风电机组噪声特性研究

孙萍玲，李学平，赵海燕，马孙祺，刘伟江，周民强

1.浙江运达风电股份有限公司，浙江 杭州 310012 2.浙江省风力发电技术重点实验室，浙江 杭州 310012

风能作为可再生清洁能源的一种，近几十年来得到广泛的关注。越来越多的风电机组建立在风资源丰富的地方，而随着远离人烟且资源丰富地区风场的饱和，分散式风电场也逐渐发展起来，这类风电场建立在靠近居民区的地方，使得风电场对环境的影响问题尤为突出。风电场对环境的影响包括噪声、光影、电磁等，而其中噪声影响是干扰人民生活的最重要因素，国标中明确规定了各类声功能区的噪声标准[1]，因此研究风电机组噪声特性及传播是其设计及大力发展风力发电的关键[2]。

风电机组噪声分为机械噪声与气动噪声[3]，机械噪声一般集中在机舱罩内，在远距离传播中，机械噪声远低于气动噪声，因此这里主要针对气动噪声进行研究。风电机组的气动噪声包括入流湍流噪声、翼型自噪声及低频噪声[4]。风电机组噪声的预测包括半经验模型和理论模型，BROOKS等[5]基于大量的风洞实验，提出了预测翼型自噪声的半经验BPM模型，被广泛应用于风电机组翼型自噪声的预测，BPM模型是由航空机型研发的，因此许多专家学者基于BPM模型提出了许多修正模型以适应风力发电机组翼型自噪声的预测[6-8]。由LOWSON改进AMIET的研究结果得到的湍流来流噪声的半经验公式被广泛应用于湍流来流噪声的预测[9-10]。然而这些都是基于理论模型来计算，针对风电场环境下机组噪声的研究仍较少[11]。

本文以山东某平原风电场机组为例，研究风电机组噪声源的频率分布特性，并与Focus仿真软件噪声预测值进行对比，分析不同风速条件下机组的噪声变化，进一步研究风电机组声源指向性及衰减特性，为风电场的噪声预测及降噪方案的研究提供参考。

1 Focus仿真

Focus仿真软件噪声模块基于BPM理论、AMIET & LOWSON理论计算风力发电机组的翼型自噪声与湍流来流噪声。翼型自噪声是指来流非湍流时，翼型表面由于来流的作用而辐射的噪声，湍流来流噪声则是当来流为湍流时诱发翼型表面成为声源而辐射的噪声[12]。Focus仿真得到的机组噪声数据由湍流来流噪声与翼型自噪声叠加得到。

1.1 BPM模型

BPM模型是由BROOKS、POPE和MARCONLINI对航空翼型进行大量的风洞实验总结而来的，半经验模型公式的计算结果与前人的研究及实验结果基本吻合，因此被广泛应用于翼型自噪声的预测。BPM模型将翼型自噪声分为4种，分别为湍流边界层尾缘噪声(TBL-TE)、层流边界层涡脱落噪声(LBL-VS)、钝尾缘噪声(BLN)及叶尖涡噪声(TIP)。

1.1.1 湍流边界层尾缘噪声

湍流边界层尾缘噪声是在非湍流来流时，来流与叶片相互作用产生的湍流流过尾缘时诱发的噪声，其表达式见式(1)。

SPLTBL-TE=10lg(100.1SPLp+10SPLs+100.1SPLα)

(1)

式中：SPLp、SPLs和SPLα分别为翼型压力面声压级、翼型吸力面声压级与分离失速噪声声压级，其具体表达式可由文献[12]查看。

1.1.2 层流边界层涡脱落噪声

层流边界层涡脱落噪声是由后缘涡脱落与后缘上游边界层内不稳定波的反馈循环形成的[1]，表达式见式(2)。

(2)

1.1.3 钝尾缘噪声

钝尾缘噪声是由涡从钝后缘脱落产生的噪声，目前钝尾缘大多应用于叶片靠近根部的位置以增强叶片的结构刚度。钝尾缘噪声的表达式见式(3)。

(3)

1.1.4 叶尖涡噪声

叶尖处压力面与吸力面的压力差产生的三维涡向外辐射形成叶尖涡噪声，其表达式见式(4)。

30.5(lgSt″+0.3)2+126

(4)

1.2 湍流来流噪声

湍流来流噪声是由叶片与湍流来流相互作用而向外辐射的噪声，其半经验公式见式(5)。

(5)

(6)

1.3 数据的可靠性

Focus软件输入参数包括叶片设计参数、整机参数、机组运行控制参数及机组所处环境参数，输入参数为所测试机组的相关参数，保证了仿真数据的可靠性。机组轮毂高度为100 m，风轮额定转速为11 r/min，粗糙长度由文献[12]中典型地势的粗糙长度得到，文中为0.1 m，空气密度为1.128 kg/m3。由于翼型、整机等参数涉及保密内容，故不列明。

2 测试数据

2.1 测试内容

为研究风电机组的噪声特性，测试内容包括机组噪声源的监测、声源指向性测试及声衰减测试。机组声源的监测根据《风力发电机——第11部分：噪声测试技术》(IEC 61400—11)的规定，在机组下风向±15°误差区间内布置单个声学传感器，对机组运行时总噪声与机组停机时的环境噪声进行检测；声源指向性测试使用3个传声器，从机组位置出发在机组上风向、下风向及侧风向与机组等距离分别放置一个传声器，同时采集机组3个方向的辐射噪声；声衰减测试是在机组下风向，距离机组300、450、600 m位置处各放置一个传声器进行风电机组噪声测试，研究辐射噪声的衰减情况。

2.2 数据来源与质量保证

实测数据依据《风力发电机组 噪声测量方法》(GB/T 22516—2015)及IEC 61400—11进行，并在以下几个方面做好数据质量保证：

1)传声器与测试系统。本文测试所使用的传声器为B&K4189-C-001，该传声器频率响应范围为6.3～20 000 Hz，传声器直径为12.7 mm，符合1级声级计的要求；在每次测试前使用B&K4231对传声器进行校准，测试后进行校验，保证传声器的测试准确性；测量时传声器置于测量平板中间，指向风电机组；测量系统包括数据采集模块B&K3055、气象站和相关辅助设备，确保测试数据的准确性。

2)测点选择。测点选择距离风场其他机组1 km外，按照噪声的几何传播衰减计算，保证了测点处由测试机组传播的噪声比由风场中其他机组传播到达测点的噪声大6 dB(A)以上。周围无高大树木、建筑物等的影响，在保证机组声源测试的有效范围内，减小测点与机组的距离以降低空气吸收的影响，测试距离为(H+D/2)m。

3)数据采集。在6～12 m/s风速区间进行连续的测量，以0.5 m/s为间距，每个风速区间机组运行噪声测试及机组停机环境噪声测试数据组数不少于10组，每组数据测量时间为10 s，测试过程中对汽车通过等突发声源，记录声源发生时间，剔除相应时间段数据，测试过程中无明显持续性声源影响。根据采集的机组运行总噪声与停机环境噪声，根据式(7)计算得到机组声源声功率级。

(7)

式中：LWA,i,k为每一个1/3倍频程内的视在声功率级；LV,c,i,k为经过背景噪声修正后的A计权声压级；R1为轮毂中心到接收点的直线距离；基准面积S0=1 m2。

4)同步机组信息。测试过程中，采集系统数据包括传声器采集噪声数据、气象站10 m高度处风速、空气温度、气压和机组实时运行数据，包括轮毂高度风速、桨距角、风轮转速及发电功率，保证噪声计算的准确性。

3 结果与讨论

3.1 机组声源

由Focus仿真软件计算及实测数据，得到6～12 m/s风速区间内机组噪声声功率级，由于实测、仿真各风速段噪声能量分布趋势基本一致，这里仅给出仿真与实测风速为12 m/s条件下机组噪声声功率频谱分布图来加以说明，如图1、图2所示，如未特别说明，文中所述频谱图均为1/3倍频谱图。从图1可见，该风速下仿真得到风电机组气动噪声主要集中在200～3 150 Hz的低频段与中频段，低频段随着频率的增加其声功率缓慢上升，经过最高值后，随着频率的增高声功率级下降。实测机组噪声分布及变化规律与仿真结果基本一致。

图1 12 m/s来流风速下机组辐射噪声1/3倍频程分布图(仿真)Fig.1 Distribution diagram of 1/3 octave of wind turbine noiseat 12 m/s incoming wind speed (Simulation)

图2 12 m/s来流风速下机组辐射噪声1/3倍频程分布图(实测)Fig.2 Distribution diagram of 1/3 octave of wind turbine noiseat 12 m/s incoming wind speed (Measured)

对比不同风速下机组等效声功率级的仿真与实测数据，结果如图3所示。机组声功率级随着风速的增大而增高，在9 m/s时达到最大，风速大于9 m/s后，声功率级随着风速的增大趋于平稳，此时风轮达到额定转速(表1)；当风速继续升高时，控制系统触发变桨机制，使风轮保持在额定转速转动，由此可知，风轮转速是影响机组等效声功率级的最主要因素。整个风速区间，实测与仿真数据基本吻合，但是在6 m/s时噪声功率级差异较大，将近3 dB(A)，是由于测试过程中，6 m/s风速条件下的背景噪声没有监测到，未对该风速段测量的噪声声功率级进行背景噪声校正。

图3 仿真与实测的机组噪声声功率级随风速的变化曲线Fig.3 Variation curve of simulated andmeasured wind turbine noisewith wind speed

分析不同风速条件下环境噪声声功率级，对6 m/s条件下机组的噪声进行校正，从图4可见，环境噪声在不同的风速条件下基本不变，由此可将其他风速区间测试得到的背景噪声应用于6 m/s来流风速机组的噪声进行校正。校正前后的声功率级如图5所示，可见低中频段校正后的声功率级明显比校正前小，个别频段差值可达7 dB(A)。图中频段仅画到3 150 Hz，原因在于测试的过程中，高频段机组运行测试总噪声与环境噪声差值小于3 dB(A)，根据IEC 61400—11测试标准，未将高频段声功率级计入发电机组噪声。因高频段噪声能量对机组总声功率级的影响较小，因此测试的总声功率级仍具有可信度。校正后各风速条件下噪声仿真与实测值如表2所示，两者随风速的变化趋势一致，误差在1 dB(A)以内。

表1 不同风速下机组运行状况(实测)Table 1 Operation conditions of wind turbine atdifferent wind speeds (Measured)

图4 不同风速下环境噪声频域分布图(实测)Fig.4 Frequency domain distribution map ofenvironmental noise at differentwind speeds (Measured)

表2 不同风速条件下仿真与实测的机组声功率级Table 2 Simulated and measured wind turbinenoise at different wind speeds

分析各风速条件下机组噪声的频谱分布，从图6、图7可见，在风速小于或等于9 m/s时，Focus仿真与实测数据在各频段内的声功率级均随着风速的增高而增大，声功率级随着频率增大而增强，在315 Hz达到最大值，而后随着频率增大而降低；当风速大于9 m/s时，总声功率级趋于平稳，不再随着风速的增加而增大，虽仍在315 Hz频带有局部峰值，但频段声功率最大值向高频方向移动；实测数据在2 000 Hz出现局部峰值，该现象在6 m/s风速下也出现了，而仿真结果中没有出现该峰值点，原因可能是在环境因素影响下风机实际运行过程中涡脱落噪声在该风速段内较大所致。

对比仿真与实测数据中声功率最大值出现的1/3倍频带与声功率级如表3所示。可见声功率最大值出现的频带随着风速增大向高频方向移动，未到风轮额定转速前，其声功率峰值的变化与风速正相关，达到额定转速后，声功率级最大值维持稳定，仿真与实测的变化趋势基本一致。

图6 不同风速噪声声功率分布图(仿真)Fig.6 Noise power distribution diagram atdifferent wind speeds (Simulation)

图7 不同风速噪声声功率分布图(实测)Fig.7 Noise power distribution diagram atdifferent wind speeds (Measured)

表3 不同风速下仿真与实测的机组声功率级峰值对应的频带与数值Table 3 Frequency band and value correspondingto the max noise of simulated and measured windturbine under different wind speeds

3.2 声源指向性与衰减

在机组额定风速下研究距离塔筒中心相同距离(H+D/2)的上风向、下风向、叶片旋转面测得的声功率级，测试结果如图8，机组下风向的噪声最大，叶片旋转平面噪声最小，上风向噪声略小于下风向，可知风力发电机组的噪声并不是呈球面均匀散射，而是类似于偶极子的散射，与前人研究结论一致[13]。

图8 测试周期内，置于与机组等距、不同方位的传声器测量的噪声声功率级对比图(实测)Fig.8 Comparison chart of noise powerlevel measured by microphones that areequidistant from the wind turbineand in different directions duringthe test cycle (Measured)

对比机组下风向距离机组不同位置传声器采集的声功率级，并与《户外声传播衰减》(ISO 9613—2)所建立的噪声传播模型进行对比，结果如图9所示，噪声随着距离的增大而减小，实测值与仿真预测趋势一致，误差在0.8 dB(A)以内。

图9 距机组不同距离位置的声功率仿真与实测值Fig.9 Noise simulation and measured valueat different distances from the wind turbine

4 结论

对某型号风电机组噪声特性进行仿真与现场测试，由Focus仿真与实测结果的一致性，得到如下结论。

1)风电机组噪声声功率级随着频率的增高呈现先上升后下降的变化趋势。

2)在达到额定风速之前，风电机组噪声声功率级随着风速的增大而增高，达到额定风速之后，声功率级趋于平稳，随着风速的增大声源能量峰值向高频方向移动。

3)风电机组噪声声功率最大值对应的频带随着风速增大向高频方向移动，未到风轮额定转速前，机组噪声1/3倍频谱声功率峰值的变化与风速正相关，达到额定转速后，声功率级最大值维持稳定。

4)风电机组声源存在指向性，下风向声功率级最高，上风向噪声略小于下风向，风轮旋转平面噪声最低。

5)噪声随着距离的增加而迅速降低，其衰减规律可依据ISO 9613—2进行探究与修正。

由于符合标准的传声器数量有限，机组声源指向性与衰减特性仅布置了3个测试点，若要了解机组全方位指向性，需使用更多的传声器进行测试。文章研究的风电机组噪声特性可为风电场噪声预测提供参考，声源频谱特性的分析可指导相关降噪措施的研究。