基于GNSS-RTK技术的风电机组机舱位移和轨迹研究_刘智超.pdf
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1、2023.01.DQGY 19CHINA ELECTRICAL EQUIPMENT INDUSTRYPRODVCT AND TECHNIC产品与技术基准站的信号,通过对所收到的信号进行实时处理,给出移动站的三维坐标,如图1所示,RTK技术可以在很短的时间内获得厘米级的定位精度8-10。图1 GNSS-RTK技术拓扑图基于GNSS-RTK技术的风电机组机舱位移测量的现场实施方案如图2所示,移动站通过RTK定位技术获得经纬度信息传递给风电机组主控,主控通过经纬度转位移计算模块以及前期的标定参数实时计算机舱偏航坐标系下X方向和Y方向的数据。0 引言风力发电机组塔架振动频率处于低频段,通过获得机舱(塔
2、顶)低频绝对位移数据,可以对机组叶轮不平衡、机组稳定性评估、塔架载荷反演等方面提供有效数据支撑,无论是对机组稳定性控制还是优化仿真和技术研究具有重要的价值和意义。常规的测量手段很难获得有效、稳定和低成本的测量方案1-4,而GNSS-RTK定位技术利用全球导航卫星系统的RTK载波相位差分技术,实时处理基准站和移动站所得载波相位的差分结果,能够获得动态的厘米级定位精度5-7。1 技术说明1.1 宏观性能测试RTK(Real Time Kinematic)是以载波相位观测值进行实时动态相对定位的技术,其原理是将位于基准站上的接收机观测的卫星数据,通过数据通信链(如无线电台)实时发送出去,而位于附近的
3、移动站(流动站)接收机在对卫星观测的同时,也接收来自刘智超 张鹏 姜禹含 齐男 李永亮 李满达吐(蒙东协合开鲁风力发电有限公司)基于GNSS-RTK技术的风电机组机舱位移和轨迹研究摘要:获得风力发电机组机舱低频绝对位移数据,可以对机组叶轮不平衡、机组稳定性评估、塔架载荷反演等方面提供有效数据支撑,无论是从机组稳定性控制还是优化仿真和技术研究具有重要的价值和意义。通过采用GNSS-RTK技术、特定标定方法、经纬度转位移方法和相关尺寸链解算公式计算获得了机舱绝对位移结果。通过现场实测数据与Bladed仿真论证了GNSS-RTK技术在风电机组上能够达到厘米级的绝对定位精度,通过分析工况数据、机组运行
4、状态以及机舱定位定向数据,机舱运行和待机时的位移结果和工况相关性明显,说明了测量的机组绝对位移数据的有效性和准确性。关键词:风电机组;GNSS-RTK;机舱绝对位移电台天线电台已知位置基准站(GNSS接收机)流动站(待测点)1020km电器工业202301设计排版.indd 272023.2.6 11:18:53 AM2023.01.DQGY 20CHINA ELECTRICAL EQUIPMENT INDUSTRYPRODVCT AND TECHNIC产品与技术图2 实施方案示意图1.2 坐标转换说明机舱绝对位移计算原理图如图3所示。O点为塔底坐标系原点,对应塔底塔筒圆心,O1对应塔顶塔筒的
5、圆心,忽略塔筒制造安装和重力影响,O点将与O1点重合,实际情况由于机舱重心不在塔筒轴线上,O1通常会向机舱前部倾斜一段距离,O2点为机组受到风载作用,机舱运动到达的随机位置对应的坐标点。点A、点B和点C位于测风支架之上,A和C位置分别安装两只天线,A为主天线,C为副天线,两天线可以测量AC指向,可用于向量解析坐标数据,B位置为测风支架中心,AO1指O1状态下A点位置,其他坐标以此类推11。图3 坐标转换关系图A坐标的变化即为测量点的轨迹变化,OO2的变化即为机舱的绝对位移变化,计算关系如式(1)所示:(1)地球椭球的第一偏心率公式如式(2)所示:(2)地球椭球的卯酉圈曲率半径公式如式(3)所示
6、:(3)AO2在塔筒坐标系下距离坐标(Xi,Yi)计算公式如式(4)和式(5)所示:(4)(5)AB距离(测点和测风支架中心距离)通过现场实测获得,O1Bo1尺寸通过机组设计图纸获得,通过坐标向量转换关系可以获得O1点距离坐标O1(X1,Y1),O2(X2,Y2)点坐标同理可以获得。2 标定说明2.1 安装部署安装部署机组基本参数信息如表1所示,测量天线安装实物图如图4所示,右边为主天线,左边为副天线。表1 测试机组基本信息信息数值塔高120m叶轮直径140m容量2.5MW叶片长度69m额定转速11.1rpm图4 现场移动站和基站天线实物图Co2Bo2Ao2Bo1Ao1Co1O2O1OsinY
7、iXi电器工业202301设计排版.indd 282023.2.6 11:18:55 AM2023.01.DQGY 21CHINA ELECTRICAL EQUIPMENT INDUSTRYPRODVCT AND TECHNIC产品与技术2.2 安装部署卫星定位定向系统安装在机舱顶部测风支架上,可输出航向角、经度、纬度等,通过标定与换算,可实现塔顶绝对位移的测量。标定的意义在于通过机舱在无风或小风工况下,机舱偏航若干周绘制出定位天线的轨迹,进而计算出塔架实际轴线经纬度坐标,作为后续卫星定位数据处理过程中的参考坐标。绘制出标定过程机组经纬度变化时序图,如图4所示。以经度为横坐标,纬度为纵坐标,绘
8、制出经纬度椭圆,如图5所示。图5 标定全过程经纬度变化情况通过上述椭圆拟合和迭代求得塔顶中心点O点最小误差的经纬度,如表2所示。如前所述,O点可以理解为塔架无内应力(塔底无弯矩载荷)状态下塔顶所在的位置,卫星定位系统可同时测量出机组所处的海拔高度。表2中的数据将直接应用于算法程序中。表2 塔顶中心点O点经纬度参数数值纬度35.346347238245720经度114.2086539510335机舱定位天线海拔高度191.86m通过机舱设计图纸和现场安装实测得到O1Bo1尺寸和Ao1Bo1尺寸,通过式(1)获得OAo1测量天线轨迹和OO1机舱轨迹,如图6所示。(a)测量天线轨迹图 (b)机舱位移
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