CN110177934B - 风力涡轮机的噪声分析与控制 - Google Patents

Abstract

一种确认风力涡轮机的促进产生音调噪声的运行参数的方法。该方法包括获取与风力涡轮机的多个运行参数相关的运行参数数据。运行参数数据包括风力涡轮机的每个运行参数的一组值。还获取包括由风力涡轮机产生的音调噪声并且与运行参数数据同步的噪声数据。然后，相对于第一运行参数的一组运行参数值对噪声数据划分区间，并且针对一个或多个区间中的每一个，相对于第二运行参数的一组值分析区间中的噪声数据。然后，该方法基于该分析确定第二运行参数与由风力涡轮机产生的音调噪声之间是否存在关系。

Description

风力涡轮机的噪声分析与控制

技术领域

本发明涉及分析来自风力涡轮机的噪声排放，尤其涉及音调噪声排放，并且还涉及基于该分析的风力涡轮机的后续控制。

背景技术

来自风力涡轮机的噪声排放是众所周知的问题，并且已经成为大量工作的主题。测量风力涡轮机声学噪声的程序在国际标准IEC 61400-11的第三版中描述。

来自风力涡轮机的噪声排放包括机械噪声和空气动力学噪声。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。这种噪声可以从振动部件的表面直接辐射到周围环境(所谓的空气传播噪声)，或者当部件的振动通过风力涡轮机的结构传导时可以通过风力涡轮机的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。

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。通常认为不同频率的噪声(被称为音调噪声)对于风力涡轮机的邻居而言更加恼人，并且更可能成为噪声投诉的对象。遗憾的是，预测风力涡轮机将在何时产生音调噪声是困难的，并且音调噪声的产生可能取决于风力涡轮机的各种不同运行参数和条件。这进而使得难以评估邻居的噪声投诉并对其采取措施，并且难以调整风力涡轮机的运行以避免或减少音调噪声的产生。

用于分析由风力涡轮机产生的噪声频谱的现有方法在确认噪声频谱内包含的音调噪声和确认风力涡轮机的引起音调排放的特定运行参数的方面令人不满意。例如，用于分析噪声数据的现有IEC标准太宽泛，其不能有效地确认音调噪声区域，并且不能允许音调噪声与运行参数的任何关联。此外，根据IEC标准，并非评估噪声数据的所有频谱，并且仅需要某种百分比。例如，如果仅在30％的频谱中强烈地存在音调，那么即使在其余70％中完全不存在音调，该标准也将报告高值的音调可听度。

发明内容

已经认识到需要改进用于分析来自风力涡轮机的噪声排放数据的现有技术。具体地，提供了一种分析来自风力涡轮机的噪声排放的方法，该方法确认噪声数据的频谱中的音调噪声并且确认风力涡轮机的对产生音调噪声负责的运行参数。该方法也可用于确认对音调噪声负责的部件，尤其是在存在边带的情况下。这是有利的，因为IEC标准将一个宽频率范围与相同起源的音调相关联，但情况并非总是如此。接下来，可以使用音调噪声分析来调整风力涡轮机的运行参数，以避免导致音调噪声的运行参数值或增加掩蔽噪声。

本发明由现在参考的独立权利要求限定。优选特征在从属权利要求中详述。

根据本发明的第一方面，提供了一种确认风力涡轮机的促进产生音调噪声的运行参数以及(可能地)部件的方法。该方法包括获取与风力涡轮机的多个运行参数相关的运行参数数据，其中运行参数数据包括风力涡轮机的每个运行参数的一组值，并且其中在风力涡轮机的运行期间获得运行参数数据。该方法还包括获取噪声数据，该噪声数据包括由风力涡轮机产生的音调噪声并且与运行参数数据同步。该方法还包括相对于第一运行参数(诸如发电机RPM)的一组运行参数值对噪声数据划分区间(binning)，并且针对一个或多个区间中的每一个，相对于第二运行参数(诸如桨距、功率/扭矩等)的一组值分析区间中的噪声数据，并且基于该分析确定第二运行参数与由风力涡轮机产生的音调噪声之间是否存在关系。

该方法是对现有标准的改进。例如，IEC标准区间仅相对于风速划分区间并且仅具有0.5m/s的区间宽度，其不允许对不同的运行参数进行分析。这种划分区间太宽，区间宽度不与音调的产生良好相关，并且这种划分区间不允许i)有效地确认与不可接受的音调噪声相关的噪声数据的区域以及ii)不可接受的噪声的产生与可能导致这种产生的涡轮机参数之间的任何关联。相反，本发明的实施方式相对于第一运行参数划分区间，然后相对于第二运行参数单独地分析噪声数据。这允许准确地确认在什么参数值下存在音调噪声以及音调噪声与产生它的参数的相关性。

所描述的方法允许确定在涡轮机的运行中在什么情况下存在音调噪声，并且允许确认音调噪声的(多个)源。通过该方法，针对不同的涡轮机运行区域内的不同的源确定“热点”或关注区域。然后可以在“热点”区域内应用相关性分析，其用于确认临界的音调敏感的运行参数。该方法还向需要改进某些部件(源部件)的运行区域提供更精确的信息。该方法可以帮助确认涡轮机运行参数的真实“热点”，使得可以通过涡轮机控制或物理部件改进或其它方式提供解决方案，以便邻居不会受到相同水平的恼人的音调噪声的影响。

上述方面的划分区间还可以包括确认第一运行参数的一组参数值的范围。该范围可以由多个运行参数中的至少一个的一组值确定。此外，该方法然后可以将每个区间设置为等于该范围。这个特征允许计算具有最佳宽度的区间，其在确认噪声数据中的音调噪声并将音调噪声的产生与风力涡轮机的运行参数进行关联时提供更高的效率。

根据第一方面的相对于第二运行参数的一组值的分析还可以包括确认第二参数的一子组参数值。该子组参数值可以是与区间相关的值。此外，分析该子组参数值的变化并将其与区间中的噪声数据的变化进行比较。然后确定该子组参数值的变化与噪声数据的变化之间的相关性。这允许更精细地分析第二参数和音调噪声之间的相关性。

这可以进一步包括基于该比较来计算相关系数，其中相关系数指示第二参数的一子组参数值的变化与区间中的噪声数据的变化之间的相关性。另外，确定第二参数是否促进产生指示音调噪声的噪声值还包括设定相关系数的预定条件(诸如阈值)，并且如果相关系数满足预定条件，诸如超过阈值，则确定第二参数促进产生指示音调噪声的噪声值，并且确定第二参数的该子组参数值是音调噪声的产生的源或动因。这些组成值(即第二参数的该子组参数值)是作为产生给定区间的音调噪声的源和/或动因的参数值。与该参数相关的涡轮机部件(例如，齿轮箱、发电机、风扇等)可以被描述为源部件。

该方法可以进一步包括通过基于分析来调整风力涡轮机的运行参数从而控制风力涡轮机，使得第二运行参数的运行参数值不是源(即，使得它们不再是音调噪声的源或动因)。例如，可以通过改变运行策略(自适应控制)、通过改变桨距和/或rpm(和间接地改变功率)来减少音调噪声(Lpt)。替代地或另外地，控制风力涡轮机可以包括基于分析来调整风力涡轮机的运行参数，使得风力涡轮机的掩蔽噪声增加。可以通过涡轮机本身(自适应控制)或附加装置来增加掩蔽噪声(Lpn)。

这些特征提供了一种稳健的方法，以用于将确认的音调噪声数据与促进其产生的参数相关联。

第一方面的第一运行参数可以是RPM。风力涡轮机在音调方面对RPM敏感，因此这允许容易地确认音调噪声。因此，RPM是用于划分区间的良好参数。然而，也可以使用其它参数，本文描述了示例。

该方法还可以包括确定噪声数据的区域是否包含指示音调噪声的噪声数据。这可以通过将涡轮机的整个运行区域(或其所选部分)分成不同参数的区间来实现。如果根据特定参数被划分区间的数据的区域包含指示音调噪声的噪声数据，则可以将该区域设定为等于候选区域。这可以通过针对给定参数的每个区间确定平均最大音调水平(作为示例)来执行。然后将这些值与相应的预定条件，诸如阈值进行比较。满足预定条件的数据区域(例如，超过阈值)被设定为等于候选区域。阈值可以是给定区间的最大可允许音调水平(作为示例)，并且候选区域可以包括一个或多个区间。此外，该方法可以包括，相对于第二运行参数的一组值，只分析处于候选区域中的一个或多个区间中的噪声数据。通过这种方式，仅考虑相关数据，从而减少了需要分析的数据量并因此减少了计算开支。

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是具有风力发电厂的景观的透视图；

图2示出了大型现代风力涡轮机；

图3示出了从侧面看的机舱的简化横截面；

图4是示出了分析风力涡轮机噪声的方法的流程图；

图5示出了示例性噪声数据和确认噪声数据的区域的方法，该区域是包含指示不可接受的音调噪声的噪声数据的候选区域。

具体实施方式

图1示出了风力发电厂(1)，其包括多个风力涡轮机(10a，10b，10c)和能够听到风力涡轮机噪声的相邻区域(2)。为了实施本发明，风力发电厂(1)可以具有大于或等于1的任何数量的风力涡轮机，并且风力涡轮机可以是本领域中已知的风力涡轮机样式。

在邻近区域(2)附近，存在被构造为捕获噪声数据的麦克风(20)，该噪声数据包括表示由风力发电厂的一个或多个风力涡轮机(10a，10b，10c)产生的噪声的数据。麦克风在较长时间段上以合适的采样率捕获噪声数据，例如根据IEC 61400-11第三版中描述的过程。

由麦克风(20)捕获的噪声数据被从麦克风传送以进行分析。例如，它可以被传送到一个或多个计算机(未示出)，该计算机分析风力发电厂的一个或多个风力涡轮机(10a，10b，10c)的数据和/或控制其运行。这种计算机可以在风力发电厂内部或外部，并且可以与风力发电厂的一个或多于一个风力涡轮机相关联。也就是说，每个风力涡轮机可以与一个或多个专用计算机相关联，或者多个风力涡轮机可以共享一个或多个计算机。

虽然图1仅示出了一个麦克风(20)，但可以在其它位置存在附加的麦克风。还可以传送附加的麦克风的噪声数据以进行分析。噪声数据的独立的通道可以被单独处理，或者可以被聚合以产生单个噪声数据组。在一些实施方式中，关于每个风力涡轮机可以存在一个或多个麦克风。

还可以通过适当的传感器测量并随着时间记录一个或多个风力涡轮机(10a，10b，10c)的运行参数。例如，运行参数可以包括以下内容。

-发电机RPM-发电机转子以每分钟转数(RPM)为单位的旋转速率的测量值。

-发电机转速变化-在风力涡轮机运行期间的一段时间上测量的发电机RPM的变化。

-桨距-叶片相对于风的迎角。

-桨距变化-在风力涡轮机运行的一段时间期间测量的桨距的变化。

-功率/扭矩-由风力涡轮机产生的功率，其以本领域已知的方式与扭矩直接相关。

-功率/扭矩变化-在风力涡轮机运行的一段时间期间测量的功率/扭矩的变化。

-偏航角-机舱围绕其竖直轴线的旋转角度。

-偏航角变化-偏航角随时间的变化。

-转子RPM-转子叶片以每分钟转数(RPM)为单位的旋转速率的测量值(可以根据发电机rpm计算出转子rpm，但是在某些情况下如果可以获得特定涡轮机变型的多个齿轮比，则可能感兴趣的是按照转子rpm划分区间)。

-转子RPM变化-转子RPM随时间的变化。

噪声参数可以包括以下内容：

-最大音调水平-在给定RPM下的噪声数据获得的以dB为单位测量的最大音调水平。可以通过本领域已知的方式从噪声数据获得音调水平，例如根据IEC标准。

-音调能量-音调中含有的能量。

-掩蔽能量-掩蔽音调的噪声或掩蔽音调的噪声中的能量。

-听到百分比-风力涡轮机的邻居听到的音调噪声的百分比。

-临界频带中的峰值的数量(及其相应的频率)，其可能确认对音调负责的不同的源部件

适用于本发明实施方式的噪声参数在IEC 61400-11中描述。

可以考虑的其它因素包括涡轮机的运行，诸如运行模式(例如，具有特定一组运行参数或特定范围运行参数的控制策略)、偏航角、偏航误差和控制器设定、所收集数据的日常变化、多天的数据测量值、所收集数据的总量、所收集噪声数据中峰值的宽度(广度)、针对噪声数据计算的音调线的数量以及噪声数据中存在的峰值的数量。还可以通过适当的传感器测量并随着时间记录其它运行参数。示例包括诸如风速、风速变化、风向和风向变化的运行条件。运行参数表示风力涡轮机的可以限定涡轮机运行的方面。在本发明的上下文中，运行参数还可以包括表示风力涡轮机在运行期间所经历的因素的条件。为简洁起见，术语运行参数可以被理解为包括噪声参数、运行参数和运行条件。

代表这些参数中的任何参数的风力涡轮机运行参数数据可以被传送以用于分析。例如，风力涡轮机运行参数数据可以被传送到噪声数据所传送到的(多个)计算机。运行参数数据包括风力涡轮机的每个运行参数的一组值。例如，与风力涡轮机的发电机RPM相关的运行参数数据可以被传输到计算机。该数据形成一组值，其指示风力涡轮机在测量参数的时间段上运行时的RPM。

图2示出了本领域已知的大型现代风力涡轮机(10)，其包括塔架(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，该轮毂通过从机舱前方延伸出的低速轴连接到机舱(13)。涡轮转子(12)的风力涡轮机叶片(15)通过桨距轴承(16)连接到轮毂(14)，以使叶片能够围绕其纵向轴线旋转。然后可以通过线性致动器、步进电动机或用于使叶片旋转的其它装置来控制叶片(15)的桨距角。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其它数量的叶片，诸如一个、两个、四个、五个或更多个。

图3示出了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)存在多种变型和构型，但在大多数情况下包括以下部件中的一个或多个：齿轮箱(131)、联轴器(未示出)、某种制动系统(132)和发电机(133)。机舱还可以包括转换器(134)(也被称为逆变器)和附加的外围设备，诸如其它动力处理设备、控制柜、液压系统、冷却系统等。

图4是示出了根据本发明的实施方式分析风力涡轮机的噪声的方法(400)的流程图。麦克风(20)收集噪声数据。该数据表示风力涡轮机在运行时随时间的噪声排放。同时，可以记录与风力涡轮机的多个运行参数相关的运行参数数据。在步骤(410)和(420)，将噪声数据和运行参数数据传送到计算机以进行分析。尽管表示获取运行参数数据(410)的步骤被示出在获取噪声数据(420)之前，但是应当理解，获取数据的顺序并不重要。例如，在收集噪声数据并将其传送到计算机时，风力涡轮机运行参数数据可以同时传输到计算机。

在步骤(430)，噪声数据与运行参数数据时间同步，使得噪声数据的每个数据点对应于当进行噪声测量时风力涡轮机正在以此运行的每个运行参数的特定值。以这种方式，每个噪声数据点与多个运行参数值相关联，其中每个值与风力涡轮机的不同参数相关。因此，与每个噪声数据点相关的参数值指示在发出所记录的噪声时风力涡轮机的运行。

在本文中，噪声数据与先前列出的每个运行参数的一组值时间同步。然而，应当理解，噪声数据可以与较少参数组时间同步。例如，噪声数据可以仅与关于RPM的一组值、关于功率的一组值以及关于音调的一组值时间同步。以这种方式使用的参数组的确切数量可以通过给定调查的计算约束或特定要求来确定。

虽然已经描述一旦数据传送到计算机就执行时间同步，但是数据也可以在测量时进行时间同步。在这种情况下，每个噪声数据点与其相应的参数值同时测量并一起传送到计算机。

并且在步骤(430)，噪声数据与运行参数数据组合，以产生表示由风力涡轮机产生、随风力涡轮机运行参数变化的噪声的数据。噪声数据可以与已经进行了上述时间同步的任何运行参数组合。在步骤(430)，噪声数据可以与单个运行参数的一组值组合，并且可以可选地在该方法中稍后与附加的运行参数组合，例如下面描述的步骤(450)。或者，噪声数据可以在该步骤与每个时间同步的运行参数组合，以提供被单独地表示为随每个同步的运行参数变化的噪声数据。

在本实施方式中，噪声数据与RPM数据组合，例如在步骤(430)，以给出表示由风力涡轮机产生、随风力涡轮机的RPM变化的噪声的数据，如图5所示。如上所述，作为RPM的替代或除了RPM以外，还可以在该步骤中将任何数量的其余参数数据组与噪声数据组合。

在步骤(440)，相对于第一运行参数的一组值对噪声数据划分区间，第一运行参数已经进行了上述时间同步和组合。划分区间过程包括将噪声数据排列成离散的多个群组，其在本文中被称为区间，由运行参数值的范围限定。区间宽度由该区间的运行参数的最大值与最小值之间的差限定，并且落在这两个值内的所有噪声数据点都与该区间相关。以这种方式将数据排列到区间中允许将噪声数据排列成更小且更易管理的部分。然后可以分析每个区间以及其中包含的噪声数据，从而允许确认音调噪声究竟在哪种参数值下产生，这进而允许音调噪声与产生它的参数以及(可能地)部件的相关性，如下面进一步解释的。

在本示例中，噪声数据相对于RPM划分区间，因为音调噪声对该参数敏感。因此，通过检查给定RPM范围(即，RPM区间)内的噪声数据，可以看到、确认和分析音调噪声水平的变化。然而，应当理解，可以使用音调噪声所敏感的任何其它参数来划分区间，例如功率、桨距、扭矩、音调可听度、音调水平、掩蔽、频率等。

在此，数据被组织到相同大小或宽度的区间中。确定每个区间的宽度可以通过多种方式完成，并且所使用的那个区间宽度将通常取决于特定调查的目的以及对源的敏感度，其中所选择的区间宽度与音调的产生相关。例如，如果调查针对在窄范围的参数值上收集的噪声数据，则可以将区间设定为窄。如果需要在大范围的参数值上的音调噪声的广泛表达，则较宽的区间可能更合适。但是，通常需要平衡。区间宽度太窄可能导致每个RPM区间中的数据量减少，并且因此将影响噪声数据与参数之间的相关性。在区间之间的音调噪声值存在巨大波动时，也会出现这种情况。相反，如果区间太宽，则这可能会平均掉一些可能是涡轮机音调的动因的参数。区间宽度可以是针对特定调查所选择的预设参数，或者它可以通过适当的函数与风力涡轮机的参数相关联并被相应地计算。例如，区间宽度可以取决于调查中的发电机RPM、功率、桨距等的范围。

作为具体示例，当相对于发电机RPM划分区间时，可以使用1至100rpm之间的区间宽度。更具体地，可以使用5至50rpm之间的区间宽度。更具体地，可以使用8至15rpm之间的区间宽度。在实验过程中已经发现，10rpm或大约10rpm的区间宽度至少作为起始值尤其有用。

当已经给区间构建了最佳区间宽度之后，本实施方式的方法然后执行步骤(450)，步骤(450)分析每个区间内包含的噪声数据，以确定包含指示不可接受的音调噪声的噪声数据的候选数据区域。候选区域可以是单个区间或多个区间，并且将取决于噪声数据的性质和区间宽度。候选区域内的一个或多个区间可以被称为候选区间。该步骤可用于通过减少被分析的数据量来降低分析的计算成本。现在将参考图5描述步骤(450)。

图5示出了示例性数据组，其示出了根据本发明的实施方式执行步骤(450)的方法。在此，每个噪声数据点表示以dB为单位测量的音调水平值。可以类似地提供相应的音调能量水平，其指示与在区间的宽度上测量的音调水平相关的能量的多少。音调水平值和相应的能量水平以本领域已知的方式从测量的噪声数据中获得，例如根据IEC标准。音调水平值与其时间同步的RPM值组合，从而提供沿y轴绘制的音调水平和每个数据点的绘制在x轴上的相应的RPM值。“最小”和“最大”仅旨在显示所分析的数据的范围；例如，如果获取和分析数据的整个范围，则最小值可以达到0rpm并且最大值可以达到超速。可以使用颜色或其它指示标记(在图5中是不同等级的阴影)来指示每个测量的频谱的音调可听度。可以看出，对于每个RPM值通常存在多个数据点。这是因为当风力涡轮机以这些频率运行时进行了许多噪声测量。高密度的数据点，例如在Y和Z rpm之间，表示风力涡轮机经常运行的RPM值。因此，在该范围内进行了许多测量。此外，数据点已经被划分区间到RPM区间中，作为示例，每个RPM区间的区间宽度是0.10rpm。如前所述，在步骤(440)中确认该区间宽度。

在一些实施方式中，分析可以限于第一参数的具有高密度数据点的区域，诸如上述示例中的Y到Z rpm的范围，或者可以在该区域中划分子区间，使得可以在涡轮机在运行期间花费最多时间的运行区域中实现更高的分辨率。可以基于数据点的阈值来确定数据点的高密度。

步骤(450)通过对噪声数据点的连续集(continuum)进行平均和量化来开始，使得对于每个区间，该区间内的数据点的音调特性可以由指示该区间内的音调噪声水平的单个值表示。在本实施方式中，针对每个区间计算平均最大音调水平值和平均最大音调能量水平值。这些值表示针对该区间测量的最大音调水平和音调能量水平的平均值。然后可以相对于RPM绘制这些平均值，如图5中的两条实线(502)和(504)所示。较高的实线(502)表示整个RPM范围上的每个区间的平均最大音调能量，而较低的实线(504)(即，在线(502)下方行进的线)表示RPM范围上的每个区间的平均最大音调水平。

当已经计算并绘制了这些值之后，就可以将它们与适当的阈值进行比较。在本文中，阈值是区间的最大可允许音调能量和最大可允许音调水平。这些阈值也在所有区间上绘制，分别如虚线(506)和(508)所示。最大可允许音调水平表示风力涡轮机在特定RPM下在音调噪声变得不可接受(例如，音调噪声在麦克风(20)的位置处变得可听到)之前可以产生的最高可能音调水平。类似地，最大可允许音调能量表示音调噪声在变得不可接受之前可以包含的最多音调能量。这些量可以通过本领域已知的方式计算。例如，当考虑到掩蔽噪声时，通过计算产生零音调可听度的音调能量水平的值。例如，可以使用IEC标准来计算或反向计算该量。音调由ΔLtn，j，k＝Lpt，j，k-Lpn，j，k给出。音调可听度由ΔLa，j，k＝ΔLtn，j，k-La给出。在本文中，Lpt是音调能量，Lpn是掩蔽能量，并且La是基于频率的可听度标准。

根据本实施方式，接下来，通过将平均最大音调能量水平线(502)和平均最大音调水平线(504)与它们相应的阈值线进行比较来确认候选区域。可以将其中阈值被超过的数据区域设定为等于候选区域，并且将其中包含的区间设定为候选区间。例如，候选区域可以被确定为平均最大音调能量水平和平均最大音调水平超过它们各自的阈值(即，分别高于线(506)和(508)上的相应点)的区间。在这种情况下，如果一个区间对应于实线之一(例如平均最大音调级别线)上的高于平均最大音调水平阈值的一点，但是另一条线(平均最大音调能量水平)上的相应点低于平均最大音调能量阈值，则不将该区间设定为候选区间。或者，可以不要求两条线都超过它们的阈值才能确定候选区域。例如，可以仅使用平均最大音调水平或平均音调能量水平中的一个，使得如果给定区间的该值超过与其相关的阈值，则将该区间确认为候选区间。

作为示例，设想限定在X1r pm和X5rpm之间的区间，例如X1和X5可以相差0.1rpm。在该区间内，可以存在与每个RPM相关的多个音调水平值。例如，在X2rpm值处(X2落在X1和X5之间，例如是X1+0.01rpm)，记录的最大音调水平的最大值可以是30dB并且最小值可以是24dB，其间有多个记录值。在X3rpm值处(X3也落在X1和X5之间，但与X2不同，例如是X1+0.05rpm)，最大值可以是28dB并且最小值可以是23dB。因此，可以通过对在区间内的每个RPM值处测量的最大音调水平值进行求和然后除以区间内的最大值的数量来计算最大音调水平的平均值。因此，每个区间可以与一个平均最大音调水平相关，该平均最大音调水平指示在X1rpm和X5rpm之间测量的最大音调水平的平均值。以类似的方式，可以针对每个区间计算给定区间的平均最大音调能量水平。

接下来，将这些值与其阈值进行比较。在该示例中，在给定区间的最大音调水平的平均值和音调能量水平的平均值超过阈值的情况下，将该区间设定为候选区间。如果候选区域仅跨过一个区间，则候选区域可以被设定为等于候选区间。然而，在一些情况下，候选区域可以跨过多于一个候选区间。这可能是因为在连续的区间中峰值可以超过其阈值，使得宽度因此大于单个区间的宽度。或者，候选区域可以具有多于一个峰值，并且这些峰值在多于一个区间上延伸。

此时，该方法已经确认了可能指示不可接受的音调噪声的数据组的候选区域。换句话说，已经对风力涡轮机进行了噪声测量，其指示当风力涡轮机以经确认的候选区间所覆盖的RPM运行时，风力涡轮机发出恼人的音调噪声。然而，对于每个噪声测量，风力涡轮机可以在各种其它不同的运行参数下运行，诸如不同的功率、桨距、运行模式等。因此，尽管可以确定某些RPM值会导致风力涡轮机发出不可接受的音调噪声，仍必须对这些区域进行进一步的分析，以确定哪些运行参数驱动音调噪声的产生。

为了避免疑问，还可以相对于其它运行参数(例如功率、桨距等)中的任一运行参数对数据划分区间，并且在该运行参数的任何给定值下，涡轮机发出不可接受的噪声。然后进行进一步的分析以确认其余运行参数中的哪个驱动音调噪声的产生。类似地，可以确认音调噪声的源部件。作为示例，这可以通过在来自获取到的噪声数据的每个频谱的临界频带中，确定所确认的峰值的数量来实现。关于音调的一些源部件具有与rpm直接成比例的频率，或者换句话说线性地基于速度。两个不同的源部件可以累加临界频带中的音调能量。在频率彼此独立的情况下，该分析可用于确认正确的源部件并量化每个部件的贡献。

在步骤(460)执行确定驱动音调噪声的参数的分析。在该步骤中，考虑第二运行参数(即，除了第一运行参数之外的运行参数，在本示例中第一运行参数是RPM)的具有落入候选区域内的相应RPM值的一组运行参数值的值。换句话说，使用第二运行参数的一组值的子组。该子组值是落在候选区域内的值。在本示例中，第二运行参数是风力涡轮机的功率，但是也可以使用任何其它运行参数。

参数的变化，更具体的是功率值的子组在给定候选区域上的变化与音调噪声在候选区域内的变化进行比较，并与之相关联。可以对落入候选区域内的每个区间逐个区间地进行该分析。可替代地或另外地，如果候选区域包含多于一个区间，则可以同时分析整个候选区域。在本实施方式中，单独分析每个候选区间。

如本领域技术人员清楚的，可以通过任何适当的关联技术来进行关联。例如，可以将区间中测量的功率值的差的大小与相应的噪声数据中的差的大小进行比较。如果功率的较大变化伴随着音调噪声的较大变化，则这表明功率可能驱动或至少促进音调噪声的产生。如果区间内的音调水平存在较大变化，但是功率在该区间的RPM范围上是恒定的，则很明显的是，功率不驱动该区间内的音调噪声。

在本实施方式中，该相关性由相关系数表示。针对功率参数计算该系数，以作为RPM区间中的功率值的变化与噪声数据的变化之间的比较的结果。在本文中，相关系数的值越大，该特定RPM值下的功率变化与噪声变化之间的相关性越强。因此，相关系数的值越大，音调噪声排放对该参数的变化越敏感。

接下来，可以对每个运行参数重复该过程，使得每个运行参数都具有相关系数，该相关系数表示该参数对区间内的音调噪声的产生的贡献。此外，可以对每个候选区间重复该过程。这样，每个参数将具有关于每个关注区间的相关系数。因此，参数关于特定区间的相关系数表示该参数对该区间内的音调噪声的产生的贡献。应当注意，给定参数可以关于一个RPM区间具有较高相关系数而关于第二RPM区间具有较低相关系数。这是因为给定参数可以关于RPM(或其它第一参数)的一个或多个特定值在音调方面敏感，而关于其余RPM值在音调方面保持相对不敏感。

一旦计算了相关系数，就执行步骤(470)以确定参数与由风力涡轮机产生的音调噪声之间的关系。这可以通过根据其相关性强度对与音调噪声相关的运行参数加权重来完成。在一些实施方式中，针对特定区间对给定运行参数加权重的因子可以取决于该运行参数在该特定区间中的相关系数。权重限定了运行参数与由涡轮机产生的音调噪声之间的关系。

在步骤(480)，该方法确定对每个区间中的音调负责的每个运行参数的特定值。这可以通过将给定参数在区间中的权重或相应的相关系数与适当的阈值进行比较来完成。例如，可以给参数的相关系数设定阈值。如果给定区间的相关系数超过阈值，则确定与该系数相关的运行参数至少部分地负责该区间内的音调噪声的产生。与该相关系数相关的参数值的子组可以被描述为该区间的参数的源和/或动因(即，作为音调噪声的产生的源或动因的一组参数值的组成值)。可以确定所有候选区间上的每个参数的所有“源”。特定的源部件可以通过它们的RPM区间以及它们促进产生的音调噪声的频率来确认。因此，对于风力涡轮机在运行时的任何给定RPM(或其它适当的运行参数)，能够确认可以驱动不可接受的音调噪声的产生的源和源部件。

当已经执行了该分析之后，就可以在步骤(490)控制和调整风力涡轮机，以避免运行参数值的这些特定组合或组，从而确保减少或完全避免音调噪声。因此，实施方式提供了一种涡轮机控制方法，其基于所执行的用于确认运行参数与音调噪声之间的关系的分析来调整一个或多个涡轮机运行参数，以减少音调噪声。该控制可以单独地应用于分析的结果，从而使用该结果来制定合适的控制策略以避免或减少音调噪声。可以基于在不同的涡轮机(诸如测试涡轮机)上执行的分析，将该控制应用于涡轮机。

具体地，可以控制和调整涡轮机的运行参数以避免风力涡轮机以任何经确认的“源”值运行，从而减少或甚至消除音调噪声排放。替代地或另外地，可以调整风力涡轮机的运行参数以增加涡轮机的掩蔽噪声。例如，如果不能充分地降低音调噪声，则可以调整涡轮机的RPM和/或桨距，使得风力涡轮机的总噪声输出增加。该增加可以掩盖恼人的音调噪声排放，使得涡轮机的邻居听不到音调噪声。选择被调整以增加掩蔽噪声的参数，使得它们的调整不会造成风力涡轮机产生的总噪声的增加，或者造成最小的增加。这可以通过确保对参数的调整增加了掩蔽噪声同时避开作为音调噪声的源的任何参数值来实现。由于上述方法确认了音调噪声的产生的所有临界区域以及有责任的运行参数，因此可以调整参数以提供掩蔽噪声的优增加，同时提供最小可能性的音调噪声产生。可以通过本领域中已知的合适的附加装置来进一步增加掩蔽噪声。

其它示例是也可能的，通过这些示例可以控制涡轮机运行参数以将掩蔽噪声添加到风力涡轮机的噪声输出中。可以控制由一个或多个涡轮机冷却风扇发出的噪声，诸如通过改变一个或多个冷却风扇的速度。这还可以或替代地包括用于输出预定掩蔽噪声的扬声器或其它噪声输出设备，这可以取决于对涡轮机音调噪声输出的分析。

可以由先前描述的任何计算机来控制和调整风力涡轮机的运行参数。此外，可以基于分析来自动控制参数。例如，一旦确认音调噪声的所有源，则计算机可以监测风力涡轮机正在运行的RPM并且主动调整一个或多个其它运行参数，使得风力涡轮机不以任何源值运行。替代地或另外地，计算机可以调整运行参数，使得风力涡轮机的掩蔽噪声增加，以掩盖可能发出的任何音调噪声。替代地或另外地，该主动调整可以由操作者手动执行。

通常，风力涡轮机可以由与风力发电厂的一个或多于一个风力涡轮机相关联的风力涡轮机控制器来控制。该方法的步骤可以在控制器中进行，或者可以在控制器和与控制器通信的一个或多个计算机之间分开。基于根据本文描述的分析所确定的音调噪声与部件运行参数之间的(多个)关系，调整风力涡轮机运行参数，以避免出现与音调噪声相关的运行参数的值。调整风力涡轮机运行参数，以减少或避免风力涡轮机产生音调噪声，或者增加掩蔽噪声。可以维护(assert)控制以避免风力涡轮机进入通过分析所确定的造成音调噪声的特定运行范围或涡轮机运行参数的特定组值。该控制可以进一步考虑到满足一个或多个预定运行约束的预定运行范围。具体地，可以独立于本文描述的实施方式限定一个运行范围，其考虑到一个或多个约束，诸如空中噪声(aero-noise)约束、磨损约束、负载约束和功率输出约束。这些约束可以取决于例如一天中的时间(夜间可能存在额外的空中噪声约束)和风速。可以调整一个或多个运行参数，以减少或避免产生音调噪声，同时也保持在该运行范围内，还可以调整一个或多个运行参数，以使能量的产生最大化，同时保持在该运行范围内。

通常，在风力涡轮机的运行期间总会产生一定程度的音调噪声。然而，如上面举例说明的，可以实现使这种产生的影响最小化的对风力涡轮机的智能控制。这可以通过以下来完成：i)控制风力涡轮机的运行参数，以避开那些运行参数的源参数值，以及ii)调整运行参数以增加掩蔽噪声，同时提供最小可能的音调噪声产生。

如上所述，任何给定的候选区域都可以具有多于一个指示不可接受的音调噪声的区间。在这种情况下，每个参数可以具有与候选区域内的每个候选区间关联的相关系数。然后可以在分析中单独地使用每个区间的相关系数。例如，在图5的X和Y rpm之间的候选区域中，线(504)的第一峰值可以存在于第一区间中，并且第二峰值可以存在于第二区间中。该方法可以使用第一区间的相关系数来确定第一峰值是由与(多个)相关功率值有关的音调噪声产生的，并且类似地，可以使用第二区间的相关系数来确定第二区间关联于与(多个)相关音调值有关的音调噪声。对候选区域内的候选区间的这种单独分析允许该方法确定每个峰值的负责动因究竟是哪些参数。它还可以用于区分对音调负责的是否是相同的“源”，或者第二峰值的音调能量贡献来自多个源或源部件(或者对于第一峰值也是同样的)。这可以通过查看音调线的数量、临界频带中的峰值的数量及其频率来确认。临界频带在IEC标准中定义。

替代地或另外地，系数可以在关注区域上求平均。这给出了该参数的平均系数，其表示该参数与整个区域的音调噪声的整体相关性。接下来，该平均值可以与阈值进行比较，以确定当在整个区域上求平均时，该参数是否促进产生音调噪声。

因此，通过将RPM值的连续集量化为离散的区间并计算每个区间的平均噪声值，该方法能够确认音调噪声动因可能存在的关注区域。此外，关于其它参数(包括音调能量、最大音调水平、峰值的宽度(广度)、音调线的数量和在临界频带中评估的峰值的数量)的后续分析允许该方法确认，是否仅有一个源或源部件，或者音调可听度是否是来自不同的源或源部件的多个峰值的组合，这些峰值具有不同的频率但位于相同的临界频带中。因此，上述方法允许一种有效且可靠的方法，其用于确认可能与不可接受的音调噪声相关的噪声数据区域，并且允许容易地确认促进风力涡轮机的不可接受的噪声的排放的一个或多个参数。

本文描述的方法可以用于一个或多个涡轮机组成部分的设计或优化。具体地，本文描述的方法的结果可以用于限定其中经确认的源部件的性能可能需要改进的关注区域，诸如通过较小的设计变更。关注区域由在音调噪声与运行参数之间确定的(多个)关系限定。可以针对根据所描述的划分区间方法确定的与经确认的(多个)关系相对应的运行参数值，来测试和/或分析相应的源部件的运行。然后可以改变部件的设计，或者使用各种优化方法来优化部件，以避开与能够造成音调噪声的特定部件相关的特定运行参数值。例如，关注区域可以是部件的某种功率/扭矩和rpm的组合，如根据所描述的方法所确认的。例如，在源部件是齿轮箱的情况下，设计变更可以是优化对音调负责的齿轮级，或者是加强齿轮箱壳体以避开特定振动频率等。换句话说，本文描述的方法可以基于临界运行参数，用于评估诸如变速箱的部件、用于来自生产线终端测试的音调。然后如果需要，则可以确认部件上所需的设计变更。这些优化风力涡轮机部件的方式可以独立于本文所描述的用于确认对音调负责的运行参数的方法来实现，而无需使用该方法的结果。

它还可以应用于涡轮机振动监测和控制，从而减少音调噪声排放或增加掩蔽，以便通过满足所有运行约束的自适应控制来有效地降低音调可听度。

应当理解，可以基于调查和获得的噪声数据来执行上述方法的其它可选步骤。例如，在步骤(440)将噪声数据排列成到区间中之后，可以确定特定rpm区间中存在太多数据，这表明涡轮机在那里长时间运行。因此，可能需要减少计算开销和/或提高总体效率以将该rpm区间相对于第二运行参数(例如功率)再分为的不同子区间，以确认哪些参数在涡轮机的给定运行范围中驱动涡轮机音调。然后可以在该子区间上如上所述执行该方法的其余步骤(步骤450-490)。

此外，可以分析确认的峰值的宽度，因为该方法还提供关于最大音调水平和音调能量与峰值的宽度如何相关的信息。还可以考虑和评估掩蔽能量和桨距角的影响。

尽管已经将本实施方式描述为包括确定候选区域的步骤(450)，但是应当理解，该方法可以在没有此步骤的情况下执行。在这种情况中，对每个区间进行分析。在假设每个区间都可能包含某种程度的不可接受的音调噪声，并且因此应该评估每个区间的情况下，该方法可以以这种方式执行。

尽管已经描述了使用一个或多个声音测量装置获取包括指示音调噪声的数据的噪声数据的实施方式，但这不是必需的。可以使用指示音调噪声何时发生并且能够与运行参数数据同步的任何噪声数据。例如，噪声数据可以从来自一个或多个涡轮机噪声排放模型的模拟数据导出。替代地或另外地，噪声数据可以来自一个或多个外部源，诸如来自涡轮机附近的人、指示涡轮机何时特别嘈杂的本地数据。

Claims (20)

1.一种确认风力涡轮机的促进产生音调噪声的运行参数的方法，所述方法包括：

获取与所述风力涡轮机的多个运行参数相关的运行参数数据，其中所述运行参数数据包括在所述风力涡轮机的运行期间获得的所述风力涡轮机的每个运行参数的一组值；

获取噪声数据，所述噪声数据包括指示由所述风力涡轮机产生的音调噪声的数据并且与所述运行参数数据同步；

相对于音调噪声所敏感的第一运行参数对所述噪声数据划分区间；

针对所述区间的一个或多个区间，相对于第二运行参数的一组值分析所述区间中的所述噪声数据，并且基于所述分析确定所述第二运行参数与由所述风力涡轮机产生的音调噪声之间是否存在关系。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述划分区间还包括：

确认所述第一运行参数的一组参数值的范围，所述范围由所述多个运行参数中的至少一个运行参数的一组值确定；以及

将每个区间设定为等于所述范围。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，相对于所述第二运行参数的一组值分析所述区间中的所述噪声数据还包括：

确认所述第二运行参数的一子组参数值，所述一子组参数值是与所述区间相关的值；

分析所述一子组参数值的变化；

比较所述一子组参数值的变化与所述区间的所述噪声数据的变化；以及

确定所述一子组参数值的变化与所述噪声数据的变化之间的相关性。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，相对于所述第二运行参数的一组值分析所述区间中的所述噪声数据还包括：

基于所述比较来计算相关系数，所述相关系数表示所述第二运行参数的所述一子组参数值的变化与所述区间中的所述噪声数据的变化之间的相关性。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：基于所述相关系数，确定所述第二运行参数的所述一子组参数值是音调噪声的源或动因。

6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，相对于所述第二运行参数的一组值分析所述区间中的所述噪声数据还包括：

设定所述相关系数的阈值；

如果所述相关系数超过所述阈值，则确定所述第二运行参数促进指示音调噪声的噪声值的产生。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

基于所述第二运行参数与音调噪声之间建立的关系，调整所述风力涡轮机的一个或多个运行参数，以减少感知到的音调噪声。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

通过基于所述分析调整所述风力涡轮机的所述第二运行参数来控制所述风力涡轮机，使得经调整的第二运行参数的运行参数值不再是音调噪声的源或动因。

9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，通过基于所述分析调整所述风力涡轮机的运行参数来控制所述风力涡轮机，使得所述风力涡轮机的掩蔽噪声增加。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一运行参数是RPM。

11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

确定所述噪声数据的区域是否包含指示音调噪声的噪声数据；

如果区域包含指示音调噪声的噪声数据，则将该区域确认为候选区域；以及

相对于所述第二运行参数的一组值，仅分析所述一个或多个区间中至少部分地在所述候选区域内的区间中的所述噪声数据。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，确定噪声数据的区域是否包含指示音调噪声的噪声数据还包括：

确定每个区间的平均最大音调水平和/或音调能量水平；

将每个平均最大音调水平和/或音调能量水平与相应的阈值进行比较；以及

将其中阈值被超过的数据区域设定为候选区域。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述阈值是所述区间的最大可允许音调水平和/或音调能量水平。

14.根据权利要求11或12所述的方法，其特征在于，候选区域包括一个或多个区间。

15.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括基于所述第二运行参数与音调噪声之间的确定的关系来确认一个或多个源部件，源部件是对音调噪声负责的风力涡轮机部件。

16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述方法还包括基于所述第二运行参数与音调噪声之间的关系来确定对所述一个或多个源部件的设计的调整。

17.一种用于控制风力涡轮机的方法，所述方法包括基于运行参数与由所述风力涡轮机产生的音调噪声之间的关系来调整一个或多个运行参数，所述关系是根据权利要求1至16中的任一项所述的分析确定的。

18.一种用于控制风力涡轮机或风力发电厂的控制器，所述控制器被构造为执行根据权利要求1至16中的任一项所述的方法。

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中的任一项所述的方法。

Images