風電工程噪聲測試及控制方法分析

尚偉 陳寶康 劉永強

摘要：風電產業的迅速發展帶來的噪聲與環境的矛盾日益突出，噪聲控制工程尤為重要，噪聲測試與控制技術相輔相成。以NASA模型為例介紹一種風電機組風輪噪聲預測計算方法，分析整機噪聲功率級預測方法的應用條件并給出整機噪聲測試方法。針對不同應用場景給出兩種適用于風電機組噪聲傳播衰減計算方法，指出葉片氣動噪聲是風電機組的主要噪聲源，對比采用鋸齒尾緣和控制策略降噪的優缺點，說明風電機組冷卻系統噪聲特點及噪聲控制方法，對于風電機組噪聲控制工程的應用有重要意義。

關鍵詞：風電機組;噪聲測試;噪聲控制

中圖分類號：TK83文獻標志碼：A文章編號：1009-9492（2021）11-0304-04

Noise Test and Control Method Analysis of Wind Power Project

Shang Wei，Chen Baokang，Liu Yongqiang

（ Wind Energy Institute，Mingyang Smart Energy Group Co.，Ltd.，Zhongshan，Guangdong 528437，China ）

Abstract：Withtherapiddevelopmentofwindpowerindustry，thecontradictionbetweennoiseandenvironmenthasbecomeincreasinglyprominent.Noise control engineering isparticularly important，and noise testing andcontrol technology complement each other.TakingNASAmodel as an example，a calculation method of wind turbine noise prediction was introduced，the application conditions of the prediction methodof sound power level of the whole machine noise were analyzed，and the test method of the whole machine noise was given.According to differentapplication scenarios，two kinds of noisepropagation attenuation calculation methods for wind turbines wereproposed.It waspointedout thatblade aerodynamic noise was the main noise source of wind turbine，and the advantages and disadvantages of sawtooth trailing edge and controlstrategy werecompared.Thenoisecharacteristicsandnoisecontrolmethodsof windturbinecoolingsystemweredescribed.Itisofgreatsignificance for the application of wind turbine noise control engineering.

Key words：wind turbine;noise test;noise control

0 引言

隨著風電產業迅速發展，風電機組單機容量趨于大兆瓦、體積大型化，風電機組排放的噪聲也隨之升高。并且陸上風電場工程越來越趨于分散式布置，風電機組距離居民區越來越近，風電機組的噪聲對周圍居民的生活影響越來越嚴重。按照噪聲源類型，風電機組噪聲可分為3種：由于電纜、變電器等設備在對電能進行傳輸和處理過程中發出的電磁噪聲;由于機組相關運動部件如傳動裝置、偏航裝置、齒輪箱以及散熱風扇等的振動產生的機械噪聲;由于風力機葉片與空氣相互作用或者是風力機周圍流體自身的湍流運動引起氣動噪聲[1-3]。

從風電機組設計考慮，噪聲和機組的設計尺寸、散熱性能、發電量等之間存在一定矛盾關系，在降低噪聲的同時會損失機組運行的散熱性能以及發電量等[3]。風電機組驗收規范中規定機組輸出功率的1/3倍額定功率時排放的噪聲應小于或等于110 dB。我國對居民區附近允許噪聲排放值是晝間不能超過50 dB，夜間不能超過45 dB，歐洲國家要求更低一些。現有降噪手段只能在此基礎上降低一定噪聲水平，但是依然很大，降噪工程任重道遠。噪聲預測及測試方法作為風電機組噪聲水平評價的重要手段，為風電場工程前期選址、噪聲控制效果等提供有力的支持。本文主要分析風電工程噪聲預測、測試、傳播計算及控制方法。一定程度上指導風電工程在噪聲控制技術方面的應用。

1 風電機組噪聲確定方法

1.1 風輪噪聲預測

風電事業發展早期，國外眾多學者對風電機組噪聲預測方法進行了大量的研究，如Grosveld計算模型[4]、基于NASA 的BPM 翼型噪聲計算模型[5-6]。基于Amiet的Glegg，s模型[7-8]、Dunbabin模型[9]、IAG模型[10]、Lowson湍流來流計算模型[11]等。以NASA模型為例，由于吸入湍流與葉片相遇會在葉片表面產生隨機的壓力脈動，從而產生輻射的隨機噪聲場，稱為吸入湍流噪聲，可用式（1）表示。由于在湍流邊界層內的氣流壓力脈動，葉片表面也會承受氣流的隨機壓力脈動作用。湍流邊界層與葉片后緣相互干涉產生的偶極子聲源為湍流邊界層輻射噪聲的主要聲源，可用式（2）表示。當旋渦離開葉片表面時，圍繞葉片的流動環量發生變化，在葉片表面誘導處壓力脈動，從而產生脫落渦噪聲，可用式（3）表示。

將吸入湍流噪聲、湍流邊界層噪聲和脫落渦噪聲疊加后，進行A計權處理得到總噪聲A聲級LA ，如式（6）～（8）。

式中：SPLa，1/3 為吸入湍流噪聲1/3倍頻程頻帶聲壓級，dB;f為1/3倍頻程中心頻率，Hz;B 為葉片數量;φ為風輪中心與預測點連線和葉片轉動平面間的夾角;ρ為空氣密度，kg/m3;C0.7為0.7倍風輪半徑處的葉片弦長，m;R 為風輪半徑，m;σ2為平均湍流強度;U0.7為0.7倍風輪半徑處的自由層速率;r0為風輪中心到預測點的直線距離，m;c0為聲速，m/s;S 為斯特勞哈爾數，S =16.6;H 為輪轂高度，m;Ka （f）為與頻率相關的比率因子，通過測量風電機組吸入湍流噪聲得到;SPLb，1/3為湍流邊界層噪聲1/3倍頻程頻帶聲壓級，dB;U 為自由層速率;Δ為邊界層厚度;L 為葉片單元的翼展;Kb為比例因子，Kb=5.5;D 為指向性因數;θ為聲源與預測點連線與葉片轉動平面間的夾角;M 為翼展馬赫數;Mc 為對流馬赫數，Mc =0.8M;SPLc 1/3為脫落渦噪聲1/3倍頻程頻帶聲壓級，dB;t 為葉片邊緣厚度;w 為聲源與預測點連線和葉片轉動平面水平投影間的夾角;Kc （f）為與頻率相關的比例因子;ΔA 為A計權修正值。

1.2 工程快速預測

20世紀90年代，國內外學者根據大量的工程數據和經驗，提出風電機組的噪聲與各參數（如功率、風輪直徑、風輪轉速、葉尖線速度等）之間的數學系[12]，如式（9）～（11）所示。其中式（9）只考慮了功率與聲功率級的關系，式（10）考慮了風輪直徑與聲功率的關系，較為片面，式（11）考慮了葉尖線速度、風輪直徑與聲功率級的關系，但是隨著機組的大型化和智能化發展，早期的預測公式需加入修正項，并經過大量的工程數據驗證并修正后使用。

式中：P 為額定功率，kW;D 為風輪直徑，m;VTip為葉尖線速度，m/s。

1.3 整機噪聲測試

GB/T22516中詳細規定了風電機組噪聲輻射的測量、分析和報告編寫方法，并給出了在每一個風速區間內，每一個1/3倍頻程帶上的視在聲功率級由與之對應的在同一個1/3倍頻程帶上的背景修正聲壓級計算得到：

式中：LV，k 為基準氣象條件下，區間中心風速k處，背景噪聲修正A計權聲壓級;R1 為風輪中心到傳聲器的直線距離，m;s0為基準面積，s0 =1 m3。

GB/Z25425中規定風力發電機組的公稱視在聲功率級可以由n個測量結果來確定，它們是通過對同一型號的n臺風力發電機組采用同樣的測量方法，每臺測量一次而得到.n次測量結果平均值L和標準差s可由下式計算：

制造偏標準偏差σP可由下式計算： s

重復性標準偏差σR的估計值為0. 9 dB當實際測量獲得的重復性標準偏差數據有限時，并且對于一些情況σR很小時，可認為σP = s用于確定公稱值的標準偏差可參考GB / Z 25425公稱視在聲功率級可由下式計算：

公稱視在聲功率級以LW和K表示的噪聲值來確定K表示置信度，K = 1. 645 σ

2 風電機組噪聲傳播計算方法

Hagg提出了塔筒到接受者距離處的聲壓級經驗計算方法[12]，該方法考慮了葉片參數風輪直徑葉尖速度等，加入常系數，需經過大量的工程數據修正后使用：

式中：LpA為接受者處聲壓級，dB （A）;nB為葉片數量;AB為葉片面積，m3;AR為風輪面積，m3;CT 為推力系數;r為機艙到接受者的距離，m;r0為塔筒到接受者的距離，m;C1 ～C6 為常數系數，文獻[11]中給出了具體參考值

GB / T17247. 2 中考慮了環境對噪聲的衰減效應，給出了風電機組向接受者傳播的噪聲傳播計算方法，目前該方法被普遍應用于風電機組噪聲傳播計算中：

式中：LW為由風力發電機組產生的倍頻程帶聲功率級，dB;Dc為指向性校正，它描述從點聲源的等效連續聲壓級與產生等效聲功率級的全向點聲源在規定方向的級的偏差程度，指向性校正Dc等于點聲源的指向性指數DI 加上計及到小于4π球面度立體角內的聲傳播指數Dn，對于輻射到自由空間的全向點聲源，Dc =0 dB;A div 為幾何發散引起的衰減;A atm 為大氣吸收引起的衰減;Agr為地面效應引起的衰減;Abar為加屏障引起的衰減;Amac為其他多方面效應引起的衰減。

3 風電機組噪聲控制方法

3.1 葉片氣動噪聲控制

葉片氣動噪聲是一種寬頻噪聲，是風電機組最主要的噪聲源，葉片的氣動噪聲水平決定了整機的噪聲水平。目前針對葉片氣動噪聲主要有兩種降噪技術，一是葉片安裝鋸齒尾緣，該方法對功率曲線的影響很小，但會增加整機各部件載荷。圖1所示為某廠家在葉片安裝的鋸齒尾緣實物。二是控制策略降噪，這種方法最為有效，但以損失發電量為代價，一般采用較少。

目前風電機組制造廠家多采用葉片鋸齒尾緣的方法進行噪聲控制，在國際上公認的降噪效果是1～3 dB（A ）。鋸齒尾緣的降噪效果依賴于鋸齒設計、葉片設計、鋸齒的安裝位置等。在不同風速段不同頻率下鋸齒尾緣的降噪效果有所區別。

3.2 冷卻系統噪聲控制

機組除了葉片氣動噪聲外，發電機冷卻風扇、塔底變流器冷卻風扇、變流器引起的電機諧波噪聲和發電機自身的產生的電磁激勵噪聲等都可能會影響整機噪聲水平[12]。一般來說，這些噪聲都屬于離散頻率噪聲，只會在特征頻率出現。如果噪聲窄帶頻譜上只有某一個頻率遠高于周圍頻率的聲壓級，根據IEC61400-11的音調判斷分析方法可能會判斷為音調，但不會影響整機聲功率級。

發電機冷卻系統噪聲主要來自冷卻風扇運行時產生的氣動噪聲，其噪聲大小主要取決于冷卻風扇的設計和工作狀態。冷卻風扇工作在不同狀態產生的噪聲水平不同，對整機聲功率級的影響也不同。冷卻風扇的降噪可從設計、選型角度，或者根據冷卻風扇的功能和安裝位置采取吸聲降噪材料、聲屏障、隔聲房等。圖2所示為某廠家風電機組的塔底變流器散熱風扇隔聲房現場實物。

4 結束語

通過總結國內外學者相關文獻研究和標準規范，以NASA 模型為例介紹了風電機組葉片氣動噪聲預測模型計算方法。從風電機組功率、風輪直徑、葉片葉尖速度等參數考慮給出工程快速預算方法，鑒于風電機組產品多樣化，建議增加修正項經過數據修正后使用。給出了風電機組聲功率級的計算方法及公稱值的確定公式。從兩種不同考慮角度說明噪聲衰減的計算方法。風電機組葉片噪聲是風電機組的主要噪聲源，是一種寬頻噪聲，目前流行采用鋸齒尾緣降噪，降噪效果公認為1～3 dB。冷卻系統工作在不同狀態產生的噪聲水平不同，對整機噪聲的貢獻也不同，可根據冷卻風扇的功能和安裝位置采取吸聲降噪材料、聲屏障、隔聲房等進行噪聲控制。

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第一作者簡介：尚偉（1994-），男，碩士，工程師，研究領域為風力發電機組噪聲測試技術及聲學優化，已發表論文11篇。

（編輯：王智圣）