风电工程噪声测试及控制方法分析

尚伟 陈宝康 刘永强

摘要：风电产业的迅速发展带来的噪声与环境的矛盾日益突出，噪声控制工程尤为重要，噪声测试与控制技术相辅相成。以NASA模型为例介绍一种风电机组风轮噪声預测计算方法，分析整机噪声功率级预测方法的应用条件并给出整机噪声测试方法。针对不同应用场景给出两种适用于风电机组噪声传播衰减计算方法，指出叶片气动噪声是风电机组的主要噪声源，对比采用锯齿尾缘和控制策略降噪的优缺点，说明风电机组冷却系统噪声特点及噪声控制方法，对于风电机组噪声控制工程的应用有重要意义。

关键词：风电机组;噪声测试;噪声控制

中图分类号：TK83文献标志码：A文章编号：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

随着风电产业迅速发展，风电机组单机容量趋于大兆瓦、体积大型化，风电机组排放的噪声也随之升高。并且陆上风电场工程越来越趋于分散式布置，风电机组距离居民区越来越近，风电机组的噪声对周围居民的生活影响越来越严重。按照噪声源类型，风电机组噪声可分为3种：由于电缆、变电器等设备在对电能进行传输和处理过程中发出的电磁噪声;由于机组相关运动部件如传动装置、偏航装置、齿轮箱以及散热风扇等的振动产生的机械噪声;由于风力机叶片与空气相互作用或者是风力机周围流体自身的湍流运动引起气动噪声[1-3]。

从风电机组设计考虑，噪声和机组的设计尺寸、散热性能、发电量等之间存在一定矛盾关系，在降低噪声的同时会损失机组运行的散热性能以及发电量等[3]。风电机组验收规范中规定机组输出功率的1/3倍额定功率时排放的噪声应小于或等于110 dB。我国对居民区附近允许噪声排放值是昼间不能超过50 dB，夜间不能超过45 dB，欧洲国家要求更低一些。现有降噪手段只能在此基础上降低一定噪声水平，但是依然很大，降噪工程任重道远。噪声预测及测试方法作为风电机组噪声水平评价的重要手段，为风电场工程前期选址、噪声控制效果等提供有力的支持。本文主要分析风电工程噪声预测、测试、传播计算及控制方法。一定程度上指导风电工程在噪声控制技术方面的应用。

1 风电机组噪声确定方法

1.1 风轮噪声预测

风电事业发展早期，国外众多学者对风电机组噪声预测方法进行了大量的研究，如Grosveld计算模型[4]、基于NASA 的BPM 翼型噪声计算模型[5-6]。基于Amiet的Glegg，s模型[7-8]、Dunbabin模型[9]、IAG模型[10]、Lowson湍流来流计算模型[11]等。以NASA模型为例，由于吸入湍流与叶片相遇会在叶片表面产生随机的压力脉动，从而产生辐射的随机噪声场，称为吸入湍流噪声，可用式（1）表示。由于在湍流边界层内的气流压力脉动，叶片表面也会承受气流的随机压力脉动作用。湍流边界层与叶片后缘相互干涉产生的偶极子声源为湍流边界层辐射噪声的主要声源，可用式（2）表示。当旋涡离开叶片表面时，围绕叶片的流动环量发生变化，在叶片表面诱导处压力脉动，从而产生脱落涡噪声，可用式（3）表示。

将吸入湍流噪声、湍流边界层噪声和脱落涡噪声叠加后，进行A计权处理得到总噪声A声级LA ，如式（6）～（8）。

式中：SPLa，1/3 為吸入湍流噪声1/3倍频程频带声压级，dB;f为1/3倍频程中心频率，Hz;B 为叶片数量;φ为风轮中心与预测点连线和叶片转动平面间的夹角;ρ为空气密度，kg/m3;C0.7为0.7倍风轮半径处的叶片弦长，m;R 为风轮半径，m;σ2为平均湍流强度;U0.7为0.7倍风轮半径处的自由层速率;r0为风轮中心到预测点的直线距离，m;c0为声速，m/s;S 为斯特劳哈尔数，S =16.6;H 为轮毂高度，m;Ka （f）为与频率相关的比率因子，通过测量风电机组吸入湍流噪声得到;SPLb，1/3为湍流边界层噪声1/3倍频程频带声压级，dB;U 为自由层速率;Δ为边界层厚度;L 为叶片单元的翼展;Kb为比例因子，Kb=5.5;D 为指向性因数;θ为声源与预测点连线与叶片转动平面间的夹角;M 为翼展马赫数;Mc 为对流马赫数，Mc =0.8M;SPLc 1/3为脱落涡噪声1/3倍频程频带声压级，dB;t 为叶片边缘厚度;w 为声源与预测点连线和叶片转动平面水平投影间的夹角;Kc （f）为与频率相关的比例因子;ΔA 为A计权修正值。

1.2 工程快速预测

20世纪90年代，国内外学者根据大量的工程数据和经验，提出风电机组的噪声与各参数（如功率、风轮直径、风轮转速、叶尖线速度等）之间的数学系[12]，如式（9）～（11）所示。其中式（9）只考虑了功率与声功率级的关系，式（10）考虑了风轮直径与声功率的关系，较为片面，式（11）考虑了叶尖线速度、风轮直径与声功率级的关系，但是随着机组的大型化和智能化发展，早期的预测公式需加入修正项，并经过大量的工程数据验证并修正后使用。

式中：P 为额定功率，kW;D 为风轮直径，m;VTip为叶尖线速度，m/s。

1.3 整机噪声测试

GB/T22516中详细规定了风电机组噪声辐射的测量、分析和报告编写方法，并给出了在每一个风速区间内，每一个1/3倍频程带上的视在声功率级由与之对应的在同一个1/3倍频程带上的背景修正声压级计算得到：

式中：LV，k 为基准气象条件下，区间中心风速k处，背景噪声修正A计权声压级;R1 为风轮中心到传声器的直线距离，m;s0为基准面积，s0 =1 m3。

GB/Z25425中规定风力发电机组的公称视在声功率级可以由n个测量结果来确定，它们是通过对同一型号的n台风力发电机组采用同样的测量方法，每台测量一次而得到.n次测量结果平均值L和标准差s可由下式计算：

制造偏标准偏差σP可由下式计算： s

重复性标准偏差σR的估计值为0. 9 dB当实际测量获得的重复性标准偏差数据有限时，并且对于一些情况σR很小时，可认为σP = s用于确定公称值的标准偏差可参考GB / Z 25425公称视在声功率级可由下式计算：

公称视在声功率级以LW和K表示的噪声值来确定K表示置信度，K = 1. 645 σ

2 风电机组噪声传播计算方法

Hagg提出了塔筒到接受者距离处的声压级经验计算方法[12]，该方法考虑了叶片参数风轮直径叶尖速度等，加入常系数，需经过大量的工程数据修正后使用：

式中：LpA为接受者处声压级，dB （A）;nB为叶片数量;AB为叶片面积，m3;AR为风轮面积，m3;CT 为推力系数;r为机舱到接受者的距离，m;r0为塔筒到接受者的距离，m;C1 ～C6 为常数系数，文献[11]中给出了具体参考值

GB / T17247. 2 中考虑了环境对噪声的衰减效应，给出了风电机组向接受者传播的噪声传播计算方法，目前该方法被普遍应用于风电机组噪声传播计算中：

式中：LW为由风力发电机组产生的倍频程带声功率级，dB;Dc为指向性校正，它描述从点声源的等效连续声压级与产生等效声功率级的全向点声源在规定方向的级的偏差程度，指向性校正Dc等于点声源的指向性指数DI 加上计及到小于4π球面度立体角内的声传播指数Dn，对于辐射到自由空间的全向点声源，Dc =0 dB;A div 为几何发散引起的衰减;A atm 为大气吸收引起的衰减;Agr为地面效应引起的衰减;Abar为加屏障引起的衰减;Amac为其他多方面效应引起的衰减。

3 风电机组噪声控制方法

3.1 叶片气动噪声控制

叶片气动噪声是一种宽频噪声，是风电机组最主要的噪声源，叶片的气动噪声水平决定了整机的噪声水平。目前针对叶片气动噪声主要有两种降噪技术，一是叶片安装锯齿尾缘，该方法对功率曲线的影响很小，但会增加整机各部件载荷。图1所示为某厂家在叶片安装的锯齿尾缘实物。二是控制策略降噪，这种方法最为有效，但以损失发电量为代价，一般采用较少。

目前风电机组制造厂家多采用叶片锯齿尾缘的方法进行噪声控制，在国际上公认的降噪效果是1～3 dB（A ）。锯齿尾缘的降噪效果依赖于锯齿设计、叶片设计、锯齿的安装位置等。在不同风速段不同频率下锯齿尾缘的降噪效果有所区别。

3.2 冷却系统噪声控制

机组除了叶片气动噪声外，发电机冷却风扇、塔底变流器冷却风扇、变流器引起的电机谐波噪声和发电机自身的产生的电磁激励噪声等都可能会影响整机噪声水平[12]。一般来说，这些噪声都属于离散频率噪声，只会在特征频率出现。如果噪声窄带频谱上只有某一个频率远高于周围频率的声压级，根据IEC61400-11的音调判断分析方法可能会判断为音调，但不会影响整机声功率级。

发电机冷却系统噪声主要来自冷却风扇运行时产生的气动噪声，其噪声大小主要取决于冷却风扇的设计和工作状态。冷却风扇工作在不同状态产生的噪声水平不同，对整机声功率级的影响也不同。冷却风扇的降噪可从设计、选型角度，或者根据冷却风扇的功能和安装位置采取吸声降噪材料、声屏障、隔声房等。图2所示为某厂家风电机组的塔底变流器散热风扇隔声房现场实物。

4 结束语

通过总结国内外学者相关文献研究和标准规范，以NASA 模型为例介绍了风电机组叶片气动噪声预测模型计算方法。从风电机组功率、风轮直径、叶片叶尖速度等参数考虑给出工程快速预算方法，鉴于风电机组产品多样化，建议增加修正项经过数据修正后使用。给出了风电机组声功率级的计算方法及公称值的确定公式。从两种不同考虑角度说明噪声衰减的计算方法。风电机组叶片噪声是风电机组的主要噪声源，是一种宽频噪声，目前流行采用锯齿尾缘降噪，降噪效果公认为1～3 dB。冷却系统工作在不同状态产生的噪声水平不同，对整机噪声的贡献也不同，可根据冷却风扇的功能和安装位置采取吸声降噪材料、声屏障、隔声房等进行噪声控制。

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[11] Wagner S ，Bareiβ R ，Guidati G .Wind Turbine Noise [ M ]. Springer Berlin，1996.

[12]張莹博，潘磊，张启应.风力发电机振动和噪声控制措施探讨[J ].风能，2013（10）：88-91.

第一作者简介：尚伟（1994-），男，硕士，工程师，研究领域为风力发电机组噪声测试技术及声学优化，已发表论文11篇。

（编辑：王智圣）