CN109784544A - 一种平坦地形风电场的噪声预测和优化布局方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种平坦地形风电场的噪声预测和优化布局方法。所述平坦地形风电场的噪声预测和优化布局方法包括如下步骤：步骤一：基于风电场工程尾流模型，生成风电场中每台风力机的来流风速，计算出每台风力机气动噪声声源；步骤二：将三维PE抛物线方程进行简化，基于单台风力机的二维噪声传播方程，计算出风力机噪声传播数据库；步骤三：根据步骤二得到的风力机噪声传播数据库，利用风电场噪声传播的多维插值公式，进行风电场噪声数值模拟计算；步骤四：采用最大声压边界取值方法，优化出满足声压级等高线的风电场优化布局。

Description

一种平坦地形风电场的噪声预测和优化布局方法

技术领域

本发明涉及一种平坦地形风电场的噪声预测和优化布局方法，属于风力发电技术领域。

背景技术

针对风电场优化布局方法，国内外学者对其进行了不少的研究工作，如考虑年发电量AEP、风电场面积和道路约束、风电场成本，以及基于ISO国际户外噪声传播半经验方法的风电场噪声优化布局等。对于现在风电场优化布局设计，出现的方法比较多，但是对于风电场气动噪声优化布局的方法较少。

然而，随着风电场大规模化发展，风电场气动噪声对人类和动物等都产生了一定影响，风电场噪声预测越来越重要，目前现有能采用的风电场噪声优化布局方法，主要还是基于ISO 国际规范半经验公式的方法进行评估和布局优化；也有学者基于CAA(Computational Aerodynamics and Aeroacoustics)进行单台和多台风力机噪声的声源和传播数值模拟，虽然该方法计算精度较高，但是计算量庞大，特别对于风电场优化布局而言，更是几乎不可实现。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种平坦地形风电场的噪声预测和优化布局方法。

本发明采用的技术方案是：一种平坦地形风电场的噪声预测和优化布局方法包括如下步骤：

步骤一：基于风电场工程尾流模型，生成风电场中每台风力机的来流风速，计算出每台风力机气动噪声声源；

步骤二：将三维PE抛物线方程进行简化，基于单台风力机的二维噪声传播方程，计算出风力机噪声传播数据库；

步骤三：根据步骤二得到的风力机噪声传播数据库，利用风电场噪声传播的多维插值公式，进行风电场噪声数值模拟计算；

步骤四：采用最大声压边界取值方法，优化出满足声压级等高线的风电场优化布局。

优选地，步骤二中，三维气动噪声衰减系数计算域简化成二维气动噪声衰减系数计算域的公式表示如下：

其中，L_i代表每个声源的气动噪声传播衰减系数；f表示频率，x、y、z表示风力机坐标位置；L_D表示声源的气动噪声传播衰减数据库，在不同频率下，是一个二维数据库；数据库中r取值是从1到单位为m，即风电场最大长度距离。

优选地，采用临近网格点进行补充整个数据库的极值空缺，补全数据库公式表示如下：

L_D(f,r_j,z)＝L_D(f,r_n+1,z)，j＝1,2,…,n

r_j表示r方向上的第j个网格节点，n可取10-30范围。

优选地，步骤三中，风电场噪声传播数据库的多维插值包括声源高度、传播方向距离和噪声频率插值；且逐一从高度、传播方向进行插值；

具体插值公式如下：

优选地，步骤四中，考虑噪声传播的风电场优化布局中，创建相应要求点群，然后对其点群计算不同风向和风速下的声压级；

考虑到尾流的影响，计算具有代表性的额定风速处不同风向下的声压级，取其中最大声压级进行优化，从而得到满足要求的噪声声压级等高线；

优化的噪声目标公式如下：

其中，K，I，F分别表示风向总数、风力机台数、频率总数，SP_k,i,fi表示不同风向下的每台风力机的声功率，L_i,fi表示每台风力机的噪声传播衰减系数。

本发明的有益效果是：

本发明提供了一种平坦地形风电场的噪声预测和优化布局方法，由于风电场的大规模化，风电场气动噪声影响越来越严重，对于平坦地形的风电场，基于本发明方案，可计算得到不随风力机机型改变的，风电场气动噪声传播衰减系数的数据库，提供了一种快速的风电场噪声分布预测和优化方案，可得到风电场中的噪声等高线分布，实现了风电场考虑噪声影响的布局，使得在不同风速和不同方向下，整个风电场气动噪声满足人和动物的噪声要求。并且，本发明可以实现风电场尾流对噪声分布的影响，实现不同风向不同风速下噪声分布的预测。

本发明应用范围较广，可以使用于陆地和海上的平坦地形风电场，可以通过本发明的气动噪声预测和优化布局方案，可快速准确获得风电场布局所需要的噪声分布云图和选址方案。对于风电场噪声预测和大规模环保化的发展具有重要意义。

附图说明

图1是某平台地形的风电场尺寸范围示意图；

图2是风电场考虑噪声的优化布局流程图；

图3是快速噪声传播计算的简化方式示意图；

图4是风电场优化计算得到的布局示意图；

图5是风电场风力机受尾流影响后的气动噪声声源图；

图6是风向为30°时风电场噪声分布云图；

图7是风向为30°时风电场噪声分布等高线图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

一种平坦地形风电场的噪声预测和优化布局方法，其包括以下步骤：

步骤一：基于风电场工程尾流模型，生成风电场中每台风力机的来流风速，计算出每台风力机气动噪声声源；

步骤二：将三维PE抛物线方程进行简化，基于单台风力机的二维噪声传播方程，计算出风力机噪声传播数据库；

步骤三：根据步骤二得到的风力机噪声传播数据库，利用风电场噪声传播的多维插值公式，进行风电场噪声数值模拟计算；

步骤四：采用最大声压边界取值方法，优化出满足声压级等高线的风电场优化布局。

具体地，在步骤一中，设定每台风力机气动噪声声源的声功率为：

SP(f,x,y,k)

其中，f表示频率，x和y表示风力机坐标位置，k表示风电场风向分量。

具体地，步骤一中包括如下步骤：

第一步：优化变量选取。在风电场优化布局前，进行风力机位置坐标的二进制编号，转化成1或0的代码。

第二步：等效粗糙度计算。如果计算5台风力机对风电场周围两个观测点的噪声声压，则需要每条线段上传播中的地表粗糙度。而且，基于每条射线上的粗糙度，采用平均粗糙度方式，计算出最大线段的等效粗糙度。

在步骤二中，三维气动噪声衰减系数计算域简化成二维气动噪声衰减系数计算域的公式表示如下：

其中，L_i代表每个声源的气动噪声传播衰减系数；f表示频率，x、y、z表示风力机坐标位置；L_D表示声源的气动噪声传播衰减数据库，在不同频率下，是一个二维数据库；数据库中r取值是从1到单位为m，即风电场最大长度距离。

其中，L_i代表每个声源的气动噪声传播衰减系数；f表示频率，x、y、z表示风力机坐标位置；L_D表示声源的气动噪声传播衰减数据库，在不同频率下，是一个二维数据库；数据库中r取值是从1到单位为m，即风电场最大长度距离。其中，等效简化过程中，对所在传播方向上的粗糙度进行等效平均方式。

为了克服靠近声源出现极值问题，因为对于风电场噪声传播来说，主要看声源传播衰减规律，因此本发明采用临近网格点进行补充整个数据库的极值空缺，且补全数据库公式表示如下：

L_D(f,r_j,z)＝L_D(f,r_n+1,z)j＝1,2,…,n

r_j表示r方向上的第j个网格节点，n可取10-30范围。

具体地，步骤二包括如下步骤：

噪声传播计算域等效简化过程。若计算5台风力机对风电场周围两个观测点的噪声声压，则需要计算每个切片上的噪声传播。从这些切片中，寻找出最大距离(声源与观测点距离) 的切片，然后，可等效只进行该切片上的气动噪声传播。在风力机传播最大距离中，公式中的r最大距离为则公式可以写成：

其中，i为r的数组长度，Δr根据不同频率和声速计算得出。因此，基于这种方法，可求出风电场周围噪声观测点群的r取值范围。

噪声传播数据库的生成。通过对三倍频的噪声传播计算，把计算得到的结果以文件矩阵的形式存储。本发明需要通过临近网格节点补全方式，进行数据库缺失补全。公式如下(本算例采用n＝10)：

L_D(f,r_j,z)＝L_D(f,r₁₁,z)j＝1,2,…,10。

步骤三中，风电场噪声传播数据库的多维插值包括声源高度、传播方向距离和噪声频率插值，其中频率插值可以是两倍频和三倍频等；且逐一从高度、传播方向进行插值；

具体插值公式如下：

步骤四中，考虑噪声传播的风电场优化布局中，创建相应要求点群，然后对其点群计算不同风向和风速下的声压级；

为了进一步简化计算量，由于低风速时声压级一般都小于高风速声压级，而且到额定以上风速后，风力机有变桨操作，会降低声源声压级，因此考虑到尾流的影响，计算具有代表性的额定风速处不同风向下的声压级，取其中最大声压级进行优化，从而得到满足要求的噪声声压级等高线；

优化的噪声目标公式如下：

其中，K，I，F分别表示风向总数、风力机台数、频率总数，SP_k,i,fi表示不同风向下的每台风力机的声功率，L_i,fi表示每台风力机的噪声传播衰减系数。

具体地，步骤四包括如下步骤：

获得优化目标。基于传统风电场优化方法，第一个优化目前为COST/AEP；第二个目标为噪声，基于上述步骤获得每台风力机分别对每个观测点的噪声影响，由于噪声声压值多而复杂，为了更好进行优化和获取声压等高线，本发明采用对所有观测点等效取最大值的方式，公式如下：

风电场NSGA-II进行迭代优化。基于以上步骤，可实现整个风电场的噪声分布优化布局，最后可从多目标优化的pareto解中，选取较优的解，画出相应的风电场噪声云图和等高线，经过优化，可得到满足国际有关风电场噪声要求(一般不超过40分贝)的等高线。

接下来将结合具体实例对本发明做进一步地说明。

如图所示：一种风电场噪声预测和优化布局方法，图1是某平台地形的风电场尺寸范围示意图，基于传统风电场优化方法，采用网格二进制方法进行布置风力机的方式，圆点代表风力机，三角形点代表噪声观测点，这些点将是风电场需要满足噪声要求的边界点，每个网格尺寸是5D×5D，其中D是风轮直径，整个风电场面积是3.2km×3.2km。图2是风电场考虑噪声的优化布局流程图，优化算法采用的是NSGA-II优化方法，优化变量为风力机位置的二进制数组，优化目标为两个，分别是风电场COST/AEP(成本/年发电量)，还有个是本发明提出的目标方案，即在观测点群中最严重气动噪声的声压级。图3是快速噪声传播计算的简化方式示意图，假设两个观测点A和B坐标分别为(1km,4.8km)和(4.8km,3.6km)。图4是风电场优化计算得到的布局示意图。图5是风电场风力机受尾流影响后的气动噪声声源图。图6是风向为30°时风电场噪声分布云图。图中7是风向为30°时风电场噪声分布等高线图。

本发明以图1中的风电场尺寸，风力机为2MW，风轮半径为80m为例，结合图2中的流程图所示，整个风电场噪声预测和优化布局方法的具体步骤描述如下：

第一步：优化变量选取。在风电场优化布局前，进行风力机位置坐标的二进制编号，转化成1或0的代码(如图1所示，“1”表示网格里布置风力机；“0”表示网格里不布置风力机)。通过这样方式提前出优化过程中的优化变量，如图1所示，优化变量为64个。

第二步：等效粗糙度计算。如图3所示，若计算5台风力机对风电场周围两个观测点的噪声声压，则需要每条线段上传播中的地表粗糙度。本发明基于每条射线上的粗糙度，采用平均粗糙度方式，计算出图3中右图最大线段的等效粗糙度。

第三步：噪声传播计算域等效简化过程。如图3所示，若计算5台风力机对风电场周围两个观测点的噪声声压，则需要计算每个切片上的噪声传播。从这些切片中，寻找出最大距离 (声源与观测点距离)的切片(如图3右图所示)，然后，基于第二步，可等效只进行该切片上的气动噪声传播。在风力机传播最大距离中，公式中的r最大距离为 则公式可以写成

其中，i为r的数组长度，Δr根据不同频率和声速计算得出。因此，基于这种方法，可求出风电场周围噪声观测点群的r取值范围。

第四步：噪声传播数据库的生成。基于第三步，通过对三倍频的噪声传播计算，把计算得到的结果以文件矩阵的形式存储。本发明需要通过临近网格节点补全方式，进行数据库缺失补全。公式如下(本算例采用n＝10)：

L_D(f,r_j,z)＝L_D(f,r₁₁,z)j＝1,2,…,10

第五步：风电场风力机多维插值计算出噪声传播系数。基于工程尾流模型耦合风力机噪声声源计算，实现不同风向下的风电场风力机噪声声功率计算。然后，进行声源高度、传播距离、频率进行多维插值，计算出每个风力机的噪声传播衰减系数。最后，基于公式计算得出风力机对观测点的噪声影响：

第六步：获得优化目标。基于传统风电场优化方法，第一个优化目前为COST/AEP；第二个目标为噪声，基于第二步到第五步，可获得每台风力机分别对每个观测点的噪声影响，由于噪声声压值多而复杂，为了更好进行优化和获取声压等高线，本发明采用对所有观测点等效取最大值的方式，公式如下：

第七步：风电场NSGA-II进行迭代优化。基于以上步骤，可实现整个风电场的噪声分布优化布局，最后可从多目标优化的pareto解中，选取较优的解，画出相应的风电场噪声云图和等高线，如图6和7所示，经过优化，可得到满足国际有关风电场噪声要求(一般不超过40分贝)的等高线。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (5)

1.一种平坦地形风电场的噪声预测和优化布局方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：基于风电场工程尾流模型，生成风电场中每台风力机的来流风速，计算出每台风力机气动噪声声源；

步骤二：将三维PE抛物线方程进行简化，基于单台风力机的二维噪声传播方程，计算出风力机噪声传播数据库；

步骤三：根据步骤二得到的风力机噪声传播数据库，利用风电场噪声传播的多维插值公式，进行风电场噪声数值模拟计算；

步骤四：采用最大声压边界取值方法，优化出满足声压级等高线的风电场优化布局。

2.根据权利要求1所述的一种平坦地形风电场的噪声预测和优化布局方法，其特征在于，步骤二中，三维气动噪声衰减系数计算域简化成二维气动噪声衰减系数计算域的公式表示如下：

其中，L_i代表每个声源的气动噪声传播衰减系数；f表示频率，x、y、z表示风力机坐标位置；L_D表示声源的气动噪声传播衰减数据库，在不同频率下，是一个二维数据库；数据库中r取值是从1到单位为m，即风电场最大长度距离。

3.根据权利要求2中所述的平坦地形风电场的噪声预测和优化布局方法，其特征在于：采用临近网格点进行补充整个数据库的极值空缺，补全数据库公式表示如下：

L_D(f，r_j，z)＝L_D(f，r_n+1，z)，j＝1，2，…，n

r_j表示r方向上的第j个网格节点，n可取10-30范围。

4.根据权利要求1中所述的平坦地形风电场的噪声预测和优化布局方法，其特征在于：步骤三中，风电场噪声传播数据库的多维插值包括声源高度、传播方向距离和噪声频率插值；且逐一从高度、传播方向进行插值；

具体插值公式如下：

其中，f(p)代表声功率函数，h代表噪声传播的高度方向位置，1代表噪声传播的水平方向位置。

5.根据权利要求1中所述的平坦地形风电场的噪声预测和优化布局方法，其特征在于：步骤四中，考虑噪声传播的风电场优化布局中，创建相应要求点群，然后对其点群计算不同风向和风速下的声压级；

考虑到尾流的影响，计算具有代表性的额定风速处不同风向下的声压级，取其中最大声压级进行优化，从而得到满足要求的噪声声压级等高线；

优化的噪声目标公式如下：

其中，K，I，F分别表示风向总数、风力机台数、频率总数，SP_k，i，fi表示不同风向下的每台风力机的声功率，L_i，fi表示每台风力机的噪声传播衰减系数。