风电场风机降噪控制策略研究

2023-09-05刘宇新潘航平姜婷婷陈锐俨

水力发电 2023年8期

刘宇新，潘航平，姜婷婷，陈锐俨

(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)

0 引言

2021年全球风电累计装机量达到837 GW，同比2020年增长12.80%。据国家能源局数据，2021年我国风电累计装机容量达到328.5 GW，同比前一年增长16.7%，增速快于全球，风电累计装机容量占全球39.2%[1]。在国家宏大的风电项目规划背景下，继发挥三北地区风电大基地项目建设的同时，经济发达的中东南部地区也成为风电发展不可缺少的一环。随着风能利用的大规模化和风力机的大型化发展，风电场越来越靠近人口密集区，随之而来的是风场运行的噪声污染问题[2]。

调查研究表明，当风力机组的噪声超过人所能接受的范围时，会对附近居民的身体健康产生一定程度的影响，风力发电机组发出的噪声会刺激人耳的前庭系统，从而引起耳鸣、头痛、睡眠障碍、恶心和烦躁等症状，这种现象被称之为“风电场综合症”[3]。人们对风机产生的噪声愈发敏感，噪声扰民问题严重，诸多风场被责令整改，甚至停机、拆机，严重影响了风场正常运行，造成了巨大的经济损失。目前风电场噪声评估的方法主要有2种，分别是实际测量以及模型预测[4]。噪声传播受到许多因素的影响，包括地形类型、障碍物、大气条件、计量条件等，例如气象条件的变化很容易导致噪声在短时间内出现10～20 dB的波动，环境噪声也给实际测量带来了严峻的挑战，所以模型预测一般是风电场噪声评估的首选方法[5]。目前国内用于风电场噪声评估的软件主要有WindPro、WindFarmer、OpenWind等[6]，这些商业软件虽然能够进行风电场的噪声评估预测，但是却无法对降噪方案和降噪方案实施后发电量的主动寻优，导致想要得到符合噪声标准且风能利用率最高的降噪方案需要进行反复迭代，占用大量人力物力。由此可见，提出一种高效可靠的风电场风机降噪优化控制模型是风场前期投资建设、后期有效控制的迫切需求[7]。本文基于ISO 9613声学传播、衰减国际标准，提出了一种风电场风机降噪优化控制模型[8]，在考虑地形、风向、时间段、风机机型等多敏感参数的前提下，结合风机发电量最大化的条件，耦合求解风场实际运行中各台风机所对应的运行方案，达到整体经济效益最高，从而为风电场前期选址评估和后期运行控制提供可靠的解决方案和理论依据[9]。

1 风机噪声标准及传播规律

根据标准DL/T 1084—2008《风电场噪声限值及测量方法》、GB 3096—2008《声环境质量标准》[10]、GB 12348—2008《工业企业厂界环境噪声排放标准》[11]规定了风电场在不同情况下对于噪声排放限值的标准[12]，共分为6个类别，如表1所示。

表1 风电场噪声限值 dB

风场运行期间一般以1类声环境功能区为标准，即白天村庄居民区处噪声小于55 dB，夜间噪声小于45 dB，针对特殊区域、场所选用其他类别的声环境功能区。

风机的噪声传播方式[13]如图1所示。本模型在计算风机噪声的传播时提出了几个简化假设：①所有风机都视为一个点声源并在空中的反射可以忽略；②地面以上3～11 m之间的风速大致在1～5 m/s之间；③假设大气条件有利于噪声传播。风机噪声在传播过程中包含以下几种主要的声衰减物理效应[8]：几何发散、大气吸收、地面效应、表面反射、障碍物遮挡。

图1 风机的噪声传播方式

风机的衰减计算公式为

A=Adiv+Aatm+Agr+Abar+Amisc

(1)

式中，A为总衰减项；Adiv为几何发散引起的衰减；Aatm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；Amisc为其他多方面效应引起的衰减。在风机噪声传播过程中主要衰减影响为前3项，本文模型中不考虑Abar与Amisc项的影响。

2 噪声传播计算模型

单台风机噪声传播计算公式分为总声压级法和倍频程法[9]。总声压级法的计算公式为

LAT=LWA+Dc-A

(2)

式中，LWA为机组的总声压级；Dc为指向性修正。各衰减项计算公式为

Adiv=20lgd+11

(3)

(4)

(5)

式中，d为风机点位到接收点的距离；hm为传播路程的平均离地高度。

平均离地高度示意如图2所示，根据地形类型不同，计算方法也不同，具体计算公式为

图2 平均离地高度示意

(6)

式中，F为声源到接收点的等效面积；hr为接收点离地高度；hs为声源离地高度。

倍频程法的计算公式为

(7)

式中，Li(fj)为机组i的倍频带声功率级；Aatm，i(fj)为倍频带大气声衰减，计算公式为

(8)

式中，αf为倍频带中心频率大气衰减系数，不同中心频率对应的大气衰减系数见表2。

表2 大气衰减系数

风电场接收点处噪声声压级为所有机组共同影响的结果，接收点噪声声压级计算公式为

(9)

式中，n为风电机组台数。

为了更直观地观察风机的噪声传播规律，可以画出噪声等值线图。如图3、4分别为单台、多台风机的噪声等值线。图3中等值线中心处为机位点，横纵坐标为不同方向的传播距离。在不考虑风向影响的条件下，噪声的传播从风机处开始向四周传播，呈现为均匀扩散的环状并伴随着距离的增加数值逐渐由55 dB降低至35 dB，说明了噪声随着距离的增加不断衰减。对应前文中1类声环境功能区的45 dB噪声限值，一般风机噪声衰减至45 dB需要600～700 m的距离(不同机型所需衰减距离也不相同)。随着风机数量逐渐增加(见图4)，噪声等值线变为不规则的扩散形状，这是由于区域内各接收点处的噪声是所有风机噪声在传播至该点时噪声数值大小的对数叠加之和，叠加后的噪声值可以利用式(9)计算得到。

图3 单台风机噪声等值线

图4 多台风机噪声等值线

3 发电量计算模型

在风场多台风机、多种机型的组合下有着大量的运行方案，利用软件或者概率论的算法进行发电量计算显然效率不高，而利用基于风频威布尔分布和风机的功率曲线快速计算发电量[14-15]，可以极大提高计算效率，从而耦合噪声标准筛选出全场最大发电量的运行方案。该发电量计算方法的原理为

单台机组年发电量=风频分布×实际功率曲线×8 760 h

(10)

图5为单台风机在实际运行中根据轮毂高度处的测风数据通过威布尔拟合得到的风频分布，图6为该风机的功率曲线。

图5 威布尔分布拟合

图6 功率曲线

将威布尔分布函数f(x)与功率曲线函数P(x)进行积分求和，即可得到单台风机的年发电量

(11)

4 建模思路及案例验证

4.1 建模思路

根据1、2节的风机噪声传播与衰减模型与发电量计算模型，可以建立风电场风机降噪优化控制模型，具体流程如图7所示。

图7 风电场降噪优化流程

该流程的核心为耦合噪声传播模型和风机发电量计算模型，并自动求解满足噪声标准前提下使得全场发电量最大化的各台风机的运行方案。模型输入参数包括地形数据、敏感区/敏感点数据、风机不同转速下的功率曲线、推力系数曲线、噪声曲线。首先确定风电场的地形类型，其次根据噪声曲线选择噪声计算方法，然后根据不同时间段的噪声标准进行风电场噪声计算，选择噪声影响最严重的时刻进行降噪优化。降噪优化分为两步：首先进行常规降噪，在不影响风机功率的前提下加装锯齿尾缘；其次为降功率降噪，即降低风机转速，在牺牲风机一定发电量的情况下有效降低噪声，得到符合噪声标准的风机转速组合后进行风场发电量求解，选取其中发电量最大的转速组合作为最优解，最终得到风电场内不同时间段满足噪声标准的风机实际运行转速及全场不同降噪方法下的噪声等值线。

4.2 实际项目验证

以实际风电场项目为例，对某平原地形下的风电场噪声进行优化模拟分析。项目位于襄州区北部区域，场址海拔在110～140 m之间，海拔高差相对较小，为典型的平原地形。场区内装有6台风力发机，额定转速下机型的总声压级为110.3 dB(A)。风场周围的居民区(敏感区)如图8中S1～S15区域所示，各风机到居民区的距离普遍在400～600 m，运行中产生的噪声问题较为严重，需要进行降噪优化。

图8 平原实际风电场

风场降噪前后结果如图9a、9b、9c所示，观察噪声等值线图中的敏感区是否与45 dB等值线相交可以快速判断该区域是否符合噪声标准。由图9a、9b可以看出，对于未降噪的风场噪声等值线，经过加装锯齿尾缘的常规降噪处理后，相同数值的噪声等值线到风机距离明显缩短，整体噪声等值线呈“收缩”趋势，说明风机传播到相同距离的噪声值变小，部分敏感区已位于45 dB等值线之外，不过仍有部分敏感区超标，证明常规降噪方法具有一定的降噪效果。图9c为降功率降噪后的风场噪声等值线图，从图中可以直观地看出其中4台风机进行了降转速处理，单个点位产生的风机噪声要远小于未降转速风机的噪声，此时所有敏感区都位于45 dB等值线之外，已符合噪声标准。

图9 不同降噪方法的噪声等值线

表3为各敏感区未降噪前、常规降噪后、降功率降噪后的噪声对比。表3中噪声值为模型计算得到的每个敏感区内A加权声压级最大值。从未降噪前可以看出15个敏感区中有8个超过了噪声限值，通过加锯齿尾缘的常规降噪方法使全场噪声降低了2 dB但仍有5个敏感区超标。针对加装锯齿仍无法满足噪声标准的敏感区附近的风机进行降转速降噪，敏感区噪声值显著降低。优化后所有敏感区都符合噪声标准。