CN103797244A - 用于风力涡轮机的声噪声监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于风力涡轮机的声噪声监测系统，其包括：用于监测声噪声的麦克风，该麦克风适合于安装到风力涡轮机舱的外部；输入端，所述输入端适合于从风力涡轮机接收运行状况数据；处理器，所述处理器适合于从麦克风和输入端接收数据；以及存储器，其适合于存储声噪声数据和运行状况数据。处理器适合于将传递函数应用于所述声噪声数据以使所述数据与在离风力涡轮机的远程位置处测量的一组声噪声数据相关。该系统包括控制器，该控制器适合于产生用于输出到风力涡轮机控制器的控制信号，用于根据所述相关的数据来调节风力涡轮机的运行参数。
Description
技术领域
本发明涉及用于监测风力涡轮机所产生的声噪声的系统。本发明还涉及用于监测声噪声并根据所监测的声噪声来控制风力涡轮机的系统。此外，本发明涉及监测风力涡轮机所产生的声噪声的方法。
背景技术
已知风力涡轮机在运行期间产生声噪声，以及所产生的噪声需要在某个限度（例如由当地法规设置的那些限度）之下。目前，根据国际标准（优选地IEC（国际电工委员会）61400-11）测量由风力涡轮机产生的声噪声。所述标准要求由在离风力涡轮机一定距离处的地平面麦克风进行声噪声测量。根据所述标准在几个小时的时间标度上进行声噪声测量。这在试图设计风力涡轮机和在运行期间控制风力涡轮机时都具有限制。
因此，我们认识到，存在对使得风力涡轮机所产生的声噪声能够以使能风力涡轮机的改进的设计和运行的方式来测量的系统的需要。
发明内容
在应参考的独立权利要求中定义了本发明。在应参考的从属权利要求中阐述了有利的特征。
根据本发明的第一优选方面，提供了用于风力涡轮机的声噪声监测系统，其包括：用于监测声噪声的至少一个麦克风，所述麦克风或每个麦克风适合于被安装到风力涡轮机舱的外部；输入端，所述输入端适合于从风力涡轮机接收运行状况数据；处理器，所述处理器适合于从至少一个麦克风和输入端接收数据；以及存储器，其适合于存储声噪声数据和运行状况数据。处理器适合于将传递函数应用于所述声噪声数据以使所述数据与在离风力涡轮机的远程位置处测量的一组声噪声数据相关。提供这样的系统可允许与噪声生成有关的对风力涡轮机性能的连续监测，这可允许在规定的噪声限度内的性能的优化。此外，系统可在风力涡轮机的开发期间被使用以帮助减少所产生的声噪声。
传递函数意味着用于调节所测量的声噪声数据使得它可比得上在远程位置（例如在风力涡轮机后面的地面上）处进行的声噪声测量的算法。
优选地，该系统适合于连续地监测声噪声。通过连续地监测声噪声水平可使风力涡轮机的功率输出能够在声噪声限度内增大。
可替代地，该系统可适合于每隔一段时间监测声噪声。因此，可降低存储要求。
该系统可适合于监测声噪声的总声压水平，且优选地，将声压水平传递函数应用于总声压水平数据。以这种方式，可提高在所测量的声噪声的声压水平和远程测量的声噪声的声压水平之间的相关性。
该系统还可适合于监测声噪声的音调，且优选地，将音调传递函数应用于音调数据。类似地，可提高在所测量的声噪声的音调和远程测量的声噪声的音调之间的相关性。
该系统还可适合于监测声噪声的三分之一倍频带，且优选地，将三分之一倍频带传递函数应用于三分之一倍频带数据。再次，类似地，可提高在所测量的声噪声的三分之一倍频带和远程测量的声噪声数据的三分之一倍频带之间的相关性。
优选地，按照标准来测量在远程位置处测量的这组声噪声。更优选地，该标准是IEC61400-11。
系统优选地具有在至少频率范围20Hz到11200Hz上的实质上恒定的频率响应。因此，可做出更准确的测量。
优选地，该至少一个麦克风被定位成减少来自舱内的部件的噪声。麦克风的位置优选地朝着舱的后部（即，离转子最远处）和在底部上。可替代地，麦克风被定位于舱的顶部上或舱的侧面上或舱的背面上。麦克风可以可替代地被定位成朝着舱的前部或在沿着舱的长度的任何其它适当的位置上。
优选地，麦克风包括风屏。因此，可减小风噪声的影响。
该系统还可包括用于使该至少一个麦克风适应于本地空气流的安装装置。通过安装麦克风使得它自适应于本地空气流，可减小风噪声的影响。优选地，安装装置包括平衡环机构（gimbal arrangement），其中平衡环机构给所安装的麦克风提供至少两个自由度。这两个自由度优选地是俯仰和偏航。术语“俯仰”意味着麦克风的纵轴绕着麦克风的横轴的运动。术语“偏航”意味着麦克风的纵轴绕着垂直轴的运动。
为了使安装装置将麦克风自适应于本地空气流，平衡环机构优选地包括耦合到麦克风的多个翼片（fin）。
运行状况数据和声噪声数据的测量优选地是同步的。通过这些组数据的同步测量，可得到对噪声生成的影响因素的改进的理解。
所接收的运行状况可包括气象数据和风力涡轮机性能数据。优选地，气象数据包括以下中的至少一个：大气压力；风速；风向；空气温度和湿度。优选地，风力涡轮机性能数据包括以下中的至少一个：负荷；功率输出；发电机电流；俯仰；偏航；偏航误差；rpm；扭矩和运行温度。
该系统还可包括控制器，所述控制器适合于接收所述相关数据；并且该系统还可包括与所述控制器和风力涡轮机控制器通信的输入端。控制器适合于产生用于输出到风力涡轮机控制器的控制信号，用于根据所述相关数据来调节风力涡轮机的运行参数。通过提供可实时监测风力涡轮机所产生的声噪声的系统并接着利用该数据来控制风力涡轮机的运行参数，风力涡轮机的总功率输出可增加。总功率输出可增加，这是因为风力涡轮机可以比标准风力涡轮机在更多的时间内处于运行中。可替代地或此外，风力涡轮机可以在更高的rpm下或在被已知产生较少的噪声的模式中运行。控制风力涡轮机的噪声生成的传统方法是在噪声生成被预期为高的时期期间关闭风力涡轮机，但连续地且实时地测量噪声生成允许风力涡轮机只在所产生的噪声实际上超过例如法规所设置的阈值的时期期间被关闭，或被减少功率输出。
优选地，声噪声数据被存储在所述存储装置内一段足够的时间以使得数据能够被检验并且控制信号能够被产生。更优选地，在控制信号产生之后，删除声噪声数据或由新的声噪声数据重写声噪声数据。因此，可降低存储要求。
优选地，控制器适合于调节下列运行参数中的至少一个：负荷、俯仰、rpm和功率输出。更优选地，控制器适合于调节负荷和功率输出中的至少一个以减少由正被测量的风力涡轮机产生的声噪声。更优选地，控制器适合于如果声噪声升高到阈值之上或如果声噪声的音调上升到阈值之上则关闭风力涡轮机。
根据本发明的另一方面，提供了包括如本文所述的声噪声监测系统的风力涡轮机。麦克风被安装到风力涡轮机舱的外部。
本发明扩展到实质上如在本文参考附图描述的装置和/或方法。
在本发明的一个方面中的任何特征可以以任何适当的组合应用于本发明的其它方面。特别是，方法方面可应用于装置方面，反之亦然。此外，在一个方面中的任何、一些和/或所有特征可以以任何适当的组合应用于在任何其它方面中的任何、一些和/或所有特征。
还应认识到，在本发明的任何方面中描述和定义的各种特征的特定组合可被独立地实施和/或提供和/或使用。
附图说明
现在通过例子的方式并参考附图来描述本发明的优选实施例，在附图中：
图1示出已知的风力涡轮机；
图2示出在风力涡轮机现场的声噪声监测系统；
图3示出在声噪声监测系统内的控制器的示意图；以及
图4示出用于在声噪声监测系统中使用的麦克风的安装系统。
具体实施方式
图1示出包括风力涡轮机塔2的风力涡轮机1，风力涡轮机舱3安装在风力涡轮机塔2上。包括至少一个风力涡轮机叶片5的风力涡轮机转子4安装在轮毂6上。轮毂6通过从舱前部延伸的低速轴（未示出）连接到舱3。图1所示的风力涡轮机可以是旨在用于家用或照明公用事业用途的小型号，或可以是所使用的大型号，例如适合于用在例如风电场上的大规模发电中的大型号。在后一种情况中，转子的直径可以大至100米或更大。
图2示出在风力涡轮机（例如图1所示的风力涡轮机）现场的声噪声监测系统。如可看到的，声噪声监测系统包括麦克风200、控制器202（除了其它部件以外还包括处理器）、一组气象传感器204和一组风力涡轮机运行状况传感器206。系统可安置在风力涡轮机舱内。然而，如可看到的，麦克风200被定位于舱的外部上，且特别是在底部上并朝着舱的后部。当然，可设想麦克风的其它适当的位置，且除了其它因素以外，克风的其它适当的位置还取决于风力涡轮机舱的设计。麦克风的位置使得由风力涡轮机的部件产生的外部噪声的影响被最小化。可替代地，该系统可包括多个麦克风，且这可以使更准确的测量能够被进行，因为由风力涡轮机部件产生的噪声的影响可进一步减小。例如，该系统可包括两个麦克风，一个被定位于舱的每个下后角上。
这组气象传感器204包括用于测量风速的风速计、用于测量风向的风向标、用于测量空气温度的温度计（例如热电偶设备）和用于测量大气压力的气压计。
这组运行状况传感器206包括用于测量风力涡轮机上的负荷的负荷计、用于测量风力涡轮机的功率输出的功率输出计、用于测量风力涡轮机部件的温度的各种温度计（例如热电偶设备或光纤传感器）和用于测量风力涡轮机部件的应变的各种应变计（例如应变片或光纤传感器）。可根据需要并入另外的传感器，例如俯仰传感器、偏航传感器、转子传感器的rpm、扭矩传感器和涡轮发电机电流传感器。
图2还示出被定位于地面上并在风力涡轮机后面的麦克风208。麦克风208的位置是在IEC61400-11标准中规定的位置。麦克风用于根据IEC61400-11标准来测量声噪声，IEC61400-11标准目的在于确保在风力涡轮机发电机系统的声发射的测量和分析中的一致性和准确性。然而，地平面麦克风208不适合于提供实时连续测量，且因此关于优化风力涡轮机的声噪声生成方面具有很少的益处。
IEC61400-11:2002“Wind turbine generator systems-Part11:Acousticnoise measurement techniques”特此通过引用被并入，但现在将提供所进行的测量的简要概述。
进行三个主要测量，其为：等效连续A加权声压水平；三分之一倍频带频谱；以及窄带频谱（音调）。在风速的范围内进行每个测量。
等效连续A加权声压水平使用A频率加权曲线（其基于等响线equalloudness contour）来对所测量的声噪声进行加权。这提供表观的声功率水平的指示。
以在50Hz到10kHz的范围内的中心频率来进行三分之一倍频带频谱测量。针对背景声噪声来校正等效连续A加权声压水平和三分之一倍频带频谱。当风力涡轮不在运行中时进行背景测量。
进行窄带频谱测量以提供风力涡轮机所产生的声噪声的音调的度量。音调是音调分量在复信号的频谱中的比例的度量。实际上，这涉及确定频谱中的局部最大值以确定人可听得见的音调。
额外的测量可根据IEC61400-11标准来进行，并可因此由当前的声噪声监测系统进行。那些测量是次声（即，具有小于人听力的正常限度（20Hz）的频率但具有足够高的声压水平以使人感知到该声音的声音）、低频噪声（即，具有小于大约200Hz的频率的声音）和冲动性（即，声噪声中的周期性波动的度量，特别是与具有高压力水平的声音有关的声噪声中的周期性波动的度量）。
被定位于风力涡轮机舱上的麦克风200具有与被定位于地面上的麦克风208类似的规范。在IEC61400-11中提供麦克风的规范。麦克风和记录仪器的另外的规范可在IEC60804、IEC61260和IEC60651（type1instrumentation）中找到，所有三个文档都特此通过引用被并入。然而，简言之，麦克风200能够在频率范围20Hz到11200Hz上操作，并具有在频率范围45Hz到11200Hz上的恒定的频率响应（优选地，恒定的频率响应在20Hz到11200Hz的整个操作范围上）。麦克风的直径不大于13mm。此外，将罩设置在麦克风上以减小风噪声对声噪声测量的影响。该罩可以是开孔泡沫球体（open cell foam sphere）。可替代地，在麦克风安装在平衡环机构内的情况下，如下面描述的，该罩可以在形状上是圆锥形的。
也可在风速是可忽略的时候进行声噪声测量，且风力涡轮机不在运行中，使得背景噪声可被确定。可接着酌情从声噪声测量中减去背景噪声。
图3示出在声噪声监测系统内的控制器202的示意图。控制器包括适合于放大从麦克风200接收的信号的麦克风放大器300。放大器将放大的信号馈送到存储器302中，在存储器302中存储所测量的声噪声。此外，气象传感器204和运行状况传感器206向存储器提供信号，且那些传感器信号与声噪声测量是时间同步的并被存储用于以后的检索。频谱分析器304与存储器302通信并接收所测量的声噪声。频谱分析器适合于执行对信号的频谱分析并将信号分解成其各个频率分量。
计算单元306与频谱分析器306通信，并适合于计算如上所述的各种测量。那些测量是等效连续A加权声压水平、三分之一倍频带频谱和窄带频谱（音调）。
经处理的声噪声数据接着被存储在存储器中，并可在必要时经由输出端308输出到外部源。例如，可执行到远程存储器的规则上传。该上传可以经由无线网络或通过有线数据连接。
为了使通过舱上的麦克风进行的测量与根据IEC61400-11标准进行的测量是可比较的，必须将传递函数应用于该数据，以便使这两组声噪声数据相关。这使在风力涡轮机舱处进行的测量能够被转换，使得它们等效于根据IEC61400-11标准在地面上进行的测量。
通过在预定义的风速下在地面位置处和使用安装在舱上的麦克风两种情况下进行一系列测量来制定传递函数。然后将测量结果绘制出以确定这两个系列的测量结果之间的关系，且将曲线拟合到绘制出的数据。然后将与该曲线相关联的函数用作传递函数。预计的是，在这两组测量结果之间的传递函数将是线性的，以及偏移将在12dB到15dB之间的范围内，即，在舱上做出的测量结果将比在地平面处做出的等效测量结果更高12dB到15dB之间。
针对所进行的每种类型的测量来制定传递函数，且因此针对等效连续A加权声压水平、三分之一倍频带频谱和窄带频谱（音调）来提供传递函数。针对每种类型的测量提供传递函数增加了舱麦克风测量的准确度。
在风力涡轮机的设计的优化中利用由舱麦克风记录的连续声噪声测量结果。可进行对由原型风力涡轮机产生的声噪声的测量，且可调节转子的设计和其它影响因素以增加功率输出和负荷，同时保持在法规的噪声限度内。此外，一旦原型被最后确定，运行包络就可被确定，由此在该包络内，所产生的噪声在可接受的限度内。这使风力涡轮机能够在使用中被控制以最大化风力涡轮机所产生的功率，同时保持在噪声限度内。
在利用声噪声监测系统来控制风力涡轮机的情况下，该系统如上所述运行。然而，计算单元适合于计算所产生的噪声是否正接近合法的噪声限度，例如由于风速或风向的改变所致。如上所述的运行包络被存储在存储器302内。计算单元计算确保噪声限度不超过限度所需的运行参数中的变化，并经由输出端308将控制信号输出到风力涡轮机控制器。输出的信号例如减小风力涡轮机的功率输出并且因而减小所产生的噪声，直到适当噪声输出被达到。这可能需要风力涡轮机被完全关闭。在这种情况下，声噪声数据可能不再被存储得比计算控制信号所需的时间更长。
最后，计算单元可在确定控制信号是否需要被发送到风力涡轮机以减少所产生的噪声时考虑气象数据。例如，当风在某个方向上时，所产生的噪声可能需要被限制，因为风力涡轮机可能在住宅等的上游，在住宅处中噪声可能具有较大的影响。
图4示出用于在声噪声监测系统中使用的麦克风的安装系统。该安装系统包括如图4（a）所示的第一零件，该第一零件接纳麦克风200并允许麦克风连接电缆400从支架的后部离开。如上所述，麦克风设置有圆锥形风罩402。整个风罩可由开孔泡沫制成，或可替代地只有风罩的一部分由泡沫制成。在这个可替代方案中，与麦克风相邻的圆柱形节段由泡沫制成，且风罩的其余部分由耐久性塑料制成。
麦克风200被保持在支架404和406的两个半部分之间。为了防止麦克风接收额外的振动并为了弹性地保持麦克风，支架部件404和406的内部镶有橡胶板材等。每个支架部件404和406具有翼片408。翼片被设置成在安装到风力涡轮机舱时使麦克风与本地空气流对准。支架部件404和406每个还具有安装销410。安装销位于麦克风安装单元的重心处（当麦克风被安装时）。
如图4（b）所示，安装销410与孔412啮合，并使麦克风的俯仰能够根据本地空气流而变化。转环销（swivel pin）414使麦克风的偏航能够根据本地空气流而变化。最后，经由转环销414耦合到麦克风支架的安装托架416允许整个平衡环机构被安装到舱的外部。
平衡环机构和风罩的组合减小了风噪声对声噪声测量的影响。平衡环机构使麦克风与空气流对准并减小可能否则由例如从麦克风支架流出的漩涡（如果麦克风没有与空气流对准的话）产生的噪声的影响。这个机构还允许更一致的测量，且因此传递函数更准确。
虽然在单独的硬件部件方面描述了控制器，但是这仅仅以清楚的方式示出控制器的功能。可能实际上提供硬件部件作为软件或硬件或作为单个部件或组合部件的任何组合。
纯粹为了说明起见，参考示例性实施方式描述了本发明。本发明不应被这些示例性实施方式限制，因为技术人员将想到很多修改和变化。应从接下来的权利要求理解本发明。
可独立地或以任何适当的组合来提供在说明书和（在适当的情况下）权利要求及附图中公开的每个特征。
Claims (28)
1.一种用于风力涡轮机的声噪声监测系统，包括：
至少一个麦克风，其用于监测声噪声，所述麦克风或每个麦克风适合于被安装到风力涡轮机舱的外部；
输入端，所述输入端适合于从风力涡轮机接收运行状况数据；
处理器，所述处理器适合于从所述至少一个麦克风和所述输入端接收数据；以及
存储器，其适合于存储所述声噪声数据和所述运行状况数据；
其中，所述处理器适合于将传递函数应用于所述声噪声数据以使所述数据与在离所述风力涡轮机的远程位置处测量的一组声噪声数据相关。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述系统适合于连续监测所述声噪声。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述系统适合于每隔一段时间监测所述声噪声。
4.根据权利要求1、2或3中的任一项所述的系统，其中，所述系统适合于监测所述声噪声的总声压水平。
5.根据权利要求4所述的系统，其中，将声压水平传递函数应用于总声压水平数据。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其中，所述系统适合于监测所述声噪声的音调。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，将音调传递函数应用于音调数据。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其中，所述系统适合于监测所述声噪声的三分之一倍频带。
9.根据权利要求8所述的系统，其中，将三分之一倍频带传递函数应用于三分之一倍频带数据。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其中，按照标准来测量在远程位置处测量的所述一组声噪声数据。
11.根据权利要求10所述的系统，其中，所述标准是IEC61400-11。
12.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其中，所述系统至少在频率范围20Hz到11200Hz上具有实质上恒定的频率响应。
13.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其中，所述至少一个麦克风被定位成减少来自所述舱内的部件的噪声。
14.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其中，所述麦克风包括风屏。
15.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，还包括用于使所述至少一个麦克风适应于本地空气流的安装装置。
16.根据权利要求15所述的系统，其中，所述安装装置包括平衡环机构，其中，所述平衡环机构给所安装的麦克风提供至少两个自由度。
17.根据权利要求15或16所述的系统，其中，所述平衡环机构包括耦合到所述麦克风的多个翼片以使所述麦克风适应于所述本地空气流。
18.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其中，所接收的运行状况包括气象数据和风力涡轮机性能数据。
19.根据权利要求18所述的系统，其中，所述气象数据包括以下中的至少一个：大气压力；风速；风向；空气温度；和湿度。
20.根据权利要求18或19所述的系统，其中，所述风力涡轮机性能数据包括以下中的至少一个：负荷；功率输出；发电机电流；俯仰；偏航；偏航误差；rpm；扭矩和运行温度。
21.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，还包括：
控制器，所述控制器适合于接收所述相关的数据；以及
输出端，其与所述控制器和风力涡轮机控制器通信；
其中，所述控制器适合于产生用于输出到所述风力涡轮机的控制器的控制信号，用于根据所述相关的数据来调节所述风力涡轮机的运行参数。
22.根据权利要求21所述的系统，其中，所述控制器适合于调节下列运行参数中的至少一个：负荷；俯仰；rpm和功率输出。
23.根据权利要求22所述的系统，其中，所述控制器适合于调节所述负荷、所述俯仰、所述rpm和所述功率输出中的至少一个以减少所述声噪声。
24.根据权利要求21、22或23所述的系统，其中，所述控制器适合于在所述声噪声升高到阈值之上的情况下关闭所述风力涡轮机。
25.根据权利要求21到24中的任一项所述的系统，其中，所述控制器适合于在所述声噪声的音调升高到阈值之上的情况下关闭所述风力涡轮机。
26.一种包括根据前述权利要求中的任一项所述的声噪声监测系统的风力涡轮机，其中，所述麦克风或每个麦克风被安装到所述风力涡轮机舱的外部。
27.一种实质上如参考附图在本文描述的系统。
28.一种实质上如参考附图在本文描述的方法。
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