CN109599088A - 一种换流站滤波电容器电磁力噪声的声学建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种换流站滤波电容器电磁力噪声的声学建模方法，包括：在待建模滤波电容器上设置多个测点，测量每个测点的声压；利用加权迭代的方法求解获得等效源的强度参数，并建立待建模滤波电容器的等效源声学模型；进行声场重建，完成声学建模。本发明的声学建模方法基于等效源方法对滤波电容器进行声学建模，不仅能准确描述滤波电容器的声场特性，而且可降低所需的计算资源，提高计算效率，可应用于广域问题。

Description

一种换流站滤波电容器电磁力噪声的声学建模方法

技术领域

本发明属于高电压直流输电技术领域，具体涉及一种换流站滤波电容器电磁力噪声的声学建模方法。

背景技术

为适应国内经济的快速发展，缓解我国电力能源供需矛盾，高压直流输电技术不断在输电容量和电压等级上取得重大突破。在高压直流输电工程大规模建设的同时，换流站设备噪声问题也日益凸显，这对换流站周边居民和生态环境造成了极其不利的影响。装设在换流站中的滤波及并联电容器装置台数众多，单台容量大，并且电容器自身的振动和噪声对流过的谐波电流十分敏感，少量谐波就可以引起巨大的振动噪声，是换流站的主要噪声来源之一。

关于换流站滤波电容的可听噪声及声学建模方法，国内外学者进行了许多相关方面的研究。关于电容器可听噪声，目前最广泛使用的建模方法仍然是传统的FEM和BEM等，这些方法虽然精度较高，但算法比较复杂，效率低下，并在广域问题上无能为力，亟需一种新型的声学建模方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种换流站滤波电容器电磁力噪声的声学建模方法，以解决上述存在的技术问题。本发明的声学建模方法基于等效源方法(Equivalent SourceMethod，ESM)对滤波电容器进行声学建模，不仅能准确描述滤波电容器的声场特性，而且可降低所需的计算资源，提高计算效率，可应用于广域问题。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种换流站滤波电容器电磁力噪声的声学建模方法，包括以下步骤：

步骤1，在待建模滤波电容器上设置多个测点，测量每个测点的声压；

步骤2，根据步骤1测量获取的声压数据，利用加权迭代的方法求解获得等效源的强度参数，并建立待建模滤波电容器的等效源声学模型；

步骤3，对步骤2建立的等效源声学模型进行声场重建，完成声学建模。

进一步的，步骤1中，在半消声室测量获取待建模滤波电容器的各个测点的声压。

进一步的，步骤1具体为，建立待建模滤波电容器的缩比样品，缩比样品与实际运行中的待建模滤波电容器仅在尺寸和容量上不同，在缩比样品上设置多个测点，测量每个测点的声压。

进一步的，步骤2具体包括：

预设初始参数包括：等效源分布在缩比样品的各个表面上，等效源数量N以及测点数量M；

在M个测点上所对应的声压值表示为：

p＝Gq (1)

式(1)中，p为M个测点位置所测得声压值组成的列向量，q为N个等效源强度组成的列向量，G为测点与等效源之间的传递函数，第m个测点与第n个等效源之间的传递函数记作g(m,n)，

g(m,n)＝iρckg(r_m,r_n) (2)

式(2)中：

ρ——空气密度，通常取标况下1.29Kg/m³，

c——空气声速，通常取340m/s，

k——波数，

g(r_m,r_n)——格林函数，其完整表达式为：

式(3)中，r_m表示第m个测点的位置向量，r_n表示第n个等效源的位置向量；获得q的不唯一解；对q的解的范围进行限制，获得满足预设收敛条件的解q。

进一步的，步骤2中对q的解的范围进行限制的方法为：采用Tikhonov正则化方法，最小化函数(4)获得满足预设收敛条件的解q；

函数(4)的表达式为：

式(4)中：λ表示正则化参数。

进一步的，步骤2中，λ通过GCV方法求得，求解公式为：

式(5)中，Tr——矩阵的迹，C＝G(G^HG+λI_n)^-1G^H，I_m——m阶单位矩阵。

进一步的，步骤3中，利用Virtual Lab声学仿真系统对步骤2建立的等效源声学模型进行声场重建，完成声学建模。

进一步的，步骤1中建立待建模滤波电容器的缩比样品，缩比尺寸比例为1：(0.3-0.5)。

进一步的，各个测点的声压均通过声音传感器测得

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明基于等效源方法进行建模，等效源法是依据波叠加原理，采用分布于声源内部的一系列点声源求解外部声场，通过波叠加产生与原始声源相近的外部声场分布，从而实现对原始声源的等效。等效源法不同于传统的有限元和边界元求解方法，它对所分析的声源形状没有任何限制，而且只是使用了一系列简化声源，如点声源，不存在对声源实体进行网格划分，简化了声场求解算法，因而可大大提高求解效率和范围。本发明的声学建模方法基于等效源方法对滤波电容器进行声学建模，不仅能准确描述滤波电容器的声场特性，而且可降低所需的计算资源，提高计算效率，可应用于广域问题。

进一步的，半消声室只有地面是反射面，其余各个方向都是吸声材料，一方面是为了避免环境噪声的对测试结果的干扰，另一方面是用来模拟半自由声场，避免声波反射叠加。

附图说明

图1是本发明的一种换流站滤波电容器电磁力噪声的声学建模方法中滤波电容器的缩比样品的示意图；

图2是本发明的滤波电容器的等效源建模的流程示意框图；

图3是900Hz下得到的水平方向声场分布对比示意图；图3(a)为采用边界元方法得到的水平方向声场分布示意图；图3(b)为采用等效源方法得到的水平方向声场分布示意图；

图4为本发明建立的一种ESM模型示意图；

在图1中，1、等效源；2、等效源的包络面；3、实际测试所用的电容器缩比样品。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。本发明的实施例中以含两个负载的无线充电系统模型为例，来说明预测电磁干扰的结果。

本发明的一种换流站滤波电容器电磁力噪声的声学建模方法，包括以下步骤：

步骤1，在半消声室测量获取待建模滤波电容器的表面振动情况与声场分布特性。表面振动情况用振动速度表示，声场分布特性用多个测点的声压表示。表面振动情况用于本发明方法与现有方法的对比。本发明的建模方法无需测量获取表面振动情况。

请参阅图1，图1中所布置的等效源1为单极子声源。步骤1具体为，建立待建模滤波电容器的缩比样品，缩比样品与实际运行中的待建模滤波电容器仅在尺寸和容量上不同，在缩比样品上设置多个测点，测量每个测点的声压；且在半消声室测量获取待建模滤波电容器的各个测点的声压。例如，图1为本发明所建立的样品是选择电容器单元缩比模型得到的，模型参数如下：尺寸为380*380*145(mm)，额定电压6.35kV，额定电流21A，额定电容值10.58μF，无功容量134kvar。缩比样品与实际运行中所使用的电容器仅在尺寸和容量上有所区别。测试在半消声室中进行，对缩比样品同时施加工频和高次谐波激励，利用激光测振仪测试和记录电容器表面测点的振动情况。其中，半消声室，只有地面是反射面，其余各个方向都是吸声材料，一方面是为了避免环境噪声的对测试结果的干扰，另一方面是用来模拟半自由声场，避免声波反射叠加。测量所得的振动情况可以作为确定等效源强度所需要的边界条件，同时根据所测振动数据即可根据半自由声场格林函数复现空间声场分布情况。利用声音探头或麦克风等声音传感器测量缩比样品各个测点的声压。

步骤2，根据步骤1测量获取的数据，利用加权迭代的方法求解等效源的强度参数，建立待建模滤波电容器的等效源声学模型。

请参阅图2，图2展示了步骤2中滤波电容器的等效源建模的方法和流程。通常等效源是均匀分布的，为保证声学计算准确度，通常需满足相邻等效源间距d的六倍不大于声波波长λ，即以此来确定所需等效源的数量和等效源的位置。随后在声学仿真平台Virtual.Lab中完成等效源的布局，并根据求得的q设定等效源强度。将仿真结果与实际进行比对，如果误差较大则微调正则化参数，以更高的精度求解等效源强度，直至得到可靠的声场重建结果。

具体为，选定等效源分布在原电容器模型40％等比例缩放后的各个表面上，设定等效源数量N，以及测点数量M作为初始参数，则在M个测点上所对应的声压值可以表示为

p＝Gq (1)

其中，p＝(p₁,p₂,…,p_m)^T，表示不同测点位置所测声压值组成的列向量，本例中设置了36个测点，所设置的测点位置以及在部分测点测得的声压值如表1所示，q＝(q₁,q₂,…,q_n)^T，代表不同等效源强度组成的列向量，G为M×N阶传递函数矩阵，用来描述M个测试点所测的声压值与N个等效源的强度之间的关系。G中的每一个分量记作g(m,n)，其中(0<m≤M,0<n≤N)，g(m,n)表示第m个测点与第n个等效源之间的传递函数，且有

g(m,n)＝iρckg(r_m,r_n) (2)

其中：

ρ——空气密度，通常取标况下1.29Kg/m³，

c——空气声速，通常取340m/s，

k——波数，

g(r_m,r_n)——格林函数，其完整表达式为：

其中，r_m——第m个测点的位置向量，r_n——第n个等效源的位置向量。

通常情况下，等效源数目会多于测点数，即M<N，此时方程(1)成为病态方程组，有不唯一解，故还需要通过特定的数学方法对解的范围进行限制。

本发明选择的是Tikhonov正则化方法，即最小化如下函数

得到满足预设收敛条件的解q；

其中：

λ——正则化参数，对等效源精度影响巨大，可以借助GCV方法求得：

Tr——矩阵的迹

且有：

C＝G(G^HG+λI_n)^-1G^H (6)

I_m——m阶单位矩阵。

表1.测点位置坐标以及部分测点处的声压测量值

所得到的部分等效源坐标和强度如附表2所示。

表2.等效源位置坐标以及部分等效源强度

步骤3，利用Virtual Lab声学仿真系统对步骤2建立的等效源声学模型进行声场重建，重建结果与参考结果进行比对验证声场重建的可靠性。

请参阅图3和图4，根据所得仿真结果(以900Hz为例)，可以得到如下结论：

(1)基于GB/T 32524中的17测点精密法对电容器噪声进行扩展测量，缩比模型试验测试结果与等效源模型仿真结果之间的误差较小，数据在附表3中可见，表3为不同测点位置的实测声压数据与等效源模型的仿真结果偏差值。

表3.不同测点位置的实测声压数据与等效源模型的仿真结果偏差值

(2)在水平方向上设置观测面所得声场云图如图3所示，可以发现所建立的滤波电容器等效源模型可以有效重现声场分布特性。具体分析为，对于电容器单体来说，在水平方向上，根据等效源模型所得到的声场集中在底面-顶面方向(左右方向)，宽侧面方向(上下方向)具有十分明显的声波干涉现象及清晰的干涉区域出现，这与作为参考的电容器边界元模型所得到的结果十分接近，说明等效源模型同样可以有效重现电容器噪声的声场分布特性。

(3)对于相同的计算平台与计算内容，采用边界元方法进行求解耗费大约60s(5次平均)，采用等效源方法只需3s(5次平均)，可见本发明采用的建模方法和所建立的等效源模型可以极大提高求解效率。

本发明中等效源法是依据波叠加原理，采用分布于声源内部的一系列点声源求解外部声场，通过波叠加产生与原始声源相近的外部声场分布，从而实现对原始声源的等效。等效源法不同于传统的有限元和边界元求解方法，它对所分析的声源形状没有任何限制，而且只是使用了一系列简化声源，如点声源，不存在对声源实体进行网格划分，简化了声场求解算法，因而可大大提高求解效率和范围。与现有方法的对比：求解N个节点的边界元模型的计算量为o(N²)，为了保证求解精度，网格划分要求十分精细。通常换流站滤波区域由上千个电容器组成，占地面积大，在边界元环境下进行声场求解往往需要大量的计算资源，甚至是不可求解的。等效源法对模型进行了极大的简化，对于单个电容器来讲，可以用数量有限(通常小于200)的单极子声源来取代网格划分后具有数千节点的边界元模型，降低了对计算资源的需求，极大提高了计算效率，使得面向工程实际的广域滤波场的声学特性分析和研究成为可能。

综上，本发明的实施例是一种基于等效源法的换流站滤波电容器高次谐波下电磁力噪声预测的声学建模方法，其以单个滤波电容器的缩比模型为例，建立了其等效源声学模型，并将模型仿真所得的声场分布特性与实测结果进行对比，证明了结果的准确性。本发明基于等效源方法对滤波电容器进行声学建模，不仅能准确描述滤波电容器的声场特性，而且大大降低了所需的计算资源，提高了计算效率，扩展了求解范围，为滤波场尺度下声场的特性研究和布局优化提供了支持和便利；能够对滤波电容器可听噪声进行准确预测，同时提高仿真计算的效率，以便实现后续的对滤波场声场的分布特性研究，本发明基于惠更斯原理，结合等效源方法实现了一种对滤波电容器进行声学建模的方法。

Claims (9)

1.一种换流站滤波电容器电磁力噪声的声学建模方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，在待建模滤波电容器上设置多个测点，测量每个测点的声压；

步骤2，根据步骤1测量获取的声压数据，利用加权迭代的方法求解获得等效源的强度参数，并建立待建模滤波电容器的等效源声学模型；

步骤3，对步骤2建立的等效源声学模型进行声场重建，完成声学建模。

2.根据权利要求1所述的一种换流站滤波电容器电磁力噪声的声学建模方法，其特征在于，步骤1中，在半消声室测量获取待建模滤波电容器的各个测点的声压。

3.根据权利要求1所述的一种换流站滤波电容器电磁力噪声的声学建模方法，其特征在于，步骤1具体为，建立待建模滤波电容器的缩比样品，缩比样品与实际运行中的待建模滤波电容器仅在尺寸和容量上不同，在缩比样品上设置多个测点，测量每个测点的声压。

4.根据权利要求3所述的一种换流站滤波电容器电磁力噪声的声学建模方法，其特征在于，步骤2具体包括：

预设初始参数包括：等效源分布在缩比样品的各个表面上，等效源数量N以及测点数量M；

在M个测点上所对应的声压值表示为：

p＝Gq (1)

式(1)中，p为M个测点位置所测得声压值组成的列向量，q为N个等效源强度组成的列向量，G为测点与等效源之间的传递函数，第m个测点与第n个等效源之间的传递函数记作g(m,n)，

g(m,n)＝iρckg(r_m,r_n) (2)

式(2)中：

ρ——空气密度，通常取标况下1.29Kg/m³，

c——空气声速，通常取340m/s，

k——波数，

g(r_m,r_n)——格林函数，其完整表达式为：

式(3)中，r_m表示第m个测点的位置向量，r_n表示第n个等效源的位置向量；获得q的不唯一解；对q的解的范围进行限制，获得满足预设收敛条件的解q。

5.根据权利要求4所述的一种换流站滤波电容器电磁力噪声的声学建模方法，其特征在于，步骤2中对q的解的范围进行限制的方法为：采用Tikhonov正则化方法，最小化函数(4)获得满足预设收敛条件的解q；

函数(4)的表达式为：

式(4)中：λ表示正则化参数。

6.根据权利要求5所述的一种换流站滤波电容器电磁力噪声的声学建模方法，其特征在于，步骤2中，λ通过GCV方法求得，求解公式为：

式(5)中，Tr——矩阵的迹，C＝G(G^HG+λI_n)^-1G^H，I_m——m阶单位矩阵。

7.根据权利要求1所述的一种换流站滤波电容器电磁力噪声的声学建模方法，其特征在于，步骤3中，利用Virtual Lab声学仿真系统对步骤2建立的等效源声学模型进行声场重建，完成声学建模。

8.根据权利要求3所述的一种换流站滤波电容器电磁力噪声的声学建模方法，其特征在于，步骤1中建立待建模滤波电容器的缩比样品，缩比尺寸比例为1：(0.3-0.5)。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的一种换流站滤波电容器电磁力噪声的声学建模方法，其特征在于，各个测点的声压均通过声音传感器测得。