CN110100091A - 依赖于风力涡轮机温度的降噪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种控制由风力涡轮机产生的噪声的方法。风力涡轮机包括一个或多个部件冷却装置，以及该方法包括：接收指示出由该一个或多个部件冷却装置产生的噪声的一个或多个输入；基于该一个或多个输入来确定来自该一个或多个部件冷却装置的噪声对整体涡轮机噪声的贡献；基于冷却装置噪声对整体涡轮机噪声的贡献并且基于涡轮机噪声要求来修改涡轮机操作。本发明还提供了相应的风力涡轮机控制器。

Description

依赖于风力涡轮机温度的降噪

技术领域

本发明涉及控制由风力涡轮机产生的噪声。

背景技术

风力涡轮机的噪声排放是众所周知的问题，并且已经成为广泛工作的主题。测量风力涡轮机声学噪声的程序在国际标准IEC61400-11的第三版中描述。

来自风力涡轮机的噪声发射包括机械噪声和空气动力学噪声两者。机械噪声包括由机舱内的部件(诸如风力涡轮机传动系)驱动的噪声。这种噪声可以直接从振动部件的表面辐射到周围环境(所谓的空气噪声)，或者当部件的振动通过风力涡轮机的结构传导时，可以由风力涡轮机塔架或叶片辐射到周围环境(所谓的结构传播噪声SBN)。空气动力学噪声来自风力涡轮机叶片并且包括例如由于涡旋脱落引起的噪声。

由风力涡轮机产生的噪声的频谱包括宽带噪声和不同频率的噪声。不同频率的噪声(称为音调噪声)通常被认为对风力涡轮机邻近的人而言更加烦人，并且更可能成为噪声投诉的主题。不幸的是，很难预测风力涡轮机何时会产生音调噪声以及何时风力涡轮机邻近的人可以听到音调噪声，因为这可能取决于多种因素。

一个或多个冷却装置(诸如冷却风扇)可以被包括在风力涡轮机中，以将操作温度保持在设计极限内。例如，变压器、变速箱、功率转换器和/或发电机可以包括一个或多个冷却风扇。还可以存在用于涡轮机机舱环境的通用冷却风扇。这种冷却风扇会产生噪声。

为了满足可能施加的噪声水平要求，现代风力涡轮机配置为能够在降噪操作(NRO)模式下操作。NRO模式通常通过限制涡轮机的最大转子速度和功率输出来降低涡轮机产生的声级。NRO模式在夜间使用，例如，当风力发电厂的邻近的人可能对涡轮机噪声更敏感时。

本发明的实施方式的目的可以是提供一种由风力涡轮机控制噪声输出的方法。

发明内容

本发明在现在应该参考的独立权利要求中限定。优选特征在从属权利要求中详述。

发明人已经意识到，各种风力涡轮机降噪操作模式由最大可允许声音发射控制。当在大大降低噪声的模式下操作时，冷却装置(诸如冷却风扇)对整体噪声的贡献会变得很大。通常，为了符合最大噪声水平，即为了避免风力涡轮机的噪声水平超过期望的阈值，风扇的速度将会被降低。然而，这可能会危及某些部件的安全性，并且由于缺乏冷却而导致故障。

根据第一方面，本发明提供一种控制风力涡轮机的方法，该风力涡轮机包括一个或多个部件冷却装置。该方法包括接收指示出由该一个或多个部件冷却装置产生的噪声的一个或多个输入；基于该一个或多个输入来确定来自该一个或多个部件冷却装置的噪声对整体涡轮机噪声的贡献；以及基于冷却装置噪声对整体涡轮机噪声的贡献并且基于涡轮机噪声要求来修改涡轮机操作。

指示出由冷却装置产生的噪声的该一个或多个输入与涡轮机部件的温度相关。因此，涡轮机部件的温度由控制系统视为控制涡轮机操作中的参数，而不是采取诸如通过降低冷却风扇的速度来减少施加到涡轮机部件的冷却的步骤。因此，涡轮机功率产出和噪声发射取决于部件的温度。通过以这种方式将部件温度作为输入来确定所需降噪的程度，确保了涡轮机的操作安全性和邻近的人的噪声舒适性。

由于缺乏冷却导致温度升高而引起的灾难性故障得以避免，同时履行涡轮机或风力发电厂运营商的噪声输出义务。这对于噪声敏感的温暖气候中的涡轮机尤其有益。

可选地，修改涡轮机操作包括：当来自该一个或多个部件冷却装置的噪声的贡献减小时，执行增加功率输出、增加转子速度、或改变叶片的桨距角、或其组合中的一个或多个；当来自该一个或多个部件冷却装置的噪声的贡献增加时，执行降低功率输出、降低转子速度、或改变叶片的桨距角、或其组合中的一个或多个。

可选地，该方法还包括：获取指示出该一个或多个风力涡轮机部件的操作温度的数据；以及基于操作温度来操作该一个或多个部件冷却装置以冷却一个或多个部件。

可选地，确定来自该一个或多个部件冷却装置的噪声对整体涡轮机噪声的贡献包括根据该一个或多个输入确定冷却装置的声功率级。确定冷却装置的声功率级可以包括根据该一个或多个输入确定冷却装置的至少一个当前操作条件，并且根据操作条件和声功率级确定声功率级，该功能根据以下确定：预先确定的关系；在测试环境中的先前测量；和/或在涡轮机上进行的先前测量。

可选地，该一个或多个输入与由该一个或多个冷却装置冷却的部件的温度相关。该一个或多个输入可以包括以下中的一个或多个：部件温度；涡轮机功率；电网电压；涡轮机负载；环境温度；环境湿度。

可选地，冷却装置是冷却风扇。在这种情况下，该一个或多个输入可以包括风扇速度或RPM。

可选地，该方法还包括确定冷却装置的当前操作参数是否与来自冷却装置的音调噪声相关联，以及修改涡轮机操作以增加转子噪声以掩蔽来自冷却装置的音调噪声。

可选地，该方法还包括通过调节一个或多个冷却装置的一个或多个当前操作参数来调节由一个或多个冷却装置产生的噪声，以便产生掩蔽由一个或多个其他涡轮机部件产生的音调噪声的噪声。该方法可以进一步包括确定音调噪声正在由一个或多个涡轮机部件生成或接收指示出音调噪声正在由一个或多个涡轮机部件生成的输入，以及通过调节该一个或多个冷却装置的一个或多个当前操作参数来生成掩蔽噪声。当冷却装置是风扇时，风扇速度可以改变，使得风扇提供适当的掩蔽。

可选地，涡轮机操作通过改变叶片桨距、转子RPM或涡轮机功率输出中的一个或多个来修改。

冷却部件可以与涡轮机的关键部件或区域(诸如变压器、转换器或机舱环境)相关联。

根据可以与第一方面分开使用或与第一方面结合使用的本发明的第二方面，提供了一种用于控制包括一个或多个部件冷却装置的风力涡轮机的方法，该方法包括：基于一个或多个预先确定的风力涡轮机现场条件来计算指示出由该一个或多个部件冷却装置产生的噪声的操作特性；基于操作特性来确定来自该一个或多个部件冷却装置的噪声对整体涡轮机噪声的贡献；以及定义降噪操作模式，其基于冷却装置噪声对整体涡轮机噪声的贡献并且基于涡轮机噪声要求来限制涡轮机操作。降噪操作模式基于冷却装置噪声对整体涡轮机噪声的贡献并基于涡轮机噪声要求来限制一个或多个涡轮机操作参数。降噪操作模式然后可以用于控制用于现场的一个或多个风力涡轮机的操作。

可以提供控制器，用于根据本文描述的方法控制风力涡轮机或风力发电厂。可以提供包括这种控制器的风力涡轮机或风力发电厂。还提供了一种计算机程序，该计算机程序在计算设备上执行时使其执行本文所述的方法。

本发明的实施方式的方法尤其可以在低噪声操作模式期间实施。

附图说明

现在将参考附图更详细地描述本发明的实施方式，其中：

图1展示根据本发明的一个或多个实施方式的大型现代风力涡轮机；

图2展示根据本发明的一个或多个实施方式的从侧面看的风力涡轮机机舱的简化截面图；以及

图3展示根据本发明的一个或多个实施方式的方法的示例。

具体实施方式

图1展示本领域已知的大型现代风力涡轮机10，该风力涡轮机包括塔架11和位于塔架顶部的风力涡轮机机舱13。涡轮机转子12的风力涡轮机叶片15安装在公共轮毂14上，该公共轮毂14通过从机舱前部延伸出的低速轴连接到机舱13。涡轮机转子12的风力涡轮机叶片15通过变桨轴承16连接到轮毂14，使得叶片能够该围其纵向轴线旋转。叶片15的桨距角然后可以通过线性致动器、步进电动机或用于旋转叶片的其他装置来控制。图示的风力涡轮机10具有三个涡轮机叶片15，但是应当理解，风力涡轮机可以具有另外数量的叶片，诸如一个、两个、四个、五个或更多。

风力涡轮机还可以包括定位在涡轮机上或涡轮机内或者涡轮机的远程位置处的风力涡轮机控制器。控制器可以通信地耦合到风力涡轮机的任何数量的部件，以便控制它们。控制器可以是计算机或其他合适的处理单元。例如，控制器可以是软件，该软件在被执行时使控制器执行各种功能，诸如接收、发送和/或执行风力涡轮机控制信号以及本文所述的各种方法步骤。控制器可以包括通信模块，以允许控制器与风力涡轮机的各种部件之间的通信。可以包括传感器接口(例如一个或多个模数转换器)以将传感器信号转换成可以由控制器处理的信号。

图2展示从侧面看的风力涡轮机10的示例性机舱13的简化横截面。机舱13存在多种变型和配置，但在大多数情况下包括以下部件中的一个或多个：变速箱130、联接器(未示出)、某种制动系统131和发电机132。机舱还可以包括转换器133(也称为逆变器)和附加的外围设备，诸如另外的动力处理设备、控制柜、液压系统、冷却系统等。

涡轮机冷却系统可以包括一个或多个冷却装置，该冷却装置也可以被称为冷却构件、冷却部件等。各种冷却装置可以与风力涡轮机的相关联的部件(诸如发电机和变速箱)配置在一起，以便冷却这些部件。特别地，风力涡轮机的关键部件和区域可以定位在机舱中并且可以配置有其自身的专用冷却装置。关键部件包括转换器和/或变压器，但也可以包括其他部件，诸如发电机和/或变速箱。另外或替代地，可以提供用于机舱的内部区域的冷却装置，该冷却装置可以为变速箱和发电机提供冷却。

冷却装置可以是冷却风扇。这种风扇可以构造成引导冷空气穿过或通过所讨论的部件的内部部件，以便将部件温度保持在预先确定的极限内。风扇可以是变速风扇，风扇的速度增加以增加冷却效果并且降低以降低冷却效果。

风扇速度可以由风力涡轮机控制器或者由单独的控制系统控制。风扇速度可以根据与部件温度相关的一个或多个操作参数和条件控制。风扇速度可以根据以下中的一个或多个控制：

-风扇冷却的相应部件的温度；

-环境温度；

-环境湿度；

-风力涡轮机功率水平

-电网电压。

风扇正在冷却的相应部件的温度可以由与部件相关联的温度传感器检测。例如，传感器可以构造成监测发电机和/或变速箱和/或其他部件的温度。这样，涡轮机控制器或冷却系统控制器可以基于温度来调节至少一个风扇的速度。

在风扇控制是基于除与部件相关的温度测量之外的操作参数的情况下，这可以是基于所讨论的参数与部件的相关联的温度之间的预先确定的相关性。

图3展示根据本发明实施方式的示例方法300。各种方法步骤中的所有或一些可以在风力涡轮机控制器中实施。

在步骤310处，一个或多个风力涡轮机部件的温度被确定。在步骤320处，每个部件的相关联的冷却风扇以满足该部件的冷却要求所需的速度/RPM操作。例如，风扇的所需速度可以根据其相关联的部件的温度确定。步骤310和320可以是冷却涡轮机部件中的常规步骤，并且可以用操作一个或多个冷却装置的任何其他合适的方法代替。这些步骤可以由风力涡轮机控制器执行，或者可以由不同系统(诸如冷却系统的控制器)执行。

在步骤330处，当前涡轮机操作模式中的风扇噪声对整体涡轮机噪声的贡献被确定。风扇噪声贡献使用一个或多个风扇或涡轮机操作参数与噪声输出之间的预先确定的关系来确定。操作参数作为输入提供，该输入被操作以确定风扇噪声输出。风扇噪声与被冷却部件的温度有关，因此与部件温度相关的任何参数都可以用于确定风扇噪声。因此，风扇噪声可以是许多参数(诸如RPM或风扇速度、环境和/或部件温度、环境湿度等)的函数。风扇噪声还与涡轮机功率或负载以及电网电压相关。可以单独或组合使用任何参数。

风扇的声功率级可以根据输入和风扇噪声之间的关系确定。可以使用确定关系的任何合适的方法，包括使用制造商数据的计算、在测试环境中执行的测量和/或在操作期间在现场的涡轮机上的测量。

如上所述，风扇的声功率可以根据风扇速度、涡轮机负载、涡轮机功率等中的一个或多个来获得。控制器可以连续地或周期性地监测风扇噪声贡献。风扇噪声贡献监视可以仅当涡轮机在低噪声操作模式下操作时才执行，其中来自冷却风扇的噪声更可能是明显的。

在步骤340中，当考虑所需冷却时，确定来自涡轮机其余部分的最大允许噪声发射水平。换句话说，确定来自涡轮机的最大允许噪声发射水平减去由于所需冷却导致的来自风扇的贡献。

例如，风扇噪声对整个涡轮机噪声输出的贡献可以使用以下等式确定：

Lw(Total)＝Lw(WTGrest)+Lw(Fan)

Lw是特定音源的声功率级。Lw(Total)表示风力涡轮机的总声功率级。Lw(Fan)表示可归因于风扇或其他冷却装置的声功率级。Lw(WTGrest)表示可归因于风力涡轮机的其余部分的声功率级，并且尤其可以是与转子和叶片相关联的声功率级。

Lw(Total)不应超过由规定或以其他方式提供的特定值。由于冷却而由风扇产生的噪声可以从Lw(Total)中减去，以提供涡轮机的允许声功率级。然后，这可以用作对涡轮机操作的限制，以将总噪声水平维持在所需阈值以下，同时最大化发电，并因此最大化AEP。

在步骤350处，涡轮机操作被修改以满足涡轮机噪声要求。特别地，涡轮机操作通过更改叶片桨距、转子RPM或涡轮机功率输出中的一个或多个来修改。转子噪声是转子RPM、叶片桨距、功率输出等的函数。通过控制这些操作参数，可以将风力涡轮机的噪声控制在所需的水平内，同时在该约束内使功率输出最大化。噪声水平在不改变风扇、或风扇控制、操作的情况下被满足，而是通过改变如本文所述的风力涡轮机的操作参数来满足。

因此，Lw(Total)减去Lw(Fan)的值提供了“噪声预算”，或由涡轮机产生的噪声不得超过的总噪声水平。如果风扇噪声水平低于正常值，则转子可以在更响的水平下操作，这改善了能量捕获。如果风扇噪声水平高于正常值，则涡轮机控制器必须降低由于转子引起的噪声输出。虽然降低转子噪声水平将会减少能量捕获，但减少将小于替代噪声控制策略。

根据一个或多个实施方式，NRO模式可以基于风力涡轮机所定位或将要定位的现场的条件来预先定义。风电场的该一个或多个风力涡轮机的现场条件可以在建造或操作之前已知，并且可以根据这些现场条件来推导指示出由冷却装置产生的噪声的一个或多个参数。例如，推导可以使用在涡轮机规划阶段使用的现有现场建模技术来执行。然后可以基于这些参数来控制涡轮机操作的一个或多个参数，以限制它们，使得由涡轮机产生的噪声根据现场条件保持在预先确定的水平内。NRO模式可以在现场条件满足特定标准时动态激活，或者可以始终激活，具体取决于现场。

特别地，预先确定的现场条件，诸如风速、方向、温度、湿度(或这些值的平均值)指示出涡轮机操作的一个或多个参数。这包括温度并且因此包括与如本文所述的冷却装置操作相关联的噪声。然后可以定义预先确定的“固定”操作模式，考虑冷却装置噪声和来自其他涡轮机部件的噪声两者。在该操作模式中，由涡轮机产生的噪声可以通过将一个或多个涡轮机操作参数控制在预先确定范围内或低于适当的阈值来减小。依照本文描述的方法，噪声可以不通过直接调节冷却装置的操作来控制，而是考虑由冷却部件产生的噪声通过调节风力涡轮机的其他操作参数来控制。例如，NRO模式下的风力涡轮机的发电量可以被限制在预先确定的范围内，同时允许冷却系统正常操作。如本文所述的其他操作参数可以被类似地限制。因此，除了自适应控制之外或作为自适应控制的替代，本发明可以提供特定的NRO模式。

本发明的任何实施方式可以被进一步增强以覆盖或掩蔽由一个或多个涡轮机部件产生的音调噪声。通常，与广谱噪声相比，由一个或多个涡轮机部件产生的音调噪声可能更容易由邻近的人察觉，并且因此将会被认为更烦人。

当冷却装置产生音调噪声时，涡轮机的一个或多个操作参数可以被调节以产生适当的掩蔽噪声。掩蔽噪声掩蔽了另一种声音，使其感知或检测更加困难。掩蔽的量可以被定义为由于存在掩蔽声音而导致的声音(信号)的检测阈值中的增加(以分贝为单位)。掩蔽音调噪声所需的掩蔽噪声的适当特征通常是已知的，并且这里将不再详细描述。

冷却装置的一个或多个操作参数的值可以与来自冷却装置的音调噪声相关联。该关联可以由先前测量、制造商规范等生成，或者可以使用定位在相对于涡轮机的近场或远场中的适当声音捕获设备来实时测量。当音调噪声由冷却装置产生时，风力涡轮机的操作可以被调节以产生适当的掩蔽噪声，以掩蔽由冷却装置产生的音调噪声。特别地，当一个或多个冷却装置的一个或多个当前操作参数具有与来自冷却装置的音调噪声相关联的值时，涡轮机操作被修改。例如，转子噪声可以被更改，特别是被增加，以掩蔽来自冷却装置的音调噪声。

作为另一种可能性，除了上述掩蔽之外或作为上述掩蔽的替代，冷却装置本身可以用于掩蔽由一个或多个其他涡轮机部件产生的音调噪声，诸如源自变速箱或转换器的音调噪声。在此，冷却装置的一个或多个操作参数可以被调节，以便为除冷却装置之外的涡轮机部件提供适当的掩蔽噪声。例如，风扇速度可以被改变，使得风扇提供所需的掩蔽。

在本文档中，风扇已被用作冷却装置的示例。应当理解，其他类型的冷却装置与本发明的实施方式兼容。可以使用诸如水冷或气冷系统的替代方案。

虽然已经示出和描述了本发明的实施方式，但是应该理解，这些实施方式仅作为示例描述，并且应当理解，不同实施方式的特征可以彼此组合。在不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下，本领域技术人员将想到许多变化、改变和替换。因此，所附权利要求旨在覆盖落入本发明的精神和范围内的所有这些变化或等同方案。

Claims (20)

1.一种控制风力涡轮机的方法，所述风力涡轮机包括一个或多个部件冷却装置，所述方法包括：

接收指示出由一个或多个部件冷却装置产生的噪声的一个或多个输入；

基于所述一个或多个输入来确定来自所述一个或多个部件冷却装置的噪声对整体涡轮机噪声的贡献；以及

基于冷却装置噪声对整体涡轮机噪声的贡献并且基于涡轮机噪声要求来修改涡轮机操作。

2.如权利要求1所述的方法，其中修改涡轮机操作包括：

当来自所述一个或多个部件冷却装置的噪声的贡献减小时，执行增加功率输出、增加转子速度、改变叶片的桨距角、或其任何组合中的一个或多个；以及

当来自所述一个或多个部件冷却装置的噪声的贡献增加时，执行降低功率输出、降低转子速度、改变叶片的桨距角、或其任何组合中的一个或多个。

3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括：

获取指示出所述一个或多个风力涡轮机部件的操作温度的数据；以及

基于操作温度来操作所述一个或多个部件冷却装置以冷却一个或多个部件。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中：

确定来自所述一个或多个部件冷却装置的噪声对整体涡轮机噪声的贡献包括根据所述一个或多个输入确定冷却装置的声功率级。

5.根据权利要求4所述的方法，其中确定冷却装置的声功率级包括根据所述一个或多个输入确定冷却装置的至少一个当前操作条件，并且根据操作条件和声功率级确定声功率级，所述功能根据以下确定：预先确定的关系；在测试环境中的先前测量；和/或在涡轮机上进行的先前测量。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述一个或多个输入与由所述一个或多个冷却装置冷却的部件的温度相关。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述一个或多个输入包括以下中的一个或多个：

部件温度；涡轮机功率；电网电压；涡轮机负载；环境温度；或环境湿度。

8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中冷却装置是冷却风扇，并且所述一个或多个输入包括风扇速度。

9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括：

确定冷却装置的当前操作参数是否与来自冷却装置的音调噪声相关联，以及修改涡轮机操作以增加转子噪声以掩蔽来自冷却装置的音调噪声。

10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括：

通过调节一个或多个冷却装置的一个或多个当前操作参数来调节由所述一个或多个冷却装置产生的噪声，以便产生掩蔽由一个或多个其他涡轮机部件产生的音调噪声的掩蔽噪声。

11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括：

确定音调噪声正在由一个或多个涡轮机部件产生或接收指示出音调噪声正在由一个或多个涡轮机部件产生的输入，并且通过调节一个或多个冷却装置的一个或多个当前操作参数来产生掩蔽噪声。

12.根据权利要求10或11所述的方法，其中冷却装置是风扇，并且风扇速度被改变以提供适当的掩蔽噪声。

13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中涡轮机操作通过更改叶片桨距、转子RPM或涡轮机功率输出中的一个或多个来修改。

14.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中冷却部件是冷却风扇。

15.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中冷却部件与涡轮机的关键部件或区域，诸如变压器、转换器或机舱环境，相关联。

16.一种用于控制风力涡轮机的方法，所述风力涡轮机包括一个或多个部件冷却装置，所述方法包括：

基于一个或多个预先确定的风力涡轮机现场条件来计算指示出由所述一个或多个部件冷却装置产生的噪声的操作特性；

基于操作特性来确定来自所述一个或多个部件冷却装置的噪声对整体涡轮机噪声的贡献；以及

定义降噪操作模式，所述降噪操作模式基于冷却装置噪声对整体涡轮机噪声的贡献并且基于涡轮机噪声要求来限制一个或多个涡轮机操作参数。

17.一种控制风力涡轮机的方法，所述风力涡轮机包括一个或多个部件冷却装置，所述方法包括根据权利要求16所述的降噪操作模式操作风力涡轮机。

18.一种用于控制风力涡轮机或风力发电厂的控制器，控制器构造成执行根据权利要求1至17中的一项或多项所述的方法。

19.一种包括根据权利要求18所述的控制器的风力涡轮机或风力发电厂。

20.一种计算机程序，当在计算设备上执行时，所述计算机程序使所述计算设备执行根据权利要求1至17中的一项或多项所述的方法。