風電場風機降噪控制策略研究

劉宇新，潘航平，姜婷婷，陳銳儼

(1.浙江運達風電股份有限公司，浙江 杭州 310012；2.浙江省風力發電技術重點實驗室，浙江 杭州 310012)

0 引 言

2021年全球風電累計裝機量達到837 GW，同比2020年增長12.80%。據國家能源局數據，2021年我國風電累計裝機容量達到328.5 GW，同比前一年增長16.7%，增速快于全球，風電累計裝機容量占全球39.2%[1]。在國家宏大的風電項目規劃背景下，繼發揮三北地區風電大基地項目建設的同時，經濟發達的中東南部地區也成為風電發展不可缺少的一環。隨著風能利用的大規模化和風力機的大型化發展，風電場越來越靠近人口密集區，隨之而來的是風場運行的噪聲污染問題[2]。

調查研究表明，當風力機組的噪聲超過人所能接受的范圍時，會對附近居民的身體健康產生一定程度的影響，風力發電機組發出的噪聲會刺激人耳的前庭系統，從而引起耳鳴、頭痛、睡眠障礙、惡心和煩躁等癥狀，這種現象被稱之為“風電場綜合癥”[3]。人們對風機產生的噪聲愈發敏感，噪聲擾民問題嚴重，諸多風場被責令整改，甚至停機、拆機，嚴重影響了風場正常運行，造成了巨大的經濟損失。目前風電場噪聲評估的方法主要有2種，分別是實際測量以及模型預測[4]。噪聲傳播受到許多因素的影響，包括地形類型、障礙物、大氣條件、計量條件等，例如氣象條件的變化很容易導致噪聲在短時間內出現10～20 dB的波動，環境噪聲也給實際測量帶來了嚴峻的挑戰，所以模型預測一般是風電場噪聲評估的首選方法[5]。目前國內用于風電場噪聲評估的軟件主要有WindPro、WindFarmer、OpenWind等[6]，這些商業軟件雖然能夠進行風電場的噪聲評估預測，但是卻無法對降噪方案和降噪方案實施后發電量的主動尋優，導致想要得到符合噪聲標準且風能利用率最高的降噪方案需要進行反復迭代，占用大量人力物力。由此可見，提出一種高效可靠的風電場風機降噪優化控制模型是風場前期投資建設、后期有效控制的迫切需求[7]。本文基于ISO 9613聲學傳播、衰減國際標準，提出了一種風電場風機降噪優化控制模型[8]，在考慮地形、風向、時間段、風機機型等多敏感參數的前提下，結合風機發電量最大化的條件，耦合求解風場實際運行中各臺風機所對應的運行方案，達到整體經濟效益最高，從而為風電場前期選址評估和后期運行控制提供可靠的解決方案和理論依據[9]。

1 風機噪聲標準及傳播規律

根據標準DL/T 1084—2008《風電場噪聲限值及測量方法》、GB 3096—2008《聲環境質量標準》[10]、GB 12348—2008《工業企業廠界環境噪聲排放標準》[11]規定了風電場在不同情況下對于噪聲排放限值的標準[12]，共分為6個類別，如表1所示。

表1 風電場噪聲限值 dB

風場運行期間一般以1類聲環境功能區為標準，即白天村莊居民區處噪聲小于55 dB，夜間噪聲小于45 dB，針對特殊區域、場所選用其他類別的聲環境功能區。

風機的噪聲傳播方式[13]如圖1所示。本模型在計算風機噪聲的傳播時提出了幾個簡化假設：①所有風機都視為一個點聲源并在空中的反射可以忽略；②地面以上3～11 m之間的風速大致在1～5 m/s之間；③假設大氣條件有利于噪聲傳播。風機噪聲在傳播過程中包含以下幾種主要的聲衰減物理效應[8]：幾何發散、大氣吸收、地面效應、表面反射、障礙物遮擋。

圖1 風機的噪聲傳播方式

風機的衰減計算公式為

A=Adiv+Aatm+Agr+Abar+Amisc

(1)

式中，A為總衰減項；Adiv為幾何發散引起的衰減；Aatm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；Amisc為其他多方面效應引起的衰減。在風機噪聲傳播過程中主要衰減影響為前3項，本文模型中不考慮Abar與Amisc項的影響。

2 噪聲傳播計算模型

單臺風機噪聲傳播計算公式分為總聲壓級法和倍頻程法[9]。總聲壓級法的計算公式為

LAT=LWA+Dc-A

(2)

式中，LWA為機組的總聲壓級；Dc為指向性修正。各衰減項計算公式為

Adiv=20lgd+11

(3)

(4)

(5)

式中，d為風機點位到接收點的距離；hm為傳播路程的平均離地高度。

平均離地高度示意如圖2所示，根據地形類型不同，計算方法也不同，具體計算公式為

圖2 平均離地高度示意

(6)

式中，F為聲源到接收點的等效面積；hr為接收點離地高度；hs為聲源離地高度。

倍頻程法的計算公式為

(7)

式中，Li(fj)為機組i的倍頻帶聲功率級；Aatm，i(fj)為倍頻帶大氣聲衰減，計算公式為

(8)

式中，αf為倍頻帶中心頻率大氣衰減系數，不同中心頻率對應的大氣衰減系數見表2。

表2 大氣衰減系數

風電場接收點處噪聲聲壓級為所有機組共同影響的結果，接收點噪聲聲壓級計算公式為

(9)

式中，n為風電機組臺數。

為了更直觀地觀察風機的噪聲傳播規律，可以畫出噪聲等值線圖。如圖3、4分別為單臺、多臺風機的噪聲等值線。圖3中等值線中心處為機位點，橫縱坐標為不同方向的傳播距離。在不考慮風向影響的條件下，噪聲的傳播從風機處開始向四周傳播，呈現為均勻擴散的環狀并伴隨著距離的增加數值逐漸由55 dB降低至35 dB，說明了噪聲隨著距離的增加不斷衰減。對應前文中1類聲環境功能區的45 dB噪聲限值，一般風機噪聲衰減至45 dB需要600～700 m的距離(不同機型所需衰減距離也不相同)。隨著風機數量逐漸增加(見圖4)，噪聲等值線變為不規則的擴散形狀，這是由于區域內各接收點處的噪聲是所有風機噪聲在傳播至該點時噪聲數值大小的對數疊加之和，疊加后的噪聲值可以利用式(9)計算得到。

圖3 單臺風機噪聲等值線

圖4 多臺風機噪聲等值線

3 發電量計算模型

在風場多臺風機、多種機型的組合下有著大量的運行方案，利用軟件或者概率論的算法進行發電量計算顯然效率不高，而利用基于風頻威布爾分布和風機的功率曲線快速計算發電量[14-15]，可以極大提高計算效率，從而耦合噪聲標準篩選出全場最大發電量的運行方案。該發電量計算方法的原理為

單臺機組年發電量=風頻分布×實際功率曲線×8 760 h

(10)

圖5為單臺風機在實際運行中根據輪轂高度處的測風數據通過威布爾擬合得到的風頻分布，圖6為該風機的功率曲線。

圖5 威布爾分布擬合

圖6 功率曲線

將威布爾分布函數f(x)與功率曲線函數P(x)進行積分求和，即可得到單臺風機的年發電量

(11)

4 建模思路及案例驗證

4.1 建模思路

根據1、2節的風機噪聲傳播與衰減模型與發電量計算模型，可以建立風電場風機降噪優化控制模型，具體流程如圖7所示。

圖7 風電場降噪優化流程

該流程的核心為耦合噪聲傳播模型和風機發電量計算模型，并自動求解滿足噪聲標準前提下使得全場發電量最大化的各臺風機的運行方案。模型輸入參數包括地形數據、敏感區/敏感點數據、風機不同轉速下的功率曲線、推力系數曲線、噪聲曲線。首先確定風電場的地形類型，其次根據噪聲曲線選擇噪聲計算方法，然后根據不同時間段的噪聲標準進行風電場噪聲計算，選擇噪聲影響最嚴重的時刻進行降噪優化。降噪優化分為兩步：首先進行常規降噪，在不影響風機功率的前提下加裝鋸齒尾緣；其次為降功率降噪，即降低風機轉速，在犧牲風機一定發電量的情況下有效降低噪聲，得到符合噪聲標準的風機轉速組合后進行風場發電量求解，選取其中發電量最大的轉速組合作為最優解，最終得到風電場內不同時間段滿足噪聲標準的風機實際運行轉速及全場不同降噪方法下的噪聲等值線。

4.2 實際項目驗證

以實際風電場項目為例，對某平原地形下的風電場噪聲進行優化模擬分析。項目位于襄州區北部區域，場址海拔在110～140 m之間，海拔高差相對較小，為典型的平原地形。場區內裝有6臺風力發機，額定轉速下機型的總聲壓級為110.3 dB(A)。風場周圍的居民區(敏感區)如圖8中S1～S15區域所示，各風機到居民區的距離普遍在400～600 m，運行中產生的噪聲問題較為嚴重，需要進行降噪優化。

圖8 平原實際風電場

風場降噪前后結果如圖9a、9b、9c所示，觀察噪聲等值線圖中的敏感區是否與45 dB等值線相交可以快速判斷該區域是否符合噪聲標準。由圖9a、9b可以看出，對于未降噪的風場噪聲等值線，經過加裝鋸齒尾緣的常規降噪處理后，相同數值的噪聲等值線到風機距離明顯縮短，整體噪聲等值線呈“收縮”趨勢，說明風機傳播到相同距離的噪聲值變小，部分敏感區已位于45 dB等值線之外，不過仍有部分敏感區超標，證明常規降噪方法具有一定的降噪效果。圖9c為降功率降噪后的風場噪聲等值線圖，從圖中可以直觀地看出其中4臺風機進行了降轉速處理，單個點位產生的風機噪聲要遠小于未降轉速風機的噪聲，此時所有敏感區都位于45 dB等值線之外，已符合噪聲標準。

圖9 不同降噪方法的噪聲等值線

表3為各敏感區未降噪前、常規降噪后、降功率降噪后的噪聲對比。表3中噪聲值為模型計算得到的每個敏感區內A加權聲壓級最大值。從未降噪前可以看出15個敏感區中有8個超過了噪聲限值，通過加鋸齒尾緣的常規降噪方法使全場噪聲降低了2 dB但仍有5個敏感區超標。針對加裝鋸齒仍無法滿足噪聲標準的敏感區附近的風機進行降轉速降噪，敏感區噪聲值顯著降低。優化后所有敏感區都符合噪聲標準。

表3 各敏感區降噪前后噪聲對比(夜間) dB(A)

表4為最終降噪方案，根據模型優化得到了各風機在不同時段的具體運行方案。

表4 降噪方案

5 結 論

基于ISO 9613聲學傳播及衰減標準，建立了以風機為噪聲源的風電場噪聲傳播模型并耦合風機發電量快速計算方法，提出了一種風電場風機降噪優化控制模型，實現了風電場噪聲最優控制策略的自動化求解。本文研究的主要結論如下：

(1)模型對于實際風場噪聲能夠實現符合噪聲標準的降噪優化，并給出風機在不同時間段下的具體運行控制方案。

(2)風機加裝鋸齒尾緣可以有效地降低2 dB左右噪聲值。

(3)降功率降噪方法會造成一定的發電量損失，需要在控制降噪的同時合理地選取風機運行轉速，保證項目的投資收益最大化。

(4)白天的噪聲限值較高，需要進行風機控制的情況較少，一般更關注夜間風機的噪聲影響。