基于IEC标准的风力发电机组声发射评估理论研究及其专用系统的实现

论文摘要

本文主要研究了基于IEC 61400-11国际标准的风力发电机组声发射特性评估的相关理论问题,并实现了专门用于风力发电机组声发射特性IEC认证的QLV-WTA-01型测量评估系统。由于课题属多学科交叉的工程型项目,故在整理大量相关背景资料的基础上,对课题所处领域的背景知识予以简明扼要的介绍,包括:风力发电机的基本构造、风机声学噪声的发生机理、IEC 61400-11国际标准的发展脉络、国际上能够进行此项认证的科研机构与企业、该领域所使用的测量仪器与系统及其各自特点等等。从而在总结当前发展情况之后,能够确立一个具有比较优势的设计方案,以较低的成本来实现可靠、高效的测量。介绍了确保风力发电机组声发射测试过程准确、可重复的声学测量、分析方法;得出了机舱风速与输出功率的相关性优于测风塔风速与输出功率相关性的实践结论;深入研究了适用于该过程的基于声压法的声功率级估算公式的理论基础;详细分析了基于窄带谱与心理声学的音调评估过程,在实际使用经验与理论算法论证的基础上,提出了基于IFE与阶比分析的音调判定改进算法;在对新算法的研究过程中,提出了基于代数解的鉴相时标改进算法,从而优化了新算法中鉴相时标计算这一关键步骤,除了使本文所提音调判定改进算法更接近IEC标准的算法理念之外,其对阶比分析技术本身在算法上的完善同样起到了非常积极的作用。另外,对于标准风速、声压级以及音调的科学评价指标——湍流与A类不确定度的计算也进行了较深入的探讨。开发成功了一种基于虚拟仪器架构的、专门用于风力发电机组声发射特性IEC认证的QLV-WTA-01型工业级测量评估系统。具备了较完备测量、评估的功能,包括:动态信号与DC信号的集成采集、数据文件整理、标准风速转换、整风速下的声功率、1/3倍频程、音调与能听度的分析,以及湍流、不确定度、整风速下非声学参数的计算等功能。另外,基于现场经验还增加了部分方便于现场使用的辅助功能,如:风速分布实时统计、侵入噪声标记、数据测量进度等功能。2007年7月,使用该系统在新疆达坂城2号风电场对某新型风力发电机组进行了为期近一个月的现场评估使用,文中提供了整个测试过程的情况以及部分测量分析结果,以助于加深对IEC 61400-11国际标准的理解。现场测量分析结果表明,其分析结论与国际权威的风力发电机认证机构MEASNET成员单位的分析结论基本一致。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 何谓风力发电
• 1.1.1 原理
• 1.1.2 现代风机
• 1.1.3 风力发电场
• 1.2 风力发电机的噪声简介
• 1.2.1 按频域成分分类
• 1.2.2 按噪声的来源分类
• 1.2.3 关于次声的问题
• 1.3 风机声学噪声评估的国内外发展现状
• 1.3.1 风机噪声评估的现实意义
• 1.3.2 IEC 61400-11 国际标准介绍
• 1.3.3 具备评估资格的科研机构
• 1.3.4 评估过程使用的仪器
• 1.4 课题的提出与研究意义
• 1.4.1 课题的来源与任务
• 1.4.2 课题的提出
• 1.4.3 研究的意义
• 1.5 本文的主要工作、内容与创新
• 1.5.1 本文的主要工作及其内容
• 1.5.2 本文工作的主要创新点
• 2 风机声发射测量分析所用声学仪器
• 2.1 引言
• 2.2 声学传感器
• 2.2.1 测量传声器概述
• 2.2.2 经典的电容式传声器
• 2.2.3 驻极体式电容传声器
• 2.2.4 IEPE 前置放大器
• 2.3 声学测量原理
• 2.3.1 声学噪声的基本概念
• 2.3.2 噪声测量仪器概述
• 2.3.3 频率计权
• 2.3.4 时间计权
• 2.3.5 窄带谱分析
• 2.3.6 倍频程分析
• 2.3.7 频率计权与倍频程的数值算法
• 2.4 小结
• 3 测量过程与数据分析方法的研究
• 3.1 引言
• 3.2 测量位置的计算
• 3.2.1 声学测量位置
• 3.2.2 风速、风向测量位置
• 3.3 标准风速计算的研究
• 3.3.1 由机组输出功率计算标准风速的方法
• 3.3.2 输出功率超出额定值95%时的情况
• 3.3.3 平均湍流强度的计算
• 3.4 视在声功率级计算的研究
• 3.4.1 整风速下A 计权声压级的计算
• 3.4.2 整风速下视在声功率级的计算
• 3.4.3 回归分析中不确定度的计算
• 3.5 基于窄带谱与心理声学的音调判定算法解析
• 3.5.1 窄带谱参数的确定
• 3.5.2 音调与能听度的分析过程
• 3.5.3 音调的不确定度
• 3.6 小结
• 4 基于IFE 与阶比分析的音调判定方法研究
• 4.1 引言
• 4.2 阶比分析技术
• 4.2.1 等角度采样与旋转机械的振动分析
• 4.2.2 阶比概念的提出与阶比分析的意义
• 4.2.3 等角度采样的实现与阶比跟踪技术
• 4.3 瞬时频率提取
• 4.3.1 瞬时频率的定义
• 4.3.2 时频谱峰值与瞬时频率
• 4.3.3 基于时频谱峰值的IFE
• 4.4 改进的音调与能听度判定方法
• 4.4.1 一般意义上的阶比分析与改进方法的提出
• 4.4.2 改进方法的计算流程及其关键技术
• 4.4.3 基于代数解的鉴相时标改进算法
• 4.4.4 分析实例及结论
• 4.5 小结
• 5 基于虚拟仪器架构的风机声发射评估系统的设计
• 5.1 引言
• 5.2 系统的设计方案
• 5.2.1 国外技术方案回顾
• 5.2.2 新方案的论证
• 5.3 系统的开发
• 5.3.1 开发流程
• 5.3.2 系统的组成
• 5.4 系统的功能
• 5.5 小结
• 6 风机声发射评估系统的现场实验
• 6.1 引言
• 6.2 实验过程与分析结果
• 6.2.1 麦克风的安装
• 6.2.2 测量系统的布置
• 6.2.3 声功率分析
• 6.2.4 1/3 倍频程分析
• 6.2.5 音调与能听度
• 6.3 小结
• 7 总结与进一步工作的设想
• 7.1 本文研究工作总结
• 7.2 进一步工作的设想
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 附录A 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录
• 附录B 作者在攻读硕士学位期间参与的科研项目