CN109779851A - 一种风力发电机组声功率级测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风力发电机组声功率级测量装置和方法，属于噪声测量领域，装置包括用于获取风力发电机组运行时的噪声和停运时的背景噪声的无人机，无人机的机体上搭载有：云台，其上设有声级计、传声器以及风速风向仪；iGPS系统，包括分别设置于机体中部、声级计的尾部以及安装在声级计尾部与其传声器共线的固定棒端部的iGPS传感器，还包括两个设置于地面的iGPS激光发射器；控制器，根据iGPS系统调整无人机飞行位置及云台的转动角度，使传声器定位至风力发电机组周围的各测量点处。以风力发电机组的轮毂中心为圆心，在半径大于风力发电机组叶片旋转半径的球面上布置测量点，利用以上装置进行测量。整个装置操作简单，测量方便。

Description

一种风力发电机组声功率级测量装置和方法

技术领域

本发明涉及噪声测量领域，具体地说，涉及一种风力发电机组声功率级测量装置和方法。

背景技术

风能发电作为一种清洁可再生的能源发电，近年来在我国得到大力推广和应用，产生了很好的经济效益和环境效益，但其辐射的噪声会影响周边声环境，干扰周边居民正常生活。为掌握风力发电机组噪声源强，预测评价风力发电机组噪声影响，需确定风力发电机组的声功率级。

声功率级按测量场所分可分为实验室测量和现场测量；按测量精度分可分为精密法、工程法、简易法；按测量方法分可分为声压法、声强法等。风力发电机组由于几何尺寸大，无法在实验室测量其声功率级，只能在户外进行测量。

现行的《风力发电机组噪声测量方法》(GB/T 22516-2008)，适用于风速为6m/s～10m/s时风力发电机组声功率级的测量。公布号为CN108801447A的中国专利文献公开了一种风力机噪声测试系统，包括：气象测量仪器，包括风速传感器、风向传感器、温度传感器、雨量传感器、气压传感器，从上至下依次安装在测风塔上部；测声仪器，包括传声器、声级计、1/3倍频程带频谱测试仪、窄带频谱测试仪；机组功率传感器，风机转速传感器以及风机浆距角传感器，以上三个传感器测量值均以电压信号输出；设置在风力发电机组周围，间隔100m-200m的三个数据采集点，其硬件之间采用无线传输方式进行远距离控制和数据传送；以及主机，通过无线方式与三个数据采集点连接，用于数据实时存储、分析和显示。还公开了相应的风力机噪声测试方法，该测量方法中，由于噪声测量点个数少，且测量点均位于风力发电机组所在地面，未在声源包络面上均匀布点进行测量，所测声功率级与实际声功率级误差较大。

发明内容

本发明的目的为提供一种风力发电机组声功率级测量装置，该装置精度较高，可自动测量风力发电机组的声功率级。

本发明的另一目的为提供一种风力发电机组声功率级测量方法，该方法利用上述风力发电机组声功率级测量装置实现，可有效解决所测声功率级与实际声功率级误差较大的问题。

为了实现上述目的，本发明提供的风力发电机组声功率级测量装置包括用于获取风力发电机组运行时的噪声和停运时的背景噪声的无人机，无人机的机体上搭载有：

云台，其上设有声级计和风速风向仪；

iGPS系统，包括分别设置于机体中部、声级计的尾部及安装在声级计尾部与其传声器共线的固定棒端部的iGPS传感器，还包括两个设置于地面的iGPS激光发射器；

控制器，根据iGPS系统调整无人机飞行位置及云台的转动角度，使传声器定位至风力发电机组周围的各测量点处。

上述技术方案中，以风力发电机组的轮毂中心为圆心，在半径大于风力发电机组叶片旋转半径的假想球面上布置测量点，利用以上装置进行测量。控制器与无人机及其所搭载组件间均存在数据交换接口，通过接口完成数据交换。无人机及其所搭载组件传输给控制器数据，可获得无人机及其所搭载组件相应数据。同时，通过与目标测量位置的比对分析，控制器通过接口向无人机和云台发出指令，调控他们的运行，最终使声级计的传声器定位至测量点处，且使传声器指向风力发电机组的轮毂中心。iGPS系统的三个iGPS传感器分别获取无人机，声级计尾部和安装在声级计尾部与其传声器共线的固定棒端部的实时经纬度数据；两个iGPS激光发射器安装在地面。通过iGPS系统对传声器位置进行定位，最终使传声器位于测量点处。整个装置操作简单，测量方便。

为了方便云台的自由旋转和移动，作为优选，无人机的机体上设有用于安装云台的伸缩悬臂，伸缩悬臂的端部与云台铰接。云台可分别在竖直和水平面内360°自由旋转。

作为优选，声级计的尾部、固定棒的端部、传声器的顶部三点位于同一直线上且三者间距离固定。由于声级计尾部、固定棒端部、声级计的传声器顶部三点位于一条直线上且三者间距离固定，因此传声器顶部实时经纬度数据可由控制器根据声级计尾部经纬度数据和固定棒端部经纬度数据通过计算确定。

为了方便测量，作为优选，无人机的机体的顶部和底部对称设有两个云台。且均通过相同的伸缩悬臂安装，其上设置有相同的组件。当无人机位于假想球面上半球测量时，选取无人机下方声级计所采集到的数据进行分析，当无人机在下半球测量时，选取无人机上方声级计所采集到的数据进行分析，以此来减小测量过程中由于无人机对声级计的遮挡而引起的采集数据值偏小的情况。

为了减小测量过程中外界风力因素对测量结果的影响，作为优选，传声器上固定有防风罩。

为了实现上述另一目的，本发明提供的风力发电机组声功率级测量方法，基于上述风力发电机组声功率级测量装置实现，其包括以下步骤：

(1)以风力发电机组的轮毂中心为圆心，在半径大于风力发电机组叶片旋转半径的假想球面上布置测量点；

(2)获取假想球面各测量点处风力发电机组运行时的噪声和停运时的背景噪声；

(3)对风力发电机组运行时各测量点的噪声级进行背景噪声修正，得到修正后风力发电机组运行时各测量点噪声级；

(4)计算风力发电机组的各频带声功率级。

作为优选，步骤(3)中，各测量点处背景噪声级的确定方法如下：

根据实测数据给出测量点为i时，集合{|V_i－V_j|×ɑ+|θ_i－θ_j|×β}中的各元素值，若j＝j₀时对应的元素值最小，则选取第j₀个测量点背景噪声级作为测量点i的背景噪声级；若有多个测量点对应的加权平均值均为最小值，则在这几个测量点中选取与第i个测量点高度最接近的测量点背景噪声级作为第i个测量点的背景噪声级；

其中，j＝1，2，…n；ɑ+β＝1；

V_i为测量点i处在风力发电机组运行时的风速，单位为m/s；

V_j为测量点j处在风力发电机组停运时的风速，单位为m/s；

θ_i为测量点i处在风力发电机组运行时的风向，单位为弧度；

θ_j为测量点j处在风力发电机组停运时的风向，单位为弧度；

ɑ，β分别为风速、风向对应权重系数。

作为优选，风速权重ɑ为0.85，风向权重β为0.15。

作为优选，步骤(4)中，将测量点所在的假想球面分成以各测量点为中心、面积不同的n个面元，风力发电机组的各频带声功率级L_w按下式计算：

K₁＝-10lg(1-10^-0.1ΔLp)

其中，R—测量点所在假想球面的半径，单位m；

S＝4πR²，单位m²；

S_i—第i个测量点处所占假想球面的面积，单位m²；

—风力发电机组运行时测量点i处的频带声压级，单位dB；

—第i个测量点处的背景噪声频带声压级，单位dB；

L′_pi—对背景噪声进行修正后的第i个测量点处的频带声压级，单位dB；

K₁—背景噪声修正值，单位dB；

n—测量点个数。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明利用无人机搭载的声级计对假想球面上均匀分布的测量点依次进行测量，可更好地表征风电机组不同方向上的辐射声级水平。

(2)本发明利用搭载iGPS系统的无人机进行测量，与GPS定位系统相比，iGPS具有更高的测量精度(可达毫米级)，能更为精确地将无人机所搭载的声级计定位至测量处，并沿假想球面依次进行测量。

(3)本发明利用无人机搭载声级计进行测量时，通过自动调整，可保证测量时声级计传声器指向风力发电机组轮毂中心(即径向对准)，提高测量的准确性。

(4)本发明所提出的测量点背景噪声确定方法，可有效解决同一测量点处风力发电机组运行和停运时风速、风向不同导致的背景噪声差异，更为准确地确定风电机组运行时测量点处背景噪声级。

附图说明

图1为本发明实施例的风力发电机组声功率级测量装置的结构示意图；

图2为本发明实施例的风力发电机组噪声测量球面及测量点布置正视图；

图3为本发明实施例的风力发电机组噪声测量球面及测量点布置俯视图；

图4为本发明实施例的测量球面上测量点处声级计传声器指向示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合实施例及其附图对本发明作进一步说明。

实施例

参见图1至图3，本实施例的风力发电机组声功率级测量装置包括用于获取风力发电机组运行时的噪声和停运时的背景噪声的无人机，无人机的机体4上搭载有：

两个云台6，铰接在机体4的顶部和底部的两个伸缩悬臂8的端部，两个云台6上均设有声级计1、传声器9以及风速风向仪，传声器9上固定有防风罩7；

iGPS系统，包括分别设置于机体中部、声级计1的尾部5以及与传声器9的尾部的iGPS传感器，还包括设置于地面的两个iGPS激光发射器；控制器，根据iGPS系统调整无人机飞行位置及云台6的转动角度，使传声器9定位至风力发电机组周围的各测量点处。

本实施例的传声器9的尾部设有与传声器共线的固定棒3，设于传声器9尾部的iGPS传感器安装在固定棒3的端部2；声级计1的尾部5、固定棒3的端部2、传声器9的顶部三点位于同一直线上且三者间距离固定。

利用无人机在以风力发电机组轮毂中心12为圆心，半径大于风力发电机组叶片13旋转半径的假想球面10(其半径为R)上布点测量，获取风力发电机组运行时的噪声和停运时的背景噪声，在优化确定风电机组运行时各测量点背景噪声级基础上，对风电机组运行时各测量点噪声级进行背景噪声修正，得到修正后风电机组运行时各测量点11噪声级，再计算确定风力发电机组的各频带声功率级。

具体计算方法如下：

将测量点所在的假想球面分成以各测量点为中心、面积不同的n个面元，风力发电机组的各频带声功率级L_w按下式计算：

K₁＝-10lg(1-10^-0.1ΔLp)

以上各式中，R—测量点所在假想球面的半径，单位m；

S＝4πR²，单位m²；

S_i—第i个测量点处所占假想球面的面积，单位m²；

—风力发电机组运行时测量点i处的频带声压级，单位dB；

—第i个测量点处的背景噪声频带声压级，单位dB；

L′_pi—对背景噪声进行修正后的第i个测量点处的频带声压级，单位dB；

K₁—背景噪声修正值，单位dB；

n—测量点个数。

测量点布置参考“GB/T 6882—2008声学声压法测点噪声源声功率级消声室和半消声室精密法”。

控制器与无人机及其所搭载设备间均存在数据交换接口，通过接口完成数据交换。无人机及其所搭载设备传输给控制器数据，可获得无人机及其所搭载设备相应数据。同时，通过与测量位置等的比对分析，控制器通过接口向无人机、两个可伸缩机械悬臂、两个云台发出指令，调控他们的运行，最终使声级计的传声器定位至测量点处，且使传声器指向轮毂中心。

iGPS系统分别获取无人机的机体4，声级计1的尾部5和固定棒3的端部2的实时经纬度数据。通过iGPS系统，对传声器9位置进行定位，最终使传声器9位于测量点处。具体实施如下：

参见图2和图3所示，假想球面10上各测量点11经纬度数据由控制器根据风力发电机组轮毂中心点12经纬度、测量点所在球面半径R自动计算确定并储存在控制器中。由于声级计1的尾部5、固定棒3的端部2、传声器9的顶部三点位于一条直线上且三者间距离固定，因此传声器9的实时经纬度数据可由控制器根据声级计1尾部5的经纬度数据和固定棒3尾部2的经纬度数据通过计算确定。当传声器9移动至测量点时，控制器根据无人机所搭载iGPS系统，自动调整无人机飞行位置、伸缩悬臂8的长度及云台6的转动角度，使传声器9的实时经纬度数据与要求的测量点经纬度数据一致，最终使传声器9定位至各测量点处。

云台6可在竖直和水平面内作360°旋转，用于测量过程中声级计1的指向的调整。参见图4，测量过程中声级计1指向风力发电机组轮毂中心(即径向方向)。当传声器9定位到测量点时，根据已知的风力发电机组轮毂中心经纬度数据，以及控制器从声级计尾部和固定棒端部所安装的iGPS传感器上读取的经纬度数据，以三个数据点共线为判据(即三点所构成的三角形面积为零)，先将传声器9定位至测量点处，再利用伸缩悬臂8伸缩、云台6旋转及无人机改变自身飞行位置来不断调整声级计1的方向，实现无人机搭载的声级计1指向风力发电机组轮毂中心(即径向方向)。

由于无人机机体4的顶部和底部均设有伸缩悬臂8及云台6，当无人机位于假想球面10上半球测量时，选取无人机底部声级计所采集到的数据进行分析，当无人机在下半球测量时，选取无人机顶部声级计所采集到的数据进行分析，以此来减小测量过程中由于无人机对声级计的遮挡而引起的采集数据值偏小的情况。

考虑到同一测量点处风力发电机组运行时(进行噪声测量)与停运时(进行背景噪声测量)风速、风向会有所不同，为尽可能准确确定风机运行时测量点处的背景噪声级，在全部背景噪声测量点中，选择风速、风向与风力发电机组运行时测量点处所测风速、风向最接近的测量点的背景噪声级，作为该测量点的背景噪声级。各测量点处背景噪声级具体确定方法如下：

根据实测数据计算给出测量点为i时，集合{|V_i－V_j|×ɑ+|θ_i－θ_j|×β}中的各元素值，其中j＝1，2，…n；ɑ+β＝1；V_i为测量点i处在风力发电机组运行时的风速，单位为m/s；V_j为测量点j处在风力发电机组停运时的风速，单位为m/s；θ_i为测量点i处在风力发电机组运行时的风向，单位为弧度；θ_j为测量点j处在风力发电机组停运时的风向，单位为弧度；ɑ，β分别为风速、风向对应权重系数。

试验结果表明，风速对背景噪声级的影响大于风向，优选风速权重ɑ为0.85，风向权重β为0.15。

各元素值中，若j＝j₀时对应的元素值最小，则选取第j₀个测量点背景噪声级作为测量点i的背景噪声级；若有多个测量点对应的加权平均值均为最小值，则在这几个测量点中选取与第i个测量点高度最接近的测量点背景噪声级作为第i个测量点的背景噪声级。

以上所述仅为本发明的较佳实施举例，并不用于限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种风力发电机组声功率级测量装置，其特征在于，包括用于获取风力发电机组运行时的噪声和停运时的背景噪声的无人机，所述无人机的机体上搭载有：

云台，其上设有声级计和风速风向仪；

iGPS系统，包括分别设置于所述机体中部、所述声级计的尾部及安装在所述声级计尾部与其传声器共线的固定棒端部的iGPS传感器，还包括两个设置于地面的iGPS激光发射器；

控制器，根据所述iGPS系统调整所述无人机飞行位置及所述云台的转动角度，使所述传声器定位至风力发电机组周围的各测量点处。

2.根据权利要求1所述的风力发电机组声功率级测量装置，其特征在于，所述的无人机的机体上设有用于安装所述云台的伸缩悬臂，所述伸缩悬臂的端部与所述云台铰接。

3.根据权利要求1所述的风力发电机组声功率级测量装置，其特征在于，所述声级计的尾部、所述固定棒的端部、所述声级计的传声器的顶部三点位于同一直线上且三者间距离固定。

4.根据权利要求1所述的风力发电机组声功率级测量装置，其特征在于，所述无人机的机体顶部和底部对称设有两个所述的云台。

5.根据权利要求1所述的风力发电机组声功率级测量装置，其特征在于，所述传声器上固定有防风罩。

6.一种风力发电机组声功率级测量方法，基于权利要求1～5任一权利要求所述的风力发电机组声功率级测量装置实现，其特征在于，包括以下步骤：

(1)以风力发电机组的轮毂中心为圆心，在半径大于风力发电机组叶片旋转半径的假想球面上布置测量点；

(2)获取假想球面各测量点处所述风力发电机组运行时的噪声和停运时的背景噪声；

(3)对风力发电机组运行时各测量点的噪声级进行背景噪声修正，得到修正后风力发电机组运行时各测量点噪声级；

(4)计算风力发电机组的各频带声功率级。

7.根据权利要求6所述的风力发电机组声功率级测量方法，其特征在于，步骤(3)中，各测量点处背景噪声级的确定方法如下：

根据实测数据给出测量点为i时，集合{|V_i－V_j|×ɑ+|θ_i－θ_j|×β}中的各元素值，若j＝j₀时对应的元素值最小，则选取第j₀个测量点背景噪声级作为测量点i的背景噪声级；若有多个测量点对应的加权平均值均为最小值，则在这几个测量点中选取与第i个测量点高度最接近的测量点背景噪声级作为第i个测量点的背景噪声级；

其中，j＝1，2，…n；ɑ+β＝1；

V_i为测量点i处在风力发电机组运行时的风速，单位为m/s；

V_j为测量点j处在风力发电机组停运时的风速，单位为m/s；

θ_i为测量点i处在风力发电机组运行时的风向，单位为弧度；

θ_j为测量点j处在风力发电机组停运时的风向，单位为弧度；

ɑ，β分别为风速、风向对应权重系数。

8.根据权利要求8所述的风力发电机组声功率级测量方法，其特征在于，风速权重ɑ为0.85，风向权重β为0.15。

9.根据权利要求6所述的风力发电机组声功率级测量方法，其特征在于，步骤(4)中，将测量点所在的假想球面分成以各测量点为中心、面积不同的n个面元，风力发电机组的各频带声功率级L_w按下式计算：

K₁＝-10lg(1-10^-0.1ΔLp)

其中，R—测量点所在假想球面的半径，单位m；

S＝4πR²，单位m²；

S_i—第i个测量点处所占假想球面的面积，单位m²；

—风力发电机组运行时测量点i处的频带声压级，单位dB；

—第i个测量点处的背景噪声频带声压级，单位dB；

L′_pi—对背景噪声进行修正后的第i个测量点处的频带声压级，单位dB；

K₁—背景噪声修正值，单位dB；

n—测量点个数。