CN102197218A - 风力发电场噪音排放的控制 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种运行中的风力发电场的噪音排放的控制方法，所述风力发电场包括多个风力涡轮机。所述方法包括如下步骤：给风力发电场噪音排放仿真模块提供至少一个风速和至少一个风向的测量值，所述风力发电场噪音排放仿真模块对于所述多个风力涡轮机中的两个或多个中的每个包括风力涡轮机噪音排放模型，所述风力涡轮机噪音排放模型适于随着至少一个运行特性、所述多个风力涡轮机的每个的地理位置以及至少一个噪音引入点的地理位置的变化而产生所述风力涡轮机的噪音排放的预测；根据所述多个风力涡轮机排放的噪音模拟所述至少一个噪音引入点处的噪音水平；以及根据模拟的结果控制所述风力发电场的运行从而防止在所述至少一个噪音引入点的噪音水平超过预定阀值水平。而且，本发明还涉及风力发电场。

Description

风力发电场噪音排放的控制
技术领域
本发明涉及包括多个风力涡轮机的风力发电场的噪音排放的控制。
背景技术
风力发电场的噪音排放是公知的问题，并且一直是大量工作的主题，既与新风力发电场的筹建又与现有风力发电场的运行相关。
一种在预定排放点(通常在居民区的位置)防止风力发电场的风力涡轮机的排放噪音超过预定水平的解决方案被提供在US6688841中，其中，声音水平在排放点被测量，并且用于控制风力涡轮机的运行，例如通过减小各个风力涡轮机的转速以降低排放点的声音水平。
在关注的实际排放点设置声音水平测量装置可能存在困难，在US2007/031237中公开的一种用于控制风力发电场噪音的方法是通过在风力发电场较近的区域监测风力涡轮机的噪音排放，然后采用噪音排放的传递函数来确定该风力涡轮机在离风力发电场边界较远的区域内的一或多个位置处的噪音影响程度。
本领域另外一种公知的用于控制风力发电场噪音排放的方法包括在建立起风力发电场后的测试期，其中对多个排放点的噪音进行测量并与变化的风速和风向一起记录下来。测量结果被用来形成用于风力发电场控制系统的运行规则的经验数据组，从而防止由风力发电场在排放点发出的噪音超过给定阀值水平。该方法不需要在风力发电场内或者周围设置永久性声音水平测量装置，但是由于典型地通过降低风力涡轮转子的转速来调节该风力发电场的风力涡轮机需要在没有噪音测量值反馈的情况下确保所述噪音阀值不被超过，因此该风力发电场的发电量常常多多少少会被降低。
因此，本发明的目的是提供一种控制风力发电场的噪音排放并且同时使风力发电场的运行在发电方面被优化的方法。
发明内容
本发明提供一种运行中的风力发电场的噪音排放的控制方法，所述风力发电场包括多个风力涡轮机。所述方法包括如下步骤：
给风力发电场噪音排放仿真模块提供至少一个风速和至少一个风向的测量值，所述风力发电场噪音排放仿真模块对于所述多个风力涡轮机中的两个或多个中的每个包括风力涡轮机噪音排放模型，所述风力涡轮机噪音排放模型适于随着至少一个运行特性、所述多个风力涡轮机的每个的地理位置以及至少一个噪音引入点的地理位置的变化而产生所述风力涡轮机的噪音排放的预测；
根据所述多个风力涡轮机排放的噪音模拟所述至少一个噪音引入点处的噪音水平；以及
根据模拟的结果控制所述风力发电场的运行从而防止在所述至少一个噪音引入点的噪音水平超过预定阀值水平。
风力涡轮机噪音排放模型典型地基于所述类型的单个风力涡轮机的噪音排放的大量测量值，使得作为一些变量的精确函数的排放噪音可被提供给风力发电场噪音排放仿真模块。除了风速外，这些变量还可以是风力涡轮机转子转速、叶片桨距角、风的湍流强度以及风速轮廓线，也即是所谓的风切变。风力发电场可以包括不同类型的风力涡轮机，即具有不同转子直径、不同叶片类型等，风力发电场中一般情况下为每种类型的风力涡轮机设置风力涡轮机噪音排放模型。
风力发电场噪音排放仿真模块基本上是一种众所周知的仿真模型，其中单个风力涡轮机被当做噪音源基于风力涡轮机噪音排放模型以及测得的风速和可选的其它变量进行处理，在一或多个排放点处的噪音传播和总噪音水平由公知的原理计算出。
风力发电场噪音排放仿真模块一般被用来估算一或多个排放点的过大噪音，从而改变风力发电场的运行以防止预定阀值水平被超过。此外，在噪音排放可能增大的情况下，风力发电场被相应地控制。但是，该风力发电场噪音排放仿真模块还可以进一步用于预测在控制策略的情况下风力发电场的噪音排放和发电方面的结果，并且该模块可以用来在发电和适当地在噪音排放方面来优化风力发电场的运行。
有必要知晓风力发电场中各个风力涡轮机的位置。至少一个引入点的位置和该引入点处所允许的噪音阀值也是已知的。风力涡轮机噪音排放模型可以预测作为风力涡轮机的运行参数的函数的风力涡轮机噪音。该风力涡轮机噪音排放模型还可以预测作为方向性的函数的风力涡轮机噪音。风力发电场中的所有风力涡轮机的即时运行参数以及各个风力涡轮机的发电和各个风力涡轮机的定向可以是已知的。由于这些知识(在风力发电场的控制算法中)就可以控制风力发电场的噪音并给出最优功率输出，并阻止在至少一个噪音引入点的噪音超过预定阀值。
这样，通过本发明的方法，在不需要在风力发电场中或者周围设置永久性噪音水平测量装置的情况下实现风力发电场的更加优化的运行。
在一个简单的实施例中，由风力涡轮机噪音排放模型根据其产生单个风力涡轮机的噪音排放的运行特性可以是测得的风速。但是，转子的转速对于噪音排放具有更加显著的重要性，其可以优选地被用作运行特性。风力涡轮发电也是排放噪音的指标测量值，其也可替代转速或风速作为运行特性。同样，叶片桨距角特别是与风速一起都是噪音排放的重要指标值，并且也可用作风力涡轮机噪音排放模型的运行特性。但是，将诸如风力涡轮机的叶片桨距角、转速和发电的两个或多个上述提到的测量值用作风力涡轮机噪音排放模型的运行特性，可获得最佳结果。
在一个特别优选的实施例中，风力发电场噪音排放仿真模块包括地理区域的地形影像信息，所述地理区域包括风力发电场和至少一个噪音引入点，例如湖泊或海、森林、山峦和建筑，即，可以影响地面对噪音的阻隔的有关地理特征和地面特性的信息、噪音吸收、湍流和风切变，它们允许噪音传播模型高可靠性地适用。
在本发明的一个方面，测量的风速作为所述运行特性中的一个被所述风力发电场噪音排放仿真模块使用。
风速越高，风造成噪音排放湍流或滞留的几率就越大，因此风速在计算风力涡轮机和风力发电场的理论噪音排放值时是一个重要的参数。
在本发明的一个方面，所述方法还包括如下步骤：将有关风的湍流的测量值提供给风力发电场噪音排放仿真模块。
如果风是湍流态的，风局部造成例如噪音排放滞留的风险就会升高。因此有利的是将关于风的湍流的测量值提供给风力发电场噪音排放仿真模块。风的紊流可以通过对风执行激光多普勒风力测量(LDA)而实现。
在本发明的一个方面，所述方法还包括如下步骤：将测量站处离地面的多个垂直距离处的风速的测量值提供给所述风力发电场噪音排放仿真模块。
如果在不同垂直高度的风速变化非常大，那么造成局部噪音排放湍流或滞留的风险就会升高，因此有利的是建立风速度分布图并由此确定风切变。
在本发明的一个方面，所述风力发电场噪音排放仿真模块包括所述多个风力涡轮机中的至少一些的轮毂在地面上方的高度的信息。
轮毂在地面上方的高度是与风力涡轮机排放的噪音的分布相关的重要因素，因此有利的是让风力发电场噪音排放仿真模块包括关于轮毂高度的信息。
在本发明的一个方面，所述风力发电场噪音排放仿真模块包括优化程序，应用所述优化程序使得根据仿真结果对所述风力发电场的运行的控制被选择以优化所述风力发电场的发电。
与噪音引入点的噪音相关地优化风力涡轮机的输出功率是有利的，因为它确保了风力风力发电场尽可能地有效地发电。
在本发明的一个方面，所述多个风力涡轮机中的至少一些是可变速的风力涡轮机，并且所述风力发电场的运行控制包括如下步骤：减小所述风力发电场的所述可变速风力涡轮机中的至少一些的转速。
转动的转子通常是运行的风力涡轮的总噪音输出的最大影响因素，如果风力涡轮机是可变速风力涡轮机，调节转子转速是控制风力涡轮机的噪音排放的最有效方式。
可选地，以及特别地如果风力涡轮机是恒速风力涡轮机，风力发电场的多个风力涡轮机中的一些的输出功率可能会最多减少到例如是所述风力涡轮机额定功率的50％，或者这些风力涡轮机中的一些可能会被停止运行一段时间。
在本发明的一方面，所述方法还包括如下步骤：将有关空气湿度的测量值提供给风力发电场噪音排放仿真模型。
空气湿度对空气携带噪音的能力具有很大的影响，因此将有关空气湿度的测量值提供给风力发电场噪音排放仿真模块是有利的。
在本发明的一个方面，所述方法还包括如下步骤：将有关降雨的测量值提供给风力发电场噪音排放仿真模型。
如果下雨，风力发电场中的风力涡轮机排放的噪音在到达噪音引入点之前将被一定程度地抑制，因此将有关降雨的测量值提供给风力发电场噪音排放仿真模型以确保更精确的仿真是有利的。
在本发明的一个方面，所述方法还包括如下步骤：对于白天时间以及可选地对一周中的一天预先确定所述至少一个噪音引入点的阀值水平。
局部、国家或其它规则可以规定在白天的特定允许噪音水平，其与夜间的允许噪音水平不同。因此，有利的是与白天相关地预先确定所述至少一个噪音引入点的阀值水平。同样，如果该允许噪音水平在例如周末和平日是不同的，那么有利的是与一周中的一天相关预先确定所述至少一个噪音引入点的阀值水平。
进一步地，本发明涉及一种风力发电场，包括多个风力涡轮机并具有根据如上所述方法控制所述风力发电场的运行的控制装置。
这是有利的，因为它可以与噪音排放和功率输出相关地有效优化风力发电场的运行。
附图说明
将参考下列附图对本发明进行描述：
图1示出了本领域已知的大型现代风力涡轮机；
图2示出了从侧面看的机舱的简化横截面图；
图3示出了输入到风力发电场噪音排放仿真模块以及从其输出的信号的简化实施例；以及
图4以立体图示出了具有风力发电场和噪音引入点的地形。
具体实施方式
图1示出了本领域已知的一种大型现代风力涡轮机1，包括塔架2和位于塔架2顶部的风力涡轮机机舱3。在该实施例中，风力涡轮机转子4包括安装在共用轮毂6上的三个风力涡轮机叶片5，所述轮毂通过从机舱3前部延伸出来的低速轴连接到机舱3。在另外的实施例中，风力涡轮机转子4可以包括其它数目的叶片5，例如1、2、4、5或更多个。
图2示出了现有技术的风力涡轮机1的机舱3的简化的横截面图。机舱3可以有多种变化和结构，但在多数情况下机舱3中的驱动机构几乎总是包括一或多个下列部件：齿轮箱10、联接器(未示出)、某类制动系统11和发电机12。现代风力涡轮机1的机舱3还可以包括转换器13(也称作逆变器)和附加的外接设备，例如另外的功率处理设备、控制柜、液压系统、冷却系统等。
包括机舱部件10、11、12、13的整个机舱3的重量由机舱结构14支撑。部件10、11、12、13通常放置和/或连接到这个共用负载承载机舱结构14上。在该简化的实施例中，负载承载机舱结构14仅仅例如以基架的形式沿着机舱3的底部延伸，一些或所有部件10、11、12、13连接到基架上。在另外实施例中，负载承载机舱结构14可以包括齿轮铃，主轴承通过齿轮铃能将转子4的负载传递到塔架2上，或者负载承载机舱结构14可以包括多个相互连接的部件，例如栅格。
在该实施例中，风力涡轮机转子4的叶片5通过变桨轴承22连接于轮毂6，从而使叶片5能围绕它们的纵向轴转动。
叶片5的桨距角随后例如能被连接到轮毂6和各个叶片5并且用于转动叶片5的线性致动器、步进马达或其它装置(未示出)控制。
本发明的详细描述
图3示出了输入到风力发电场噪音排放仿真模块7以及从其输出的信号的简化实施例。
在本发明的该实施例中，风力发电场噪音排放仿真模块7被提供来自于风力发电场23中的每个风力涡轮机1的关于各个风力涡轮机1处的转子速度、风速和风向的输入。
关于转子速度的信息被用来基于预先确定的风力涡轮机噪音排放模型来计算给定风力涡轮机1排放的噪音。在本发明的另一个实施例中，还可以基于输出功率计算噪音排放，桨距角设定和/或转子速度和/或输出功率可以基于关于风速的局部信息估算。
关于风向和风速的信息主要用来计算从风源到噪音引入点8的排放噪音分布，即在噪音引入点8的噪音水平。
但是，在另一实施例中，从风力发电场23到风力发电场噪音排放仿真模块7的惟一输入15可以是一个或多个包含关于风力涡轮机1的一个或多个运行参数的信息，或者风速和风向例如可以只在中心气象站的一个风力涡轮机1上测量，或者只将来自于代表性的风力涡轮机1或位于风力发电场23中或者其附近的气象站的至少仅仅一些信号提供给风力发电场噪音排放仿真模块7。
在该实施例中，风力发电场23只提供在每个风力涡轮机1处的关于风速和风向的信息，但在另一个实施例中，风力涡轮机1可以进一步提供诸如在给定风力涡轮机1处或气象站处的关于温度、适度、降雨或降雪的局部气象数据，和/或风力涡轮机1可以给风力发电场噪音排放仿真模块7提供诸如转子速度、输出功率、桨距角或其它信息的实际运行数据，或者每个风力涡轮机或其中一些风力涡轮机1可以设置噪音测量装置以提供在给定风力涡轮机1处的实际噪音水平的信息。这些噪音测量装置当然也能够局部或居中地设置在专用的噪音测量地点。
在本发明的另一个实施例中，所述气象数据可以从远程源例如从互联网提供。
在该实施例中，有关风力涡轮机的运行参数、风速和风向的信息被连续地提供，但在另一个实施例中，上述信息可以根据请求或者以给定时间间隔提供。但是，当然重要的是，有关实际运行参数、风速和实际风向的信息被定期地即至少每半个小时提供给风力发电场噪音排放仿真模块7，以确保给定噪音阀值在给定引入点8不会被超过并确保该系统的可靠性和精确度。
风力发电场噪音排放仿真模块7还被提供有关风力发电场23、风力发电场23的周边环境和/或引入点8的周边环境的地形影像18的信息。当发生明显变化时，这些信息可被立刻传输并能够随后例如被更新。
风力发电场噪音排放仿真模块7还被提供有关各个风力涡轮机1或者风力发电场23的某些风力涡轮机的地理位置19的信息，并且还提供有关一个或多个引入点8的地理位置20和在每个引入点8处的阀值水平21的信息。
阀值水平21可以例如取决于白天，也就是说，风力发电场23通常允许在白天比在晚上排放更多噪音，因此能够可以在任意时间提供校正的阀值21，或者风力发电场噪音排放仿真模块7可以被设置有用于确定白天时间的装置，或者有关白天的信息可以被提供给风力发电场噪音排放仿真模块7。同样，如果季节变化影响在给定噪音引入点8处的噪音水平或者影响在引入点8的噪音水平的计算，例如，树木长叶或落叶，那么风力发电场噪音排放仿真模块7还能够设置有用于确定年时间的装置，或者有关年时间的信息可以被提供给风力发电场噪音排放仿真模块7。
风力发电场噪音排放仿真模块7还设置有在风力发电场23中的风力涡轮机1的风力涡轮机噪音排放模型。所有风力涡轮机1的可以采用同样的风力涡轮机噪音排放模型，可以对同一类型或者同一结构(即同样的转子翼展、同样的轮毂高度、同样的驱动机构结构或其它)的所有风力涡轮机采用同样的噪音排放模型，或者可以专门针对各个风力涡轮机1建立模型。通过这种风力涡轮机噪音排放模型，就可以预测/计算例如在给定的输出功率、转子速度、桨距角和/或其它的情况下风力涡轮机1排放的噪音。
基于所有这些信息，风力发电场噪音排放仿真模块7可以连续地、以特定时间间隔或根据请求计算以控制基准信号形式的仿真模块输出16，例如额定功率设定值或额定转子速度设定值并将该信号提供给各个风力涡轮机1或提供给风力发电场23内的一组风力涡轮机1。
仿真模块输出16也可以包括关闭对噪音引入点8具有最大噪音影响的一或多个风力涡轮机的命令，例如以确保风力发电场23中的剩余风力涡轮机1未经调整地正常运行。
例如，如果风力发电场包括一百个风力涡轮机，可能仅仅是靠近给定噪音引入点8处的20个风力涡轮机1显著地影响该噪音引入点8处的噪音水平，因此仅仅这20个风力涡轮机的运行将与给定噪音引入点8相关地被控制。或者风速和/或特别是风向能够决定哪些风力涡轮机应该被控制以在给定的噪音引入点8处维持可接受的噪音水平。
在另一个实施例中，风力发电场23的所有风力涡轮机1能够与在给定噪音引入点8处计算的噪音水平相关地同等被控制。
在另一实施例中，风力发电场23的所有风力涡轮机1能够与一个或多个噪音引入点8中的每个相关地分别地完全被控制。
图4以透视图示出了具有风力发电场23和噪音引入点8的地形。
在本发明的该实施例中，包括多个单独的风力涡轮机1的风力发电场23位于与山脉24、森林25和海洋26相邻的景观中。呈住房形式的噪音引入点8与风力发电场23相关地位于湖泊27的对面。
当风力涡轮机1运行时，风力发电场23的各个风力涡轮机1产生噪音，也即是说，当风力涡轮机1输出电力到电网时，通常当地或国家法律或制度规定在给定引入点8的允许噪音水平。其中，在给定引入点8所受噪音水平受风力发电场23之中或环绕风力发电场23的地形影像影响，特别受到风力发电场23与噪音引入点8之间地形影像影响，并且给定地形影像的影响随着风速并且特别是随着风向而变化。
来自风力涡轮机1的噪音分布可能还或多或少受到例如空气温度、空气湿度或其它的气象条件的影响。例如，如果空气温度低于0度时，那么湖泊27结冰的可能性增大，这将影响风力发电场23和噪音引入点8之间的噪音分布。同样，如果地面被雪覆盖或者有降雨，噪音分布都会受到影响。
本发明参考风力发电场23、风力发电场噪音排放仿真模块7等的具体实例进行了举例。但是，应该理解，本发明不局限于上述具体实例，而可以在权利要求限定的本发明范围内以多种变化方式被设计或改进。
列表
1.风力涡轮机
2.塔架
3.机舱
4.转子
5.叶片
6.轮毂
7.风力发电场噪音排放仿真模块
8.噪音引入点
9.测量站
10.齿轮箱
11.制动系统
12.发电机
13.转换器
14.机舱结构
15.仿真模块输入
16.仿真模块输出
17.其它气象数据
18.地形影像信息
19.风力涡轮机的地理位置
20.引入点的地理位置
21.阀值水平
22.变桨轴承
23.风力发电场
24.山脉
25.森林
26.海洋
27.湖泊

Claims (15)

1.一种运行中的风力发电场的噪音排放的控制方法，所述风力发电场包括多个风力涡轮机，所述方法包括如下步骤：
给风力发电场噪音排放仿真模块提供至少一个风速和至少一个风向的测量值，所述风力发电场噪音排放仿真模块对于所述多个风力涡轮机中的两个或多个中的每个包括风力涡轮机噪音排放模型，所述风力涡轮机噪音排放模型适于随着至少一个运行特性、所述多个风力涡轮机的每个的地理位置以及至少一个噪音引入点的地理位置的变化而产生所述风力涡轮机的噪音排放的预测；
根据所述多个风力涡轮机排放的噪音模拟所述至少一个噪音引入点处的噪音水平；以及
根据模拟的结果控制所述风力发电场的运行从而防止在所述至少一个噪音引入点的噪音水平超过预定阀值水平。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述风力发电场噪音排放仿真模块包括地理区域的地形影像信息，所述地理区域包括所述风力发电场和所述至少一个噪音引入点。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述多个风力涡轮机中的至少一些是可变速风力涡轮机，并且所述方法还包括如下步骤：将这些风力涡轮机的转子速度的测量值作为所述运行特性中的一个提供给所述风力发电场噪音排放仿真模块。
4.如上述权利要求中的任一所述的方法，其特征在于，所述多个风力涡轮机中的至少一些包括用于改变叶片桨距角的装置，并且所述方法还包括如下步骤：将这些风力涡轮机的叶片桨距角的测量值作为所述运行特性中的一个提供给所述风力发电场噪音排放仿真模块。
5.如上述权利要求中的任一所述的方法，其特征在于，还包括如下步骤：将所述多个风力涡轮机中的至少一些的功率输出的测量值作为所述运行特性中的一个提供给所述风力发电场噪音排放仿真模块。
6.如上述权利要求中的任一所述的方法，其特征在于，测量的风速作为所述运行特性中的一个被所述风力发电场噪音排放仿真模块使用。
7.如上述权利要求中的任一所述的方法，其特征在于，还包括如下步骤：将有关风的湍流的测量值提供给所述风力发电场噪音排放仿真模块。
8.如上述权利要求中的任一所述的方法，其特征在于，还包括如下步骤：将测量站处离地面的多个垂直距离处的风速的测量值提供给所述风力发电场噪音排放仿真模块。
9.如上述权利要求中的任一所述的方法，其特征在于，所述风力发电场噪音排放仿真模块包括所述多个风力涡轮机中的至少一些的轮毂在地面上方的高度的信息。
10.如上述权利要求中的任一所述的方法，其特征在于，所述风力发电场噪音排放仿真模块包括优化程序，应用所述优化程序使得根据仿真结果对所述风力发电场的运行的控制被选择以优化所述风力发电场的发电。
11.如上述权利要求中的任一所述的方法，其特征在于，所述多个风力涡轮机中的至少一些是可变速的风力涡轮机，并且所述风力发电场的运行控制包括如下步骤：减小所述风力发电场的所述可变速风力涡轮机中的至少一些的转速。
12.如上述权利要求中的任一所述的方法，其特征在于，还包括如下步骤：将有关空气湿度的测量值提供给所述风力发电场噪音排放仿真模块。
13.如上述权利要求中的任一所述的方法，其特征在于，还包括如下步骤：将有关降雨的测量值提供给所述风力发电场噪音排放仿真模块。
14.如上述权利要求中的任一所述的方法，其特征在于，还包括如下步骤：对于白天时间以及可选地对一周中的一天预先确定所述至少一个噪音引入点的阀值水平。
15.一种风力发电场，包括多个风力涡轮机并具有根据如权利要求1-14中任一所述方法控制所述风力发电场的运行的控制装置。
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