由图6可知，在山脊位置上风速有明显的加强效果，这是由于迎风坡的加速效应造成的；根据风机轮毂高度截取距离地面高80 m处的风速矢量图7，图7右侧为框选位置的放大图，分析发现，在经过高度落差较大的位置时，气流流向有明显的改变，这是由于山体的阻挡造成的，但总体风向变化不大，在240～300之间，紊流较少，说明风电场所处位置地形对风向影响较小，较适合建风电场。

图7 地面高度80 m速度矢量图

5 结 语

在风电场选址中，本文采用一些常用软件，基于GIS技术和CFD方法，得到相关计算参数的一般调整方法以及过程，能在中小尺度上对风电场地形进行精确建模，为具体风电场的建设提供技术支持；经过模拟分析，达到了预期效果，为更复杂地形的风电场建设提供预可研。同时，研究技术路线在风电场的规划、运行、验收方面具有应用价值，能减少风电场前期风能评估、后期风能预测的建设成本，特别是随着风电装机占比的增加，为减小不稳定能源对电网稳定运行的冲击，超短期预测的研究越来越受重视，本研究可以为超短期预测中测风塔布置提供精确的分析。在未来研究中，也将尽量选取有多测风塔的案例研究项目，可以通过多测风塔的数据以及相关因素的分析，再进行确认与验证。

致谢：本文风电场资料以及实测数据是由华电陕西能源有限公司提供的，在此表示感谢。