储能变流器降噪方案研究

潘守文，葛玉石，刘为群，陈城，丁勇，米高祥

（1.常州博瑞电力自动化设备有限公司，江苏 常州213025；2.南京南瑞继保电气有限公司，南京211102）

0 引 言

随着电网技术的不断发展，以及可再生能源大规模接入电网，储能变流器在输配电领域发挥着越来越重要的作用[1-2]。储能变流器内部集成了多种电力电子器件，由于设备运行功率较大，在实际运行中往往会产生很大的噪声[3]。不仅影响设备的使用性能，对人类的健康也产生了较大的危害[4]。随着电气设备制造技术的不断发展，人们对噪声的控制技术越来越重视[5]。

本文基于COMSOL Multiphysics 有限元数值分析软件，对储能变流器的噪声问题进行研究分析，仿真对比了4 种结构：裸机（未对设备作任何降噪处理），原型机1（在设备内壁黏附吸声材料），原型机2（进风口处设计消声风道），原型机3（优化进风口结构）。仿真结果表明，原型机3 降噪效果较好，原型机2 次之，原型机1 降噪效果不明显。最后在试验平台上测试4 种方案储能变流器的噪声大小。实验结果表明，3 种方案均能降低设备的噪声大小，其中优化进风口结构的设计方案降噪效果最好。

1 设备主要噪声分析

某大容量储能变流器三维结构如图1 所示。变流器柜体内部集成了多种电力电子器件，运行功率较大。为了满足常规散热需求，柜体前后门、柜体顶部均开有通风口，柜体内部集成散热风机。当风机进行工作时，空气从进风口进入，流经柜内器件，从顶部的出风口散出，带走柜内热量。储能变流器噪声源主要包括风机扇片气动噪声、电抗器的电磁噪声及柜体结构壁板的振动噪声等，通过柜体前后门、顶部通风口及柜体缝隙处传播到空气中[7]。

一个完整的声学系统由声源、传播途径和接收器等3部分组成，因此降噪的思路主要有减弱声源强度、传播途径吸声处理及其他传播途径隔断处理等。针对储能变流器，电抗器是其噪声的主要来源，主要来自于铁芯的周期性振动[8]。因为电抗器本体方案已固化，所以本文降噪的主要思路是对传播途径进行吸声或隔断处理。

图1 储能变流器结构示意图

2 噪声模型建立及结果分析

COMSOL Multiphysics 有限元数值分析软件是一款专用的多物理场耦合仿真软件，其内置的声学模块可以用于计算各种条件下，声场在频域和时域中的传播。

2.1 条件设置

基于COMSOL 软件，建立储能变流器的噪声模型，依次进行如下设置：1）在模型向导中选择三维空间维度。2）在声学模块中选择“声-壳相互作用，频域”物理场接口，求解类型为频域分析。3）构建声学仿真模型，主要包括电抗器、柜体及空气求解域，结构如图2 所示。4）在材料选项中设置储能变流器各部分材料属性。5）在“压力声学-频域”模块中设置求解域，为了便于计算，选择对称模型进行计算求解。环境温度为25 ℃，声速为340 m/s，并设置辐射边界条件。根据电抗器实际噪声大小，设置入射压力场大小为0.063 Pa。6）在“壳”模块中设置柜体厚度为2 mm，并设置固定约束条件。7）进行网格剖分，根据声学仿真计算条件，每波长至少包含5～6 个网格，因此网格最大单元尺寸不超过37 mm。8）进行频域的计算求解，频率求解范围为20～1800 Hz，变化步长20 Hz。9）计算求解后，在结果中对数据进行后处理，得到所需仿真数据。

图2 储能变流器仿真模型

2.2 结果分析

基于上述声学仿真模型，针对4 种结构进行仿真对比：1）裸机。即未对储能变流器作任何消声处理，为原始结构。2）原型机1。在储能变流器前后门板内壁黏附吸声材料，并设置流阻率大小为1424.2 Pa·s/m2。3）原型机2。在前门进风口处设计消声风道，消声风道内部附有吸声材料。为了便于对比，设置流阻率大小仍为1424.2 Pa·s/m2。消声风道外部结构尺寸为560 mm×490 mm×300 mm，内衬消声材料厚度为60 mm。4）原型机3。封堵前门进风口，通过储能变流器后门进风，进行设备的散热。

首先对裸机进行仿真分析，在求解频率为1000 Hz时，xz(柜体中心水平方向)面和yz(门中心竖直方向)面的声压级分布如图3 所示。

图3 裸机声压级分布

通过图3 的声压级分布云图可以看出，储能变流器的外部柜体能够阻隔声音传播到外界。通过对柜体进行吸声处理，提高其吸收和阻隔声音的能力，便能够有效降低噪声的大小。

因此，本文针对原型机1、原型机2 和原型机3 等3种结构进行仿真对比，确定最优的降噪结构设计方案。在求解频率为1000 Hz 时，原型机1、原型机2 和原型机3的yz(门中心竖直方向)面的声压级分布云图分别如图4～图6 所示。

通过图4～图6的对比可以看出，原型机2 和原型机3 均有效地将声音隔绝在柜体内。而原型机1 有一定量的声音外泄到空气中。为了更加清晰地对比4 种方案的优劣，取柜体前1 m处、距地面0.8 m 处位置为噪声测试点，其声压级大小随频率的变化如图7 所示。

由图7 对比可以看出，当频率较低时，黏附吸声材料几乎没有降噪效果。当频率超过1000 Hz后，黏附吸声材料具有一定的降噪效果，但是效果不明显。采用消声风道的方式，在所有频率段均具有一定的降噪效果，且降噪效果较好。采用封闭进风口的方式，在所有频率段均具有一定的降噪效果，为最优结构。

图4 原型机1 声压级分布

图5 原型机2 声压级分布

图6 原型机3 声压级分布

图7 声压级随频率变化对比

3 储能变流器噪声实验

根据上述仿真结果，进行裸机、原型机1、原型机2、原型机3 等4 种结构设计方案的对比试验。本次试验在某大型电力设备公司的试验平台内进行测试，空气大气压约为101 kPa，在密闭车间内，背景噪声大约为55 dB，储能变流器以500 kW 满功率运行，裸机试验工况如图8所示。

对于原型机1，通过黏附吸声材料来降低设备的噪声大小。非织布多孔吸声材料因其内部存在很多不规则孔洞和细小的空隙结构，当噪声进入材料时会被来回反射，引起发热现象，从而削弱噪声，是目前最常用的吸声材料[9]。同时材料厚度也是影响噪声吸收的重要因素，有研究表明，非织布吸声材料随着厚度的增加，噪声吸收效果逐渐明显。但是当材料的厚度达到一定数值时，即使材料厚度继续增加，噪声数值也不会有明显的降低[10]。因为三聚氰胺泡沫材料具有阻燃、隔温、噪声吸收等功能，能够满足多种环境条件下的使用要求[11]，所以本次试验使用三聚氰胺为原料的泡沫吸声材料，黏附在前后门板内壁，具体粘贴位置和大小如图9 所示。

图8 裸机试验工况

图9 原型机1 试验工况

对于原型机2，在进风口处设计消声风道，固定安装于柜门上，挡住进风口进行消声，如图10 所示。

对于原型机3，通过封堵进风口，阻挡噪声从前门散热孔处溢出。由于本次试验仅对比噪声大小，因此未直接取消散热孔，而是通过添加封板的方式进行消声，如图11 所示。

图10 原型机2 试验工况

图11 原型机3 试验工况

试验时，在柜体前门1 m 处、距平台高度为0.8 m 处设置测试点。实际测试噪声与背景噪声相差10 dB 以上，故不需要做噪声背景修正[12]。

采用噪声测试仪TES 1352H 测试噪声大小，设备测量量程为30～130 dB，测量精确度为±1.4 dB，满足试验测试要求。每个试验工况测试10 次，结果如表1 所示。

表1 噪声试验数据 dB

依据式（1）计算平均声压级的大小：

式中：Lpi为每次试验时的声压级大小；N 为试验次数。

通过表1 的噪声试验数据对比可以看出，通过粘贴吸声材料，噪声值下降了0.7 dB。通过消声风道进行消声，噪声值下降了2.0 dB。通过封堵进风口进行消声，噪声值下降了2.7 dB。因此封堵进风口的消声效果最好。试验结论与仿真结果的定性趋势一致，这说明建立的噪声模型具有一定的参考意义，可以用于指导储能变流器的结构优化设计。

4 结 论

本文基于COMSOL Multiphysics 软件建立噪声的数值模型，分析对比粘贴吸声材料、添加消声风道、封堵进风口等优化结构，确定最优的结构设计方案。试验结果表明，通过在前后门板内壁粘贴吸声材料的消声效果不明显，封堵进风口的消声效果最好，从而确定了较优的结构设计方案。试验结果验证了噪声模型的可靠性，可以用于指导储能变流器的结构优化设计。