風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)降噪控制策略研究

劉宇新，潘航平，姜婷婷，陳銳儼

(1.浙江運(yùn)達(dá)風(fēng)電股份有限公司，浙江 杭州 310012；2.浙江省風(fēng)力發(fā)電技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310012)

0 引 言

2021年全球風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)量達(dá)到837 GW，同比2020年增長(zhǎng)12.80%。據(jù)國(guó)家能源局?jǐn)?shù)據(jù)，2021年我國(guó)風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到328.5 GW，同比前一年增長(zhǎng)16.7%，增速快于全球，風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量占全球39.2%[1]。在國(guó)家宏大的風(fēng)電項(xiàng)目規(guī)劃背景下，繼發(fā)揮三北地區(qū)風(fēng)電大基地項(xiàng)目建設(shè)的同時(shí)，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的中東南部地區(qū)也成為風(fēng)電發(fā)展不可缺少的一環(huán)。隨著風(fēng)能利用的大規(guī)?；惋L(fēng)力機(jī)的大型化發(fā)展，風(fēng)電場(chǎng)越來(lái)越靠近人口密集區(qū)，隨之而來(lái)的是風(fēng)場(chǎng)運(yùn)行的噪聲污染問題[2]。

調(diào)查研究表明，當(dāng)風(fēng)力機(jī)組的噪聲超過人所能接受的范圍時(shí)，會(huì)對(duì)附近居民的身體健康產(chǎn)生一定程度的影響，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)出的噪聲會(huì)刺激人耳的前庭系統(tǒng)，從而引起耳鳴、頭痛、睡眠障礙、惡心和煩躁等癥狀，這種現(xiàn)象被稱之為“風(fēng)電場(chǎng)綜合癥”[3]。人們對(duì)風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的噪聲愈發(fā)敏感，噪聲擾民問題嚴(yán)重，諸多風(fēng)場(chǎng)被責(zé)令整改，甚至停機(jī)、拆機(jī)，嚴(yán)重影響了風(fēng)場(chǎng)正常運(yùn)行，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。目前風(fēng)電場(chǎng)噪聲評(píng)估的方法主要有2種，分別是實(shí)際測(cè)量以及模型預(yù)測(cè)[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(jì)量條件等，例如氣象條件的變化很容易導(dǎo)致噪聲在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)10～20 dB的波動(dòng)，環(huán)境噪聲也給實(shí)際測(cè)量帶來(lái)了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，所以模型預(yù)測(cè)一般是風(fēng)電場(chǎng)噪聲評(píng)估的首選方法[5]。目前國(guó)內(nèi)用于風(fēng)電場(chǎng)噪聲評(píng)估的軟件主要有WindPro、WindFarmer、OpenWind等[6]，這些商業(yè)軟件雖然能夠進(jìn)行風(fēng)電場(chǎng)的噪聲評(píng)估預(yù)測(cè)，但是卻無(wú)法對(duì)降噪方案和降噪方案實(shí)施后發(fā)電量的主動(dòng)尋優(yōu)，導(dǎo)致想要得到符合噪聲標(biāo)準(zhǔn)且風(fēng)能利用率最高的降噪方案需要進(jìn)行反復(fù)迭代，占用大量人力物力。由此可見，提出一種高效可靠的風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)降噪優(yōu)化控制模型是風(fēng)場(chǎng)前期投資建設(shè)、后期有效控制的迫切需求[7]。本文基于ISO 9613聲學(xué)傳播、衰減國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，提出了一種風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)降噪優(yōu)化控制模型[8]，在考慮地形、風(fēng)向、時(shí)間段、風(fēng)機(jī)機(jī)型等多敏感參數(shù)的前提下，結(jié)合風(fēng)機(jī)發(fā)電量最大化的條件，耦合求解風(fēng)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行中各臺(tái)風(fēng)機(jī)所對(duì)應(yīng)的運(yùn)行方案，達(dá)到整體經(jīng)濟(jì)效益最高，從而為風(fēng)電場(chǎng)前期選址評(píng)估和后期運(yùn)行控制提供可靠的解決方案和理論依據(jù)[9]。

1 風(fēng)機(jī)噪聲標(biāo)準(zhǔn)及傳播規(guī)律

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 1084—2008《風(fēng)電場(chǎng)噪聲限值及測(cè)量方法》、GB 3096—2008《聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[10]、GB 12348—2008《工業(yè)企業(yè)廠界環(huán)境噪聲排放標(biāo)準(zhǔn)》[11]規(guī)定了風(fēng)電場(chǎng)在不同情況下對(duì)于噪聲排放限值的標(biāo)準(zhǔn)[12]，共分為6個(gè)類別，如表1所示。

表1 風(fēng)電場(chǎng)噪聲限值 dB

風(fēng)場(chǎng)運(yùn)行期間一般以1類聲環(huán)境功能區(qū)為標(biāo)準(zhǔn)，即白天村莊居民區(qū)處噪聲小于55 dB，夜間噪聲小于45 dB，針對(duì)特殊區(qū)域、場(chǎng)所選用其他類別的聲環(huán)境功能區(qū)。

風(fēng)機(jī)的噪聲傳播方式[13]如圖1所示。本模型在計(jì)算風(fēng)機(jī)噪聲的傳播時(shí)提出了幾個(gè)簡(jiǎn)化假設(shè)：①所有風(fēng)機(jī)都視為一個(gè)點(diǎn)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(fēng)速大致在1～5 m/s之間；③假設(shè)大氣條件有利于噪聲傳播。風(fēng)機(jī)噪聲在傳播過程中包含以下幾種主要的聲衰減物理效應(yīng)[8]：幾何發(fā)散、大氣吸收、地面效應(yīng)、表面反射、障礙物遮擋。

圖1 風(fēng)機(jī)的噪聲傳播方式

風(fēng)機(jī)的衰減計(jì)算公式為

A=Adiv+Aatm+Agr+Abar+Amisc

(1)

式中，A為總衰減項(xiàng)；Adiv為幾何發(fā)散引起的衰減；Aatm為大氣吸收引起的衰減；Agr為地面效應(yīng)引起的衰減；Abar為加屏障引起的衰減；Amisc為其他多方面效應(yīng)引起的衰減。在風(fēng)機(jī)噪聲傳播過程中主要衰減影響為前3項(xiàng)，本文模型中不考慮Abar與Amisc項(xiàng)的影響。

2 噪聲傳播計(jì)算模型

單臺(tái)風(fēng)機(jī)噪聲傳播計(jì)算公式分為總聲壓級(jí)法和倍頻程法[9]?？偮晧杭?jí)法的計(jì)算公式為

LAT=LWA+Dc-A

(2)

式中，LWA為機(jī)組的總聲壓級(jí)；Dc為指向性修正。各衰減項(xiàng)計(jì)算公式為

Adiv=20lgd+11

(3)

(4)

(5)

式中，d為風(fēng)機(jī)點(diǎn)位到接收點(diǎn)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(jù)地形類型不同，計(jì)算方法也不同，具體計(jì)算公式為

圖2 平均離地高度示意

(6)

式中，F(xiàn)為聲源到接收點(diǎn)的等效面積；hr為接收點(diǎn)離地高度；hs為聲源離地高度。

倍頻程法的計(jì)算公式為

(7)

式中，Li(fj)為機(jī)組i的倍頻帶聲功率級(jí)；Aatm，i(fj)為倍頻帶大氣聲衰減，計(jì)算公式為

(8)

式中，αf為倍頻帶中心頻率大氣衰減系數(shù)，不同中心頻率對(duì)應(yīng)的大氣衰減系數(shù)見表2。

表2 大氣衰減系數(shù)

風(fēng)電場(chǎng)接收點(diǎn)處噪聲聲壓級(jí)為所有機(jī)組共同影響的結(jié)果，接收點(diǎn)噪聲聲壓級(jí)計(jì)算公式為

(9)

式中，n為風(fēng)電機(jī)組臺(tái)數(shù)。

為了更直觀地觀察風(fēng)機(jī)的噪聲傳播規(guī)律，可以畫出噪聲等值線圖。如圖3、4分別為單臺(tái)、多臺(tái)風(fēng)機(jī)的噪聲等值線。圖3中等值線中心處為機(jī)位點(diǎn)，橫縱坐標(biāo)為不同方向的傳播距離。在不考慮風(fēng)向影響的條件下，噪聲的傳播從風(fēng)機(jī)處開始向四周傳播，呈現(xiàn)為均勻擴(kuò)散的環(huán)狀并伴隨著距離的增加數(shù)值逐漸由55 dB降低至35 dB，說(shuō)明了噪聲隨著距離的增加不斷衰減。對(duì)應(yīng)前文中1類聲環(huán)境功能區(qū)的45 dB噪聲限值，一般風(fēng)機(jī)噪聲衰減至45 dB需要600～700 m的距離(不同機(jī)型所需衰減距離也不相同)。隨著風(fēng)機(jī)數(shù)量逐漸增加(見圖4)，噪聲等值線變?yōu)椴灰?guī)則的擴(kuò)散形狀，這是由于區(qū)域內(nèi)各接收點(diǎn)處的噪聲是所有風(fēng)機(jī)噪聲在傳播至該點(diǎn)時(shí)噪聲數(shù)值大小的對(duì)數(shù)疊加之和，疊加后的噪聲值可以利用式(9)計(jì)算得到。

圖3 單臺(tái)風(fēng)機(jī)噪聲等值線

圖4 多臺(tái)風(fēng)機(jī)噪聲等值線

3 發(fā)電量計(jì)算模型

在風(fēng)場(chǎng)多臺(tái)風(fēng)機(jī)、多種機(jī)型的組合下有著大量的運(yùn)行方案，利用軟件或者概率論的算法進(jìn)行發(fā)電量計(jì)算顯然效率不高，而利用基于風(fēng)頻威布爾分布和風(fēng)機(jī)的功率曲線快速計(jì)算發(fā)電量[14-15]，可以極大提高計(jì)算效率，從而耦合噪聲標(biāo)準(zhǔn)篩選出全場(chǎng)最大發(fā)電量的運(yùn)行方案。該發(fā)電量計(jì)算方法的原理為

單臺(tái)機(jī)組年發(fā)電量=風(fēng)頻分布×實(shí)際功率曲線×8 760 h

(10)

圖5為單臺(tái)風(fēng)機(jī)在實(shí)際運(yùn)行中根據(jù)輪轂高度處的測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)通過威布爾擬合得到的風(fēng)頻分布，圖6為該風(fēng)機(jī)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(shù)f(x)與功率曲線函數(shù)P(x)進(jìn)行積分求和，即可得到單臺(tái)風(fēng)機(jī)的年發(fā)電量

(11)

4 建模思路及案例驗(yàn)證

4.1 建模思路

根據(jù)1、2節(jié)的風(fēng)機(jī)噪聲傳播與衰減模型與發(fā)電量計(jì)算模型，可以建立風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)降噪優(yōu)化控制模型，具體流程如圖7所示。

圖7 風(fēng)電場(chǎng)降噪優(yōu)化流程

該流程的核心為耦合噪聲傳播模型和風(fēng)機(jī)發(fā)電量計(jì)算模型，并自動(dòng)求解滿足噪聲標(biāo)準(zhǔn)前提下使得全場(chǎng)發(fā)電量最大化的各臺(tái)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行方案。模型輸入?yún)?shù)包括地形數(shù)據(jù)、敏感區(qū)/敏感點(diǎn)數(shù)據(jù)、風(fēng)機(jī)不同轉(zhuǎn)速下的功率曲線、推力系數(shù)曲線、噪聲曲線。首先確定風(fēng)電場(chǎng)的地形類型，其次根據(jù)噪聲曲線選擇噪聲計(jì)算方法，然后根據(jù)不同時(shí)間段的噪聲標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行風(fēng)電場(chǎng)噪聲計(jì)算，選擇噪聲影響最嚴(yán)重的時(shí)刻進(jìn)行降噪優(yōu)化。降噪優(yōu)化分為兩步：首先進(jìn)行常規(guī)降噪，在不影響風(fēng)機(jī)功率的前提下加裝鋸齒尾緣；其次為降功率降噪，即降低風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，在犧牲風(fēng)機(jī)一定發(fā)電量的情況下有效降低噪聲，得到符合噪聲標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速組合后進(jìn)行風(fēng)場(chǎng)發(fā)電量求解，選取其中發(fā)電量最大的轉(zhuǎn)速組合作為最優(yōu)解，最終得到風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)不同時(shí)間段滿足噪聲標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行轉(zhuǎn)速及全場(chǎng)不同降噪方法下的噪聲等值線。

4.2 實(shí)際項(xiàng)目驗(yàn)證

以實(shí)際風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目為例，對(duì)某平原地形下的風(fēng)電場(chǎng)噪聲進(jìn)行優(yōu)化模擬分析。項(xiàng)目位于襄州區(qū)北部區(qū)域，場(chǎng)址海拔在110～140 m之間，海拔高差相對(duì)較小，為典型的平原地形。場(chǎng)區(qū)內(nèi)裝有6臺(tái)風(fēng)力發(fā)機(jī)，額定轉(zhuǎn)速下機(jī)型的總聲壓級(jí)為110.3 dB(A)。風(fēng)場(chǎng)周圍的居民區(qū)(敏感區(qū))如圖8中S1～S15區(qū)域所示，各風(fēng)機(jī)到居民區(qū)的距離普遍在400～600 m，運(yùn)行中產(chǎn)生的噪聲問題較為嚴(yán)重，需要進(jìn)行降噪優(yōu)化。

圖8 平原實(shí)際風(fēng)電場(chǎng)

風(fēng)場(chǎng)降噪前后結(jié)果如圖9a、9b、9c所示，觀察噪聲等值線圖中的敏感區(qū)是否與45 dB等值線相交可以快速判斷該區(qū)域是否符合噪聲標(biāo)準(zhǔn)。由圖9a、9b可以看出，對(duì)于未降噪的風(fēng)場(chǎng)噪聲等值線，經(jīng)過加裝鋸齒尾緣的常規(guī)降噪處理后，相同數(shù)值的噪聲等值線到風(fēng)機(jī)距離明顯縮短，整體噪聲等值線呈“收縮”趨勢(shì)，說(shuō)明風(fēng)機(jī)傳播到相同距離的噪聲值變小，部分敏感區(qū)已位于45 dB等值線之外，不過仍有部分敏感區(qū)超標(biāo)，證明常規(guī)降噪方法具有一定的降噪效果。圖9c為降功率降噪后的風(fēng)場(chǎng)噪聲等值線圖，從圖中可以直觀地看出其中4臺(tái)風(fēng)機(jī)進(jìn)行了降轉(zhuǎn)速處理，單個(gè)點(diǎn)位產(chǎn)生的風(fēng)機(jī)噪聲要遠(yuǎn)小于未降轉(zhuǎn)速風(fēng)機(jī)的噪聲，此時(shí)所有敏感區(qū)都位于45 dB等值線之外，已符合噪聲標(biāo)準(zhǔn)。

圖9 不同降噪方法的噪聲等值線

表3為各敏感區(qū)未降噪前、常規(guī)降噪后、降功率降噪后的噪聲對(duì)比。表3中噪聲值為模型計(jì)算得到的每個(gè)敏感區(qū)內(nèi)A加權(quán)聲壓級(jí)最大值。從未降噪前可以看出15個(gè)敏感區(qū)中有8個(gè)超過了噪聲限值，通過加鋸齒尾緣的常規(guī)降噪方法使全場(chǎng)噪聲降低了2 dB但仍有5個(gè)敏感區(qū)超標(biāo)。針對(duì)加裝鋸齒仍無(wú)法滿足噪聲標(biāo)準(zhǔn)的敏感區(qū)附近的風(fēng)機(jī)進(jìn)行降轉(zhuǎn)速降噪，敏感區(qū)噪聲值顯著降低。優(yōu)化后所有敏感區(qū)都符合噪聲標(biāo)準(zhǔn)。

表3 各敏感區(qū)降噪前后噪聲對(duì)比(夜間) dB(A)

表4為最終降噪方案，根據(jù)模型優(yōu)化得到了各風(fēng)機(jī)在不同時(shí)段的具體運(yùn)行方案。

表4 降噪方案

5 結(jié) 論

基于ISO 9613聲學(xué)傳播及衰減標(biāo)準(zhǔn)，建立了以風(fēng)機(jī)為噪聲源的風(fēng)電場(chǎng)噪聲傳播模型并耦合風(fēng)機(jī)發(fā)電量快速計(jì)算方法，提出了一種風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)降噪優(yōu)化控制模型，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)電場(chǎng)噪聲最優(yōu)控制策略的自動(dòng)化求解。本文研究的主要結(jié)論如下：

(1)模型對(duì)于實(shí)際風(fēng)場(chǎng)噪聲能夠?qū)崿F(xiàn)符合噪聲標(biāo)準(zhǔn)的降噪優(yōu)化，并給出風(fēng)機(jī)在不同時(shí)間段下的具體運(yùn)行控制方案。

(2)風(fēng)機(jī)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(huì)造成一定的發(fā)電量損失，需要在控制降噪的同時(shí)合理地選取風(fēng)機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速，保證項(xiàng)目的投資收益最大化。

(4)白天的噪聲限值較高，需要進(jìn)行風(fēng)機(jī)控制的情況較少，一般更關(guān)注夜間風(fēng)機(jī)的噪聲影響。