CN110110457B - 一种复杂地形风电场的噪声分布预测方法 - Google Patents

一种复杂地形风电场的噪声分布预测方法 Download PDF

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Abstract

一种复杂地形风电场的噪声分布预测方法，主要包括：首先，基于工程尾流模型，生成考虑尾流影响的复杂地形上的风力机气动噪声声源；然后，提出“边界射线网格法”提高整个噪声分布预测计算效率；最后，通过复杂地形的PE抛物线噪声传播方程求解，进行噪声的声功率对数叠加，获得复杂地形风电场的噪声分布情况。本发明创新提出了“边界射线网格法”，在具有较好准确性的基础上，又克服了目前噪声预测方法在复杂地形上计算量较大的问题，提高了风电场噪声预测精度和计算效率。由于风电场的大规模化以及向复杂地形发展的趋势，风电场气动噪声影响越来越严重，本发明对于风电场噪声预测具有重要的应用前景。

Description

一种复杂地形风电场的噪声分布预测方法
技术领域
本发明属于风力发电领域，具体涉及一种复杂地形风电场的噪声分布预测方法。
背景技术
针对风电场噪声预测方法，国内外学者对其进行了相关研究，在数值计算模拟方法中，主要是基于ISO国际户外噪声传播半经验方法对风电场进行噪声分布模拟计算，该方法虽然计算速度较快，但是在噪声传播模拟中还是基于经验修正公式进行计算，在计算精度上有所缺欠，具有不稳定性和极限性；也有学者基于CAA(Computational Aerodynamicsand Aeroacoustics)结合抛物线方程求解的方法，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，特别对于风电场尺寸较大而言，更是很难实现。而且，在这些研究中，主要还是集中于平坦地形风电场噪声预测。但是，复杂地形噪声预测由于受到地形的影响，导致这些计算方法更加复杂，若采用目前现有方法计算，会导致计算量较大，计算效率有待提高。
因此，本专利针对复杂地形风电场，基于具有较高模拟准确性的复杂地形PE抛物线方程，创新地提出了“边界射线网格法”以提高计算效率，为复杂地形的风电场噪声预测和优化布局提供了一种高效准确的数值模拟方法。
发明内容
由于风电场的大规模化，风电场气动噪声影响越来越严重，目前的风电场噪声分布预测方法在处理复杂地形的风电场时，面临着计算量较大和准确性问题，限制了风电场噪声预测的工程应用。
本发明针对现有技术中的不足，提供了一种复杂地形风电场的噪声分布预测方法。基于创新的边界射线网格法，再结合复杂地形PE抛物线方程，可高效模拟计算复杂地形的风电场噪声分布情况，最终实现了复杂地形风电场的噪声高效准确的预测。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种复杂地形风电场的噪声分布预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、基于复杂地形的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，进而得到每台风力机的声功率；
步骤二、采用边界射线网格法形成复杂地形的二维射线网格；
步骤三、基于生成的二维射线网格，结合复杂地形数据，生成三维边界射线网格；
步骤四、进行复杂地形风电场的噪声传播PE抛物线方程求解，结合每台风力机的声功率，求解出三维边界射线网格上的声功率；通过对数叠加，获得复杂地形所要求高度的噪声分布结果。
为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
步骤二中，边界射线网格法具体包括：首先，将复杂地形划分出风电场预测的边界范围，在其边界上，采用均匀或非均匀的方式布置射线终点；再以风力机位置坐标点为起始点，连接起每个边界点，形成二维射线网格。
步骤三中，在射线上布置均匀或非均匀的网格点，得到x、y坐标点值，再通过复杂地形数据进行三维曲线射线插值，得出每一条空间射线，最终形成三维边界射线网格，其中x、y坐标点值如下式：
Figure GDA0002412302840000021
其中，xwi和ywi是每台风力机的坐标点，xpi和ypi是每个边界点，Δx是每条射线上布置的网格点在x轴上的间隔距离。
复杂地形数据经过如下处理：通过测绘数据或者空间三维坐标值数据，提取出复杂地形的地面数据坐标值，分别是x、y、z的坐标值。
步骤四中，在求解复杂地形的PE抛物线方程后，将三维边界射线网格点插值到地形网格节点上，计算出每个网格节点上的声功率。
步骤四中，在计算出每个网格节点上的声功率后，进行不同射线、不同风力机和不同频率的对数叠加，通过以下公式求出复杂地形风电场的声压级分布：
Figure GDA0002412302840000022
其中，I、J、F分别表示射线数、风力机台数、频率总数，SPi,j,fj表示复杂地形风电场不同网格位置上的声功率，Lj,fj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：提供了一种高效准确的复杂地形风电场噪声预测方法，基于创新的边界射线网格法，再结合复杂地形PE抛物线方程，可高效模拟计算复杂地形的风电场噪声分布情况，最终实现了复杂地形风电场的噪声高效准确的预测，为风电场工程应用中的不同风向和不同风速下等多工况的噪声分布的预测，以及为存在极大计算量的复杂地形风电场噪声优化提供了有效的解决方法。
本发明应用范围较广，可以使用于陆地和海上的所有地形风电场，可以通过本发明快速准确地获得风电场布局所需要的噪声分布情况，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是本发明二维射线网格的生成示意图。
图2是本发明其中一条三维射线的生成示意图。
图3是实例中某复杂地形风电场的三维地形图。
图4是实例中某复杂地形风电场的二维边界射线网格图。
图5是实例中某复杂地形风电场的三维边界射线网格图。
图6是实例中其中一个三维射线切面的噪声分布情况。
图7是实例中某复杂地形风电场的噪声等高线分布图。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。
为解决复杂地形的风电场噪声预测问题，本发明提出了一种高效精确的复杂地形风电场的噪声预测方法，包括以下步骤：
步骤一、基于复杂地形的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、基于复杂地形的风电场特性，创新地提出了“边界射线网格法”进行复杂地形计算效率的提高。
首先，将地形划分出风电场预测的边界范围。在其边界上，布置射线终点(可采用均匀和非均匀布置)。再以风力机位置坐标点为起始点，连接起每个边界点，形成如图1所示的二维射线网格。
该边界射线网格法的优点如下：风力机噪声传播可看成是一个点源的传播，呈现出向四周扩散的形式。对于风电场风力机传播而言，比较关注的是有风力机的周围噪声分布，为了提高计算效率，较远处可以适当将计算网格变稀疏。而射线网格法正好可以符合这个特点，因此相比于现有的计算方法，大大提高了计算的效率。
步骤三、基于生成的二维射线网格，再根据复杂地形数据，生成三维曲折射线网格。
首先，在图1的射线上布置均匀或者非均匀网格点，得到x、y坐标点值；再通过复杂地形数据进行三维曲线射线插值出每一条空间射线，如图2所示，最终形成三维的边界射线网格。其中，x、y坐标点值如下式：
Figure GDA0002412302840000041
其中，xwi和ywi是每台风力机的坐标点，xpi和ypi是每个边界点，Δx是每条射线上布置的网格点在x轴上的间隔距离。
步骤四、进行复杂地形风电场的噪声传播PE抛物线方程求解，求解出三维边界射线网格上的声功率；通过对数叠加，获得复杂地形所要求高度的噪声分布结果。
作为改进方案，步骤四中，即在求解复杂地形的PE抛物线方程后，三维射线网格点要插值到地形网格节点上，计算出每个网格节点上的声功率；然后进行不同射线、不同风力机和不同频率的对数叠加；最后，通过公式1求出复杂风电场的声压级分布。
Figure GDA0002412302840000042
其中，I，J，F分别表示射线数、风力机台数、频率总数，SPi,j,fj表示复杂地形风电场不同网格位置上的声功率，Lj,fj表示每台风力机的噪声传播衰减系数。
接下来，以图3所示的复杂地形风电场为例，对整个复杂地形的噪声分布预测方法具体描述如下：
第一步：风电场的复杂地形数据处理。在进行风电场噪声分布预测前，可通过测绘数据，或者空间三维坐标值数据，提取出复杂地形的地面数据坐标值，分别是x、y、z的坐标值。画出的地形图如图3所示，该地形图可通过风电场现场测绘获得的经纬度或者三维坐标图生成，本算例的复杂地形风电场尺寸为6km×6km范围，该风电场布置了53台风力机，风力机为2MW。
第二步：采用复杂地形风电场的工程尾流模型，结合风力机噪声声源计算方法，获得每台风力机的声压级。
第三步：通过本发明的“边界射线网格法”进行计算网格的生成，边界线上采用均匀布点7个，射线上也采用均匀布点25个，初步形成的二维射线网格如图4所示。图4的复杂地形风电场二维边界射线网格图，坐标轴单位为m，在x和y轴都布置了7个边界点。
第四步：基于第三步后，结合复杂地形数据和二维射线网格数据，插值实现如图5所示的三维射线网格。图5的复杂地形风电场三维边界射线网格图，每条边界射线布置25个网格节点。
第五步：通过复杂地形PE方程求解出每条三维射线切面上的噪声传播衰减系数，图6是其中一个三维射线切面噪声分布情况，该图展示了风电场中第10台风力机在复杂地形中的噪声传播衰减云图分布情况。然后，对三维射线网格进行对数叠加，求解出复杂地形风电场的噪声分布情况，即如图7所示的噪声分布等高线，其中，等高线给出的是声压级值，单位为dB。
由此可见，本发明基于创新提出的边界射线网格法，再结合复杂地形PE抛物线方程，可高效模拟计算复杂地形的风电场噪声分布情况，最终实现了复杂地形风电场的噪声高效准确的预测，为风电场工程应用中的不同风向和不同风速下等多工况的噪声分布预测，以及为存在极大计算量的复杂地形风电场噪声优化提供了有效的解决方法。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种复杂地形风电场的噪声分布预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、基于复杂地形的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，进而得到每台风力机的声功率；
步骤二、采用边界射线网格法形成复杂地形的二维射线网格；
边界射线网格法具体包括：首先，将复杂地形划分出风电场预测的边界范围，在其边界上，采用均匀或非均匀的方式布置射线终点；再以风力机位置坐标点为起始点，连接起每个边界点，形成二维射线网格；
步骤三、基于生成的二维射线网格，结合复杂地形数据，生成三维边界射线网格；
在射线上布置均匀或非均匀的网格点，得到x、y坐标点值，再通过复杂地形数据进行三维曲线射线插值，得出每一条空间射线，最终形成三维边界射线网格，其中x、y坐标点值如下式：
Figure FDA0002412302830000011
其中，xwi和ywi是每台风力机的坐标点，xpi和ypi是每个边界点，Δx是每条射线上布置的网格点在x轴上的间隔距离；
步骤四、进行复杂地形风电场的噪声传播PE抛物线方程求解，结合每台风力机的声功率，求解出三维边界射线网格上的声功率；通过对数叠加，获得复杂地形所要求高度的噪声分布结果；
在求解复杂地形的PE抛物线方程后，将三维边界射线网格点插值到地形网格节点上，计算出每个网格节点上的声功率；在计算出每个网格节点上的声功率后，进行不同射线、不同风力机和不同频率的对数叠加，通过以下公式求出复杂地形风电场的声压级分布：
Figure FDA0002412302830000012
其中，I、J、F分别表示射线数、风力机台数、频率总数，SPi,j,fj表示复杂地形风电场不同网格位置上的声功率，Lj,fj表示每台风力机的噪声传播衰减系数。
2.如权利要求1所述的一种复杂地形风电场的噪声分布预测方法，其特征在于：复杂地形数据经过如下处理：通过测绘数据或者空间三维坐标值数据，提取出复杂地形的地面数据坐标值，分别是x、y、z的坐标值。
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