基于GNSS-RTK技術的風電機組機艙位移和軌跡研究

劉智超 張鵬 姜禹含 齊男 李永亮 李滿達吐

（蒙東協(xié)合開魯風力發(fā)電有限公司）

0 引言

風力發(fā)電機組塔架振動頻率處于低頻段，通過獲得機艙（塔頂）低頻絕對位移數(shù)據(jù)，可以對機組葉輪不平衡、機組穩(wěn)定性評估、塔架載荷反演等方面提供有效數(shù)據(jù)支撐，無論是對機組穩(wěn)定性控制還是優(yōu)化仿真和技術研究具有重要的價值和意義。常規(guī)的測量手段很難獲得有效、穩(wěn)定和低成本的測量方案[1-4]，而GNSS-RTK定位技術利用全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)的RTK載波相位差分技術，實時處理基準站和移動站所得載波相位的差分結果，能夠獲得動態(tài)的厘米級定位精度[5-7]。

1 技術說明

1.1 宏觀性能測試

RTK（Real Time Kinematic）是以載波相位觀測值進行實時動態(tài)相對定位的技術，其原理是將位于基準站上的接收機觀測的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)通信鏈（如無線電臺）實時發(fā)送出去，而位于附近的移動站（流動站）接收機在對衛(wèi)星觀測的同時，也接收來自基準站的信號，通過對所收到的信號進行實時處理，給出移動站的三維坐標，如圖1所示，RTK技術可以在很短的時間內(nèi)獲得厘米級的定位精度[8-10]。

圖1 GNSS-RTK技術拓撲圖

基于GNSS-RTK技術的風電機組機艙位移測量的現(xiàn)場實施方案如圖2所示，移動站通過RTK定位技術獲得經(jīng)緯度信息傳遞給風電機組主控，主控通過經(jīng)緯度轉位移計算模塊以及前期的標定參數(shù)實時計算機艙偏航坐標系下X方向和Y方向的數(shù)據(jù)。

圖2 實施方案示意圖

1.2 坐標轉換說明

機艙絕對位移計算原理圖如圖3所示。O點為塔底坐標系原點，對應塔底塔筒圓心，O1對應塔頂塔筒的圓心，忽略塔筒制造安裝和重力影響，O點將與O1點重合，實際情況由于機艙重心不在塔筒軸線上，O1通常會向機艙前部傾斜一段距離，O2點為機組受到風載作用，機艙運動到達的隨機位置對應的坐標點。點A、點B和點C位于測風支架之上，A和C位置分別安裝兩只天線，A為主天線，C為副天線，兩天線可以測量AC指向，可用于向量解析坐標數(shù)據(jù)，B位置為測風支架中心，AO1指O1狀態(tài)下A點位置，其他坐標以此類推[11]。

圖3 坐標轉換關系圖

A坐標的變化即為測量點的軌跡變化，OO2的變化即為機艙的絕對位移變化，計算關系如式（1）所示：

地球橢球的第一偏心率公式如式（2）所示：

地球橢球的卯酉圈曲率半徑公式如式（3）所示：

AO2在塔筒坐標系下距離坐標（Xi,Yi）計算公式如式（4）和式（5）所示：

AB距離（測點和測風支架中心距離）通過現(xiàn)場實測獲得，O1Bo1尺寸通過機組設計圖紙獲得，通過坐標向量轉換關系可以獲得O1點距離坐標O1（X1，Y1），O2（X2，Y2）點坐標同理可以獲得。

2 標定說明

2.1 安裝部署

安裝部署機組基本參數(shù)信息如表1所示，測量天線安裝實物圖如圖4所示，右邊為主天線，左邊為副天線。

表1 測試機組基本信息

圖4 現(xiàn)場移動站和基站天線實物圖

2.2 安裝部署

衛(wèi)星定位定向系統(tǒng)安裝在機艙頂部測風支架上，可輸出航向角、經(jīng)度、緯度等，通過標定與換算，可實現(xiàn)塔頂絕對位移的測量。標定的意義在于通過機艙在無風或小風工況下，機艙偏航若干周繪制出定位天線的軌跡，進而計算出塔架實際軸線經(jīng)緯度坐標，作為后續(xù)衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)處理過程中的參考坐標。

繪制出標定過程機組經(jīng)緯度變化時序圖，如圖4所示。以經(jīng)度為橫坐標，緯度為縱坐標，繪制出經(jīng)緯度橢圓，如圖5所示。

圖5 標定全過程經(jīng)緯度變化情況

通過上述橢圓擬合和迭代求得塔頂中心點O點最小誤差的經(jīng)緯度，如表2所示。如前所述，O點可以理解為塔架無內(nèi)應力（塔底無彎矩載荷）狀態(tài)下塔頂所在的位置，衛(wèi)星定位系統(tǒng)可同時測量出機組所處的海拔高度。表2中的數(shù)據(jù)將直接應用于算法程序中。

表2 塔頂中心點O點經(jīng)緯度

通過機艙設計圖紙和現(xiàn)場安裝實測得到O1Bo1尺寸和Ao1Bo1尺寸，通過式（1）獲得OAo1測量天線軌跡和OO1機艙軌跡，如圖6所示。

圖6 測量天線和機艙軌跡圖

如圖7所示，機艙在無風、小風條件下連續(xù)偏航，通過GNSS-RTK測量的機艙位移均值為0.138m，最大值0.22m，最小值0.07m，均方根0.028，可以觀察出，偏航過程中機艙存在晃動，晃動幅度大多數(shù)數(shù)據(jù)在±0.05m，這應該是風載和偏航系統(tǒng)內(nèi)部激勵力等因素導致的。通過實測數(shù)據(jù)得到機艙由于重力作用向前移動了0.138m，通過機組Bladed靜態(tài)仿真得到機艙由于重力原因會向前移動0.126m，距離實測值僅僅相差1.2cm，可見通過該測量方案可以得到機艙位移數(shù)據(jù)，精度可達到厘米級別。

圖7 機艙絕對位移幅值和分布直方圖

3 標定說明

3.1 安裝部署

機組塔頂絕對位移是通過衛(wèi)星主天線經(jīng)緯度坐標向位移坐標轉化，以及相關尺寸鏈解算而得到。通過分析工況數(shù)據(jù)、機組運行狀態(tài)以及機艙定位定向數(shù)據(jù)進而分析機組定位數(shù)據(jù)的有效性和穩(wěn)定性等信息。

如圖8所示，分別展示了衛(wèi)星測量天線軌跡、機艙絕對位移軌跡，機艙航向是以機艙機尾指向機頭為X正方向，機艙右側指向左側為Y方向正方向（右手坐標系）。

圖8 機艙運動情況下數(shù)據(jù)分析

機艙在風載作用下，機艙X方向位移基本為負值，包括小風和停機在內(nèi)，機艙運動范圍在-1.0~0.3m之間。其中在數(shù)據(jù)中可以明顯看出一次停機過程，機艙從-0.6m急速移動到0.3m后振蕩穩(wěn)定下來。

通過以上分析可以得出GNSS-RTK能夠很好測量機艙絕對位移，可以達到厘米級精度。

3.2 相關性分析

當機組機艙正對風向時，機艙受到向后的推力，尤其是機組并網(wǎng)發(fā)電時，機艙前后晃動的幅度很大，如圖9和圖10所示，展示了現(xiàn)場機組發(fā)電和待機時機艙偏航坐標X方向位移與風速之間的關系，藍色散點為實測值，三角標記分別為0.1和0.9分位點，紅色圓點為均值。如圖11和圖12所示，展示了現(xiàn)場機組發(fā)電和待機時機艙偏航坐標Y方向位移與風速之間的關系。

圖9 發(fā)電時機艙X方向位移與風速之間的關系

圖10 待機時機艙X方向位移與風速之間的關系

圖11 發(fā)電時機艙Y方向位移與風速之間的關系

圖12 待機時機艙Y方向位移與風速之間的關系

可以得到以下規(guī)律和結論：

1）機組發(fā)電時，隨著風速增加，在9m/s風速時，機艙X方向位移達到最大值，均值為-0.561m，0.1和0.9分位數(shù)分別為-0.674m和-0.374m，隨著風速遞增，機艙位移最大值減小，這和機組控制策略和出力方式有關。

2）機組待機時，機艙X方向位移變化不大，基本在0.08m左右前后微微晃動，按照標定時機艙前傾0.14m來計算，風載使得機艙后移了0.06m。

3）機組待機時，機艙Y方向位移變化不大，基本在0左右晃動。

4）機組發(fā)電時，機艙Y方向位移在隨著風速從5m/s上升，機艙晃動位置在0.1m左右，即來風方向是葉輪的右前方，推斷為機組對風偏差或地形等原因導致。

4 結束語

本文提出一種基于GNSS-RTK技術的風電機組機艙位移和軌跡的研究方法，闡明了標定的基本方法和應用案例，通過仿真和實測數(shù)據(jù)的維度論證了技術方案的有效性和準確性，可以得出以下結論。

1）建立測點位置和機艙中心坐標尺寸鏈關系，通過向量轉換能夠將經(jīng)緯度信息轉化為坐標信息，進而轉換為機艙絕對位移信息，通過小風偏航測試活動就能標定實現(xiàn)。

2）機組小風偏航過程中，機艙中心位置變化的Bladed仿真結果和實測結果偏差僅為1.2cm，完全能夠實現(xiàn)厘米級的絕對定位精度。

3）通過分析工況數(shù)據(jù)、機組運行狀態(tài)以及機艙定位定向數(shù)據(jù)，機艙運行和待機時的位移結果和工況相關性明顯，說明了測量的機組絕對位移數(shù)據(jù)的有效性和準確性。