风力发电机组噪声测量方法探讨

摘要：近年来，我国对电能的需求不断增加，风力发电厂建设越来越多。目前，风力发电机组已日趋成熟，经历几年的历练，部分风机制造厂正在自己研发设计、自主创新研制风力发电机系统，使结构系统更优化、完善。大型整机厂已不局限于1.5MW机型机组，为符合风场环境已研发出2MW、3MW、5MW、7MW级风力发电机组，关键部件性能也日益提高，主控控制系统的智能控制也加速提高了风电机组的可靠性和寿命。无论在机械结构和电气控制方面都有所完善，为今后的快速发展奠定了稳固的基础。不仅能满足国内市场的需求，而且已经向国际市场供货。在风力发电机组的改进完善过程中，众多难题需要攻克，以使风机运行更稳固，更有优势。文章针对在风力发电机发展过程中产生的噪声影响进行分析，同时列举偏航部位产生的噪音并进行研究、改进，使风力发电机组更加完善，对风机改进有一定的影响作用。

随着人类社会的发展和科技的进步,人们越来越关注噪声给生活带来的影响。在人们周围有多种多样的噪声源:汽车、火车开过的声音,建筑工地的轰鸣声等等。切切实实地解决噪声问题,降低噪声,是提高环境质量的重要方面。风力发电机的噪声问题，到目前为止世界上还未彻底解决,人们正着手研究,但取得的进展有限。由于风力机运行于开放的大气环境中,其工作环境极其恶劣,因此设计中应尽量保证其使用寿命长、结构安全可靠,不但要提高性能,还要尽量减少噪声,从而使其使用更环保、更舒适。为此,本文对风力发电机组整机的噪声进行测试分析与研究,为解决风力机的降噪问题提供依据。

1 风力发电机组噪声来源

风力发电机组运行过程中，受气流影响，在加上转动部件的摩擦，叶片及机组部件会产生较大的噪声，噪声源主要来源于机械及结构噪声，如齿轮啮合的噪声，由于互相摩擦引起振动，产生噪声，叶片旋转时叶尖的气动噪声。机械噪声还包括轴承噪声、电机转动产生电磁振动噪声等。叶片的气动噪声是风力发电机组的主要噪声源，降低气动噪声主要方式有降低转速即降低叶尖线速度，锯齿后缘及柔软后缘等，但降低叶尖线速度会影响风机功率曲线即降低发电能力所以一般不予考虑。其他噪声来源如空气动力噪声，由于此噪声在空气中，随风速增大而增强，因此此噪声不易分离。其余则是一些辅助设备引起的噪声，如散热器、排风扇等。

2 小波分析法故障诊断

当部件预故障或发生故障时，其辐射的噪声品质会发生改变。通过监测和分析对应的噪声特性，就可以检测判断设备的噪声检测尤其是旋转部件的高频噪声检测。该方法对于风力发电机组早期故障的监测效果显著。近年来，小波分析方法发展迅猛，已被应用于故障诊断领域。在工程实践中，设备运行状态复杂多变，致使系统中存在大量的非平稳信号。如风力发电机组在启动和停机时，其转速、功率等都是非平稳的，即使在稳态运行时，若发生摩擦或冲击，发电机转子的阻尼、刚度、弹性力等发生变化，产生的噪声信号也变得非平稳。对于平稳信号进行处理的理想方法是傅里叶分析;而对于非平稳信号，则采用小波分析。风电机组采用小波分析进行故障诊断的过程可分为故障信息采集、故障特征提取和状态识别及故障诊断3个步骤。故障分析诊断的关键是从动态信号中提取故障特征。对于基于噪声检测的故障诊断技术，提取故障特征尤为突出。由于风电机组工作环境的特殊性，风电现场的噪声不仅来源于周围环境噪声，还包含机组正常运行时产生的机械噪声。当机组存在故障隐患或发生故障时，还会混入故障噪声。因此，如何从复杂的强噪声环境中提取有效的故障信息，是进行故障分析诊断的关键。小波分析兼具时域和频域分析能力，并且具有可变的时频分辨率，能够有效地进行故障信号的提取和分析。风机在运转的同时除却叶尖告诉运转带来的气动噪声还会带来由于传动运转速度过高而产生的机舱机械类噪声。机舱机械类噪声属于持续性的低频类型噪音，长期生活在这种低频噪音下的居民，会产生失眠、健忘、耳鸣等不利于身心健康的问题，当与强风相遇时，其所发出的噪音让人无法忍受。

3 偏航噪声分析与解决方法

根据现场实际情况，在风力发电机组机舱偏航时，机舱和塔筒连接部位法兰处安装有刹车阀组。当机舱对风调节时，即偏航状态下，刹车阀组夹住刹车盘会发出声响，由于塔筒形状上端部位相对下端部位细一些，及呈现喇叭形状，使声响加大。因此由刹车盘处产生的声响从塔筒上部传到塔底，相当声响扩大，到塔底则会发出比较大的声音。当牧民放牧时，牛羊遇到此噪音易发生身体方面不适症状，影响生态平衡。偏航产生的噪声来源于偏航装置部位的刹车盘，当刹车阀组刹住刹车盘时产生声响，因此减弱此处声音尤为关键。由于风机偏航现在有4组电机控制偏航或3组电机控制偏航，经过计算3组电机控制偏航可以稳定运行。其中一组电机通过给予反向转动力矩控制偏航刹车。原来偏航通过液压站控制压力给刹车盘刹车偏航。现试验为一液压阻尼，即采用一组电机控制反向力矩进行刹车偏航，使偏航稳定运行。试验所需工具：钳型万用表，二极管（用于测试电流流向），液压油，钳子等。试验注意事项：因为试验主要目的是测得在增加阻尼器及一反向电机前提下加上压力的情况下测试，如果电机耐受程度允许即保持一个相对稳态的值即可使偏航稳定运行，降低噪声。此实验首先需要在组装厂试验完毕，经过加压试验，观察电机电流使不超过额定值情况下在实际去风场测量，更好的保持稳定性，避免后期工作带来其他不利影响。现场测试时需要注意电压、电流是否和组装厂测试时一致，不一致需要根据现场电机参数进行调整。试验过程：检查各部件安装、接线是否正常，二极管尤其注意不要接错。一切准备就绪后开始调试。因偏航分手动和自动偏航，所以需要在这两种情况下分别测试。用钳形万用表掐电机其中一项，分别观察手动和自动偏航时钳型万用表的电流值并记录下调试结果，不要超过偏航电机最大电流。通过检测电流值观察液压偏航阻尼效果。此方法需要根据各风机机型进行，逐渐增加压力并检测电流值，使电流值不过载，达到一个相对稳态的值。另外，叶片的压力主要集中在正对来流风速的叶片前缘。在叶片叶尖前缘处压力大且振动位移较大，因此振动曲线监控采集点选取叶片前缘顶部。当来流风速越大时，由来流风所产生的气动力对叶片的作用力越大，叶片的振幅呈现增大的趋势。

4 叶尖噪声的分析及解决方法

风力发电场的菜单机组在运行中，由于其风轮的高速转动，以及叶尖等在高速运转中会形成声音较大的气动型噪声。风机在运转的同时，除却叶尖高速运转带来的气动噪声，还会带来由于传动运转速度过高而产生的机舱机械类噪声。风机的许多功能是靠叶尖的变换来完成的。叶尖是整体叶片的易损部位，风机运转时，叶尖的抽磨力大于其它部位，整体叶片中，它又是最薄弱的部位。叶尖是由双片合压组成，叶尖的最边缘是由胶衣树脂粘合为一体，叶尖的最边缘近4厘米的材质是实心。目的是增加叶尖的耐磨度和两片之间的亲和力。由于叶尖内空腔面积较小，风沙吹打时没有弹性，所以也是叶片中磨损最快的部位。通过施工标记试验证明，叶尖每年都有0.5厘米左右的缩短磨损。叶片的易开裂周期是风机运转四至五年后，原因就是叶片边缘的固体材料磨损严重，双片组合的叶尖保护能力、固合能力下降，使双片粘合处缝隙暴露于风沙中。解决风机叶片开裂的问题，就是风机运转几年后做一次叶尖的加长、加厚保护。与原有叶片所磨损的重量基本吻合，不会对叶片的配重比产生任何影响，修复后的叶尖至少三年后磨回原有叶面，对阻止叶尖开裂现象的发生起到决定性作用。

5 结束语

综上所述，依照IEC噪声标准，采用多测点布置测量的方法对噪声进行检测，利用小波分析法提取故障信息，可对风电机组的机械故障进行诊断和分析。该方法提高了机组的使用寿命、运行效率和可靠性，降低了运行维护成本，具有较高的实用价值，针对叶尖噪声要控制好来流速度，本文采用小波分析的不足之处在于在风电现场采集噪声信号时，未能有幸捕捉到机组带故障运行的数据，因此在软件仿真分析时采用正弦信号模拟代替真实故障噪声信号。