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

（蒙東協合開魯風力發電有限公司）

0 引言

風力發電機組塔架振動頻率處于低頻段，通過獲得機艙（塔頂）低頻絕對位移數據，可以對機組葉輪不平衡、機組穩定性評估、塔架載荷反演等方面提供有效數據支撐，無論是對機組穩定性控制還是優化仿真和技術研究具有重要的價值和意義。常規的測量手段很難獲得有效、穩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星系統的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星數據，通過數據通信鏈（如無線電臺）實時發送出去，而位于附近的移動站（流動站）接收機在對衛星觀測的同時，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場實施方案如圖2所示，移動站通過RTK定位技術獲得經緯度信息傳遞給風電機組主控，主控通過經緯度轉位移計算模塊以及前期的標定參數實時計算機艙偏航坐標系下X方向和Y方向的數據。

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據，B位置為測風支架中心，AO1指O1狀態下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 現場移動站和基站天線實物圖

2.2 安裝部署

衛星定位定向系統安裝在機艙頂部測風支架上，可輸出航向角、經度、緯度等，通過標定與換算，可實現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緯度坐標，作為后續衛星定位數據處理過程中的參考坐標。

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

圖5 標定全過程經緯度變化情況

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

表2 塔頂中心點O點經緯度

通過機艙設計圖紙和現場安裝實測得到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，晃動幅度大多數數據在±0.05m，這應該是風載和偏航系統內部激勵力等因素導致的。通過實測數據得到機艙由于重力作用向前移動了0.138m，通過機組Bladed靜態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據，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星主天線經緯度坐標向位移坐標轉化，以及相關尺寸鏈解算而得到。通過分析工況數據、機組運行狀態以及機艙定位定向數據進而分析機組定位數據的有效性和穩定性等信息。

如圖8所示，分別展示了衛星測量天線軌跡、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 機艙運動情況下數據分析

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，機艙運動范圍在-1.0~0.3m之間。其中在數據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，尤其是機組并網發電時，機艙前后晃動的幅度很大，如圖9和圖10所示，展示了現場機組發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，展示了現場機組發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

可以得到以下規律和結論：

1）機組發電時，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，通過仿真和實測數據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。

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，完全能夠實現厘米級的絕對定位精度。

3）通過分析工況數據、機組運行狀態以及機艙定位定向數據，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據的有效性和準確性。