儲能變流器降噪方案研究

潘守文，葛玉石，劉為群，陳城，丁勇，米高祥

（1.常州博瑞電力自動化設(shè)備有限公司，江蘇 常州213025；2.南京南瑞繼保電氣有限公司，南京211102）

0 引 言

隨著電網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，以及可再生能源大規(guī)模接入電網(wǎng)，儲能變流器在輸配電領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用[1-2]。儲能變流器內(nèi)部集成了多種電力電子器件，由于設(shè)備運行功率較大，在實際運行中往往會產(chǎn)生很大的噪聲[3]。不僅影響設(shè)備的使用性能，對人類的健康也產(chǎn)生了較大的危害[4]。隨著電氣設(shè)備制造技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對噪聲的控制技術(shù)越來越重視[5]。

本文基于COMSOL Multiphysics 有限元數(shù)值分析軟件，對儲能變流器的噪聲問題進行研究分析，仿真對比了4 種結(jié)構(gòu)：裸機（未對設(shè)備作任何降噪處理），原型機1（在設(shè)備內(nèi)壁黏附吸聲材料），原型機2（進風(fēng)口處設(shè)計消聲風(fēng)道），原型機3（優(yōu)化進風(fēng)口結(jié)構(gòu)）。仿真結(jié)果表明，原型機3 降噪效果較好，原型機2 次之，原型機1 降噪效果不明顯。最后在試驗平臺上測試4 種方案儲能變流器的噪聲大小。實驗結(jié)果表明，3 種方案均能降低設(shè)備的噪聲大小，其中優(yōu)化進風(fēng)口結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案降噪效果最好。

1 設(shè)備主要噪聲分析

某大容量儲能變流器三維結(jié)構(gòu)如圖1 所示。變流器柜體內(nèi)部集成了多種電力電子器件，運行功率較大。為了滿足常規(guī)散熱需求，柜體前后門、柜體頂部均開有通風(fēng)口，柜體內(nèi)部集成散熱風(fēng)機。當風(fēng)機進行工作時，空氣從進風(fēng)口進入，流經(jīng)柜內(nèi)器件，從頂部的出風(fēng)口散出，帶走柜內(nèi)熱量。儲能變流器噪聲源主要包括風(fēng)機扇片氣動噪聲、電抗器的電磁噪聲及柜體結(jié)構(gòu)壁板的振動噪聲等，通過柜體前后門、頂部通風(fēng)口及柜體縫隙處傳播到空氣中[7]。

一個完整的聲學(xué)系統(tǒng)由聲源、傳播途徑和接收器等3部分組成，因此降噪的思路主要有減弱聲源強度、傳播途徑吸聲處理及其他傳播途徑隔斷處理等。針對儲能變流器，電抗器是其噪聲的主要來源，主要來自于鐵芯的周期性振動[8]。因為電抗器本體方案已固化，所以本文降噪的主要思路是對傳播途徑進行吸聲或隔斷處理。

圖1 儲能變流器結(jié)構(gòu)示意圖

2 噪聲模型建立及結(jié)果分析

COMSOL Multiphysics 有限元數(shù)值分析軟件是一款專用的多物理場耦合仿真軟件，其內(nèi)置的聲學(xué)模塊可以用于計算各種條件下，聲場在頻域和時域中的傳播。

2.1 條件設(shè)置

基于COMSOL 軟件，建立儲能變流器的噪聲模型，依次進行如下設(shè)置：1）在模型向?qū)е羞x擇三維空間維度。2）在聲學(xué)模塊中選擇“聲-殼相互作用，頻域”物理場接口，求解類型為頻域分析。3）構(gòu)建聲學(xué)仿真模型，主要包括電抗器、柜體及空氣求解域，結(jié)構(gòu)如圖2 所示。4）在材料選項中設(shè)置儲能變流器各部分材料屬性。5）在“壓力聲學(xué)-頻域”模塊中設(shè)置求解域，為了便于計算，選擇對稱模型進行計算求解。環(huán)境溫度為25 ℃，聲速為340 m/s，并設(shè)置輻射邊界條件。根據(jù)電抗器實際噪聲大小，設(shè)置入射壓力場大小為0.063 Pa。6）在“殼”模塊中設(shè)置柜體厚度為2 mm，并設(shè)置固定約束條件。7）進行網(wǎng)格剖分，根據(jù)聲學(xué)仿真計算條件，每波長至少包含5～6 個網(wǎng)格，因此網(wǎng)格最大單元尺寸不超過37 mm。8）進行頻域的計算求解，頻率求解范圍為20～1800 Hz，變化步長20 Hz。9）計算求解后，在結(jié)果中對數(shù)據(jù)進行后處理，得到所需仿真數(shù)據(jù)。

圖2 儲能變流器仿真模型

2.2 結(jié)果分析

基于上述聲學(xué)仿真模型，針對4 種結(jié)構(gòu)進行仿真對比：1）裸機。即未對儲能變流器作任何消聲處理，為原始結(jié)構(gòu)。2）原型機1。在儲能變流器前后門板內(nèi)壁黏附吸聲材料，并設(shè)置流阻率大小為1424.2 Pa·s/m2。3）原型機2。在前門進風(fēng)口處設(shè)計消聲風(fēng)道，消聲風(fēng)道內(nèi)部附有吸聲材料。為了便于對比，設(shè)置流阻率大小仍為1424.2 Pa·s/m2。消聲風(fēng)道外部結(jié)構(gòu)尺寸為560 mm×490 mm×300 mm，內(nèi)襯消聲材料厚度為60 mm。4）原型機3。封堵前門進風(fēng)口，通過儲能變流器后門進風(fēng)，進行設(shè)備的散熱。

首先對裸機進行仿真分析，在求解頻率為1000 Hz時，xz(柜體中心水平方向)面和yz(門中心豎直方向)面的聲壓級分布如圖3 所示。

圖3 裸機聲壓級分布

通過圖3 的聲壓級分布云圖可以看出，儲能變流器的外部柜體能夠阻隔聲音傳播到外界。通過對柜體進行吸聲處理，提高其吸收和阻隔聲音的能力，便能夠有效降低噪聲的大小。

因此，本文針對原型機1、原型機2 和原型機3 等3種結(jié)構(gòu)進行仿真對比，確定最優(yōu)的降噪結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。在求解頻率為1000 Hz 時，原型機1、原型機2 和原型機3的yz(門中心豎直方向)面的聲壓級分布云圖分別如圖4～圖6 所示。

通過圖4～圖6的對比可以看出，原型機2 和原型機3 均有效地將聲音隔絕在柜體內(nèi)。而原型機1 有一定量的聲音外泄到空氣中。為了更加清晰地對比4 種方案的優(yōu)劣，取柜體前1 m處、距地面0.8 m 處位置為噪聲測試點，其聲壓級大小隨頻率的變化如圖7 所示。

由圖7 對比可以看出，當頻率較低時，黏附吸聲材料幾乎沒有降噪效果。當頻率超過1000 Hz后，黏附吸聲材料具有一定的降噪效果，但是效果不明顯。采用消聲風(fēng)道的方式，在所有頻率段均具有一定的降噪效果，且降噪效果較好。采用封閉進風(fēng)口的方式，在所有頻率段均具有一定的降噪效果，為最優(yōu)結(jié)構(gòu)。

圖4 原型機1 聲壓級分布

圖5 原型機2 聲壓級分布

圖6 原型機3 聲壓級分布

圖7 聲壓級隨頻率變化對比

3 儲能變流器噪聲實驗

根據(jù)上述仿真結(jié)果，進行裸機、原型機1、原型機2、原型機3 等4 種結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的對比試驗。本次試驗在某大型電力設(shè)備公司的試驗平臺內(nèi)進行測試，空氣大氣壓約為101 kPa，在密閉車間內(nèi)，背景噪聲大約為55 dB，儲能變流器以500 kW 滿功率運行，裸機試驗工況如圖8所示。

對于原型機1，通過黏附吸聲材料來降低設(shè)備的噪聲大小。非織布多孔吸聲材料因其內(nèi)部存在很多不規(guī)則孔洞和細小的空隙結(jié)構(gòu)，當噪聲進入材料時會被來回反射，引起發(fā)熱現(xiàn)象，從而削弱噪聲，是目前最常用的吸聲材料[9]。同時材料厚度也是影響噪聲吸收的重要因素，有研究表明，非織布吸聲材料隨著厚度的增加，噪聲吸收效果逐漸明顯。但是當材料的厚度達到一定數(shù)值時，即使材料厚度繼續(xù)增加，噪聲數(shù)值也不會有明顯的降低[10]。因為三聚氰胺泡沫材料具有阻燃、隔溫、噪聲吸收等功能，能夠滿足多種環(huán)境條件下的使用要求[11]，所以本次試驗使用三聚氰胺為原料的泡沫吸聲材料，黏附在前后門板內(nèi)壁，具體粘貼位置和大小如圖9 所示。

圖8 裸機試驗工況

圖9 原型機1 試驗工況

對于原型機2，在進風(fēng)口處設(shè)計消聲風(fēng)道，固定安裝于柜門上，擋住進風(fēng)口進行消聲，如圖10 所示。

對于原型機3，通過封堵進風(fēng)口，阻擋噪聲從前門散熱孔處溢出。由于本次試驗僅對比噪聲大小，因此未直接取消散熱孔，而是通過添加封板的方式進行消聲，如圖11 所示。

圖10 原型機2 試驗工況

圖11 原型機3 試驗工況

試驗時，在柜體前門1 m 處、距平臺高度為0.8 m 處設(shè)置測試點。實際測試噪聲與背景噪聲相差10 dB 以上，故不需要做噪聲背景修正[12]。

采用噪聲測試儀TES 1352H 測試噪聲大小，設(shè)備測量量程為30～130 dB，測量精確度為±1.4 dB，滿足試驗測試要求。每個試驗工況測試10 次，結(jié)果如表1 所示。

表1 噪聲試驗數(shù)據(jù) dB

依據(jù)式（1）計算平均聲壓級的大小：

式中：Lpi為每次試驗時的聲壓級大小；N 為試驗次數(shù)。

通過表1 的噪聲試驗數(shù)據(jù)對比可以看出，通過粘貼吸聲材料，噪聲值下降了0.7 dB。通過消聲風(fēng)道進行消聲，噪聲值下降了2.0 dB。通過封堵進風(fēng)口進行消聲，噪聲值下降了2.7 dB。因此封堵進風(fēng)口的消聲效果最好。試驗結(jié)論與仿真結(jié)果的定性趨勢一致，這說明建立的噪聲模型具有一定的參考意義，可以用于指導(dǎo)儲能變流器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。

4 結(jié) 論

本文基于COMSOL Multiphysics 軟件建立噪聲的數(shù)值模型，分析對比粘貼吸聲材料、添加消聲風(fēng)道、封堵進風(fēng)口等優(yōu)化結(jié)構(gòu)，確定最優(yōu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。試驗結(jié)果表明，通過在前后門板內(nèi)壁粘貼吸聲材料的消聲效果不明顯，封堵進風(fēng)口的消聲效果最好，從而確定了較優(yōu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。試驗結(jié)果驗證了噪聲模型的可靠性，可以用于指導(dǎo)儲能變流器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。