风电机组噪声分析及检测

谢金涛，刘前卫

（1.滨州供电公司，山东 滨州 256610；2.国家电网公司，北京 100031）

0 引言

长期以来，风力发电一直都被认为是绿色、清洁的环境友好型能源，但实际上，风电机组对环境并不是绝对的没有影响。风电机组的环境问题主要集中在三个方面：风电机组的噪声问题；风电机组叶片的光影效应；风电机组对风电场周围生物的影响。

其中，人们微词最多的是风电机组的噪声问题。风电机组长期运行中辐射的噪声，给风电场周围居住的人们带来持续性的健康侵害。美国纽约的医生尼娜·皮尔庞特（Dr Nina Pierpont）在五年的时间里，对美国、英国、意大利、爱尔兰和加拿大居住在风电场附近居民的健康状况进行调查和监控，大量的调查结果证实，“风力发电机组综合征”已经成为一种新的病症。尽管风电机组辐射噪声的分贝并不高，但是风电机组辐射噪声会对人耳前庭系统产生持续性刺激，导致人产生耳鸣、眩晕、恐慌、睡眠障碍、心动过速、增加心脏病的危险和其他健康问题［1］。

随着全球风电装机容量的增加，远离人群居住地带的空旷地带越来越少，风电机组的安装位置距离人群越来越近，导致噪声的问题日益突出。尤其是那些风电发展较快的欧洲国家，由于其国土面积的限制，现在很多新建的风电场只能建在居民区周围，使得噪声矛盾更加尖锐。噪声辐射也就成为了风电机组出口的一个重要指标，关系到风电机组能否在国际市场竞争中占有一席之地。

1 风电机组噪声产生的原因

风电机组辐射噪声按照其时频特性分为四类：宽带噪声、低频噪声、脉冲噪声和音调［2］。这些噪声产生的来源主要有以下几个方面：

1.1 机械噪声及结构噪声

齿轮箱噪声。啮合的齿轮在运转过程中产生相互振动和摩擦，通过固体结构辐射出噪声；

轴承噪声。轴承内相对运动元件之间的撞击及摩擦所引起的振动辐射出噪声；

周期作用力激发的噪声。由转动轴等旋转机械部件产生周期作用力激发的噪声；

电机噪声。不平衡的电磁力使电机产生电磁振动，并通过固体结构辐射电磁噪声。

1.2 空气动力噪声

空气动力噪声由叶片与空气之间的相互作用产生，这个噪声的大小与风速相关，风速越大，空气动力噪声越大，并且不同的湍流情况下，噪声往往也不同。这个噪声通常是风电机组辐射噪声的主要组成部分。

空气动力噪声的控制与风电机组的叶片有很大关系。风电机组产生的空气动力噪声通常由叶片的空气动力特性决定，包括叶片的翼型，扭转、几何外形等；还与叶片的运行状态相关，包括叶片的清洁程度、是否结冰、以及风电机组的变桨控制策略等。

1.3 通风设备噪声

通风用的风扇、散热器等设备产生的噪声。

2 欧洲各国风电机组辐射噪声标准

风电在欧洲开始早，发展也较快，并且欧洲各国普遍存在国土面积小的问题，所以他们对于风电机组辐射噪声的认识和研究开始得也比较早，水平也处于国际领先。每隔两年，风电机组噪声国际大会 （InternationalConference on Wind Turbine Noise）都会在欧洲举行，目前已举办至第三届。最近的一次是2009年6月在丹麦奥尔堡召开的“Wind Turbine Noise 2009”,会议涉及风电机组噪声的各个方面，包括风电机组噪声的影响，噪声限值的制定、如何改变叶片的翼型以降低噪声、噪声的测试、以及噪声的预测等。

欧洲各个风电发达国家大都根据自身的情况，制定了本国的风电机组噪声辐射限值，下面对此做简单介绍。

2.1 丹麦噪声辐射标准

早在1991年，丹麦环境部（Department of Environment）就颁布了风电机组噪声辐射计算方法和限值。导则中给出了根据声功率级计算声压级的计算方法和不同地区的限值。

对于居民住宅区，风电机组的噪声影响不得超过45 dB（A）；对于疗养区和其他噪声敏感区域，风电机组的噪声影响不得超过40 dB（A）。如果风电机组辐射噪声中有音调，这个限值要下降5 dB（A），即分别为40 dB（A）和35 dB（A）。这里所指的辐射噪声都是在风速为8 m/s（10 m高度）时。

到了2006年，丹麦环境署 (Danish Environmental Agency)又颁布了新的风电机组噪声辐射导则。

居民住宅区：风速为8 m/s（10 m高度)时，风电机组的噪声影响不得超过44 dB（A）；风速为6m/s（10 m高度）时，风电机组的噪声影响不得超过42 dB（A）。

疗养区：风速为8 m/s（10 m高度）时，风电机组的噪声影响不得超过39 dB（A）；风速为6 m/s（10 m高度）时，风电机组的噪声影响不得超过37 dB（A）。

如果风电机组辐射噪声中有音调，这个限值要下降 5 dB（A）。

2.2 瑞典噪声辐射标准

瑞典较早的噪声辐射导则1992年颁布。导则中规定，风速为8 m/s时，风电机组对不同类型区域的最大噪声影响。

轻工业区：50dB；住宅区：40dB；疗养区：35dB。

2002年，瑞典颁布了新的风电机组噪声辐射导则。新的导则对陆上风场和海上风场分别给出了详细的噪声级计算方法。总的来说，40dB(A)是新导则对住宅区风电机组噪声影响的最大允许声级，对于噪声敏感区域，这个限值还要更加严格。

2.3 德国噪声辐射标准

德国使用风电机组噪声辐射计算方法为ISO9613-2 Germany。这是ISO9613-2通用标准的一个特殊版本，ISO9613-2规定了室外声传播的一般计算方法。德国的这个导则规定，计算风电机组噪声辐射时，使用的风速为风电机组95%额定功率对应的风速。通常情况下，在德国风电机组噪声辐射影响的最大限值为45 dB，如果噪声有音调，需要降低限值，具体数值由当地管理部门决定。

3 风电机组噪声检测

随着各个国家逐渐意识到风电机组噪声辐射对环境的影响，并且也都陆续推出了风电机组噪声辐射标准，风电机组的噪声辐射指标也成为评估风电机组的一个重要参数。为了保证风电机组噪声评估的一致性和结果的可信性，国际上颁布了一系列的风电机组噪声检测标准。

1988年，IEA（国际能源署）颁布了关于风电机组噪声测试的推荐办法，这是风电机组噪声测试标准的雏形。1994年，IEA又对这个推荐办法进行了改版升级。1996年，IEC（国际电工委员会）颁布了正式的风电机组噪声测试标准——IEC 61400-11，ed.1，成为国际通用标准。2002年，IEC对该标准改版，颁布 IEC 61400-11，ed.2；2006 年，IEC 又对该标准进行了修订，颁布 IEC 61400-11，ed.2.1［3］，这个标准是当今国际上最新的通用正式标准。

另外，有些国家还有自己的噪声测试标准，由多个国际风电测试权威机构组成的国际风能测试组织（MEASNET）也陆续颁布过一系列噪声测试标准，但这些标准大都基于IEC 61400-11，只是针对自身情况稍作修改。下面对IEC 61400-11，ed.2.1的内容做简单介绍。

IEC 61400-11，ed.2.1规范了对风力机噪声测量仪器要求，给出了数据采集和处理过程详细的步骤，而且对影响噪声的非声学测量进行了说明，从而保证了声学和非声学测量的精确性和一致性。

IEC 61400-11，ed.2.1中规定的风电机组噪声测试内容包括：A计权视在声功率级、1/3倍频程频谱和音值（必选测试内容）；指向性、次声、低频噪声和脉冲噪声等（可选测试内容）。

视在声功率级是指与风电机组向下风向辐射的能量相同，位置在风轮中心的点声源的A计权声功率级，通过测量声压级计算得到。这个参数指示风电机组噪声辐射能量的绝对值。

风电机组1/3倍频程频谱是指风电机组辐射噪声的声压级与1/3倍频程中心频率的函数关系，频率范围覆盖50～10 kHz。这个指示风电机组噪声辐射的频率特性，可以用来分析风电机组的机械特性，查找故障位置，改善机械结构。

音值是指音调附近的临界带宽内的音调声级与掩蔽声级的差，用来评估风电机组噪声中的某些频率分量给人带来的烦恼程度。

最终所有的结果要覆盖到一个比较宽的风速范围：6 m/s～10 m/s。这里的风速都是标准情况下的风速：10 m高度，0.05 m地形粗糙长度，101.3 kPa的大气压和288 K的温度。

标准中规定，测试需要同步测量风速和风电机组的辐射噪声。但是与其他风电机组测试不同的是，由于噪声信号的测量位置相对风机较远，所以使用常规的方法来测量风速会导致风速信号和噪声信号的不同步。标准中给出了一个方法来得到风速，并且规定进行型式试验的风电机组噪声测试必须使用这种方法。即，同步测试风电机组的输出功率和风电机组的辐射噪声，然后通过功率曲线将输出功率转化为风速信号，以实现信号的同步。

图1是一个的风电机组噪声的音值检测结果。可以看到，某些频率成分非常突出，这样的噪声持续辐射会给人带来很大的烦恼，影响人的心情和健康。

图1 风电机组噪声的音值检测结果

4 结论

风电机组的辐射噪声对人的健康影响很大，国外其他风电发达国家对此认识和研究较早，并且很早就制定了相关的标准。国内的风电发展对此认识一直不足，研究和检测相对滞后，目前也没有就此制定针对性的标准。但是随着风电装机容量的迅速增加，关于风电机组噪声扰民的投诉也在不断增多，并且还会越来越多。这种投诉在一定程度上会影响风电的发展。

国内的风电行业和环境行业应当及早对风电机组的噪声辐射提起重视，开展相关的研究和检测，并且制定噪声排放的标准，以寻求风电发展和噪声防护的平衡点，保证风电行业健康发展。

［1］ www.022net.com/2009/8-12/447128222990073.html.

［2］ Anon.Turbine noise and the environment ［J］.Noise and Vibration Worldwide.，2004，35(2)：20—21.

［3］ IEC 61400-11,ed.2.1,2006,wind turbine generator systems-Part 11:Acoustic noise measurement techniques.