我國風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)量連續(xù)13年穩(wěn)居世界第一，在機(jī)組大型化、低風(fēng)速風(fēng)機(jī)技術(shù)等方面全球領(lǐng)先。其背后，有湖南大學(xué)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)研究團(tuán)隊(duì)的一份重要貢獻(xiàn)——

靠近風(fēng) 追隨風(fēng) 成為“風(fēng)”

▲黃守道教授在華能浙江嘉興海上風(fēng)電場現(xiàn)場。

華聲在線全媒體記者 余蓉

10月5日，湖南大學(xué)電氣院1樓112房間，一個(gè)黃色底座的VX型海上風(fēng)電機(jī)組模型赫然醒目。底座上，兩組飛機(jī)螺旋槳般的白色葉片可以轉(zhuǎn)動(dòng)，還可以調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)升降。

這是湖南大學(xué)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)研究團(tuán)隊(duì)正在研制的“20兆瓦級(jí)海上新型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組”，是目前由國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃批復(fù)立項(xiàng)的全國在研最大容量風(fēng)電機(jī)組。

這些年來，我國風(fēng)電事業(yè)取得了舉世矚目的成績，累計(jì)裝機(jī)量已連續(xù)13年穩(wěn)居世界第一，是名副其實(shí)的世界第一風(fēng)電大國。風(fēng)電整機(jī)裝備產(chǎn)量占全球的一半以上，在機(jī)組大型化、低風(fēng)速風(fēng)機(jī)技術(shù)等方面全球領(lǐng)先。

鮮為人知的是，在我國風(fēng)電機(jī)組大型化發(fā)展過程中，系列兆瓦級(jí)、10兆瓦級(jí)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)誕生背后，都有湖南大學(xué)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)研究團(tuán)隊(duì)的一份重要貢獻(xiàn)。

1.“做出我們國家自己的大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，不再受制于人”

發(fā)電機(jī)是風(fēng)能轉(zhuǎn)化和利用的核心裝備，而風(fēng)電規(guī)?；_發(fā)利用迫切需要兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)。可在20世紀(jì)末至21世紀(jì)初，我國只能生產(chǎn)750千瓦以下風(fēng)力發(fā)電機(jī)。所需的大型風(fēng)電機(jī)組，95%以上得從國外進(jìn)口。

“風(fēng)電是國家未來發(fā)展的需求。作為電氣專業(yè)的科研人員，有能力也有義務(wù)去掌握大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)技術(shù)，做出我們國家自己的大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，不再受制于人!”

1998年，湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院教授黃守道和同事們研究了國內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電技術(shù)和市場情況后，毅然決定向大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)技術(shù)發(fā)起攻關(guān)。湖南大學(xué)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)研究團(tuán)隊(duì)由此成立。

彼時(shí)，大型直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)是世界風(fēng)電大力推崇的新技術(shù)。它摒棄齒輪箱，傳動(dòng)簡單、可靠性高，能提高風(fēng)能利用率，降低造價(jià)和并網(wǎng)成本。但同時(shí)，兆瓦級(jí)直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的研制面臨強(qiáng)振動(dòng)抑制、低風(fēng)速啟動(dòng)和寬風(fēng)域高效運(yùn)行等重大技術(shù)瓶頸，即便是德國、丹麥、荷蘭等風(fēng)電制造強(qiáng)國在此項(xiàng)研究上也進(jìn)展緩慢。

▲黃守道教授(左一)為學(xué)生講解風(fēng)電機(jī)組故障預(yù)警與質(zhì)量維護(hù)控制系統(tǒng)功能模塊。

“在傳統(tǒng)增速型風(fēng)電機(jī)組技術(shù)上追趕歐美風(fēng)電強(qiáng)國周期長、掣肘多，不如直接研制新一代兆瓦級(jí)大型直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)?！?003年，團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人黃守道敏銳意識(shí)到直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電這一新技術(shù)是我國追隨甚至趕超的機(jī)遇。在帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)通過長期調(diào)研和反復(fù)論證后，決定“彎道超車”。

經(jīng)過積極努力爭取，2006年，團(tuán)隊(duì)與湘電股份、株洲南車電機(jī)等企業(yè)共同獲批國家“十一五”科技支撐計(jì)劃重大項(xiàng)目“1.5MW以上直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組永磁發(fā)電機(jī)的研制與產(chǎn)業(yè)”和湖南省科技重大專項(xiàng)“2兆瓦級(jí)以上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和關(guān)鍵部件的研制及產(chǎn)業(yè)”。

獲得國家重大科技任務(wù)的支持，讓團(tuán)隊(duì)既興奮又深感壓力巨大。因?yàn)?，團(tuán)隊(duì)此前研制的風(fēng)力發(fā)電機(jī)容量只有幾千瓦，但此次研制的是2兆瓦(即2000千瓦)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)。這么大容量的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，不僅自己以前沒有做過，在全國范圍內(nèi)也無人嘗試。

時(shí)間緊、任務(wù)重!來不及多想，項(xiàng)目批復(fù)后，黃守道等人就開始了緊張的研究工作。團(tuán)隊(duì)經(jīng)常熬夜通宵連軸轉(zhuǎn)，設(shè)計(jì)方案歷經(jīng)多次推倒、重新再來。在數(shù)百個(gè)晝夜的奮力攻關(guān)后，團(tuán)隊(duì)和7家企業(yè)、3所高校組成的創(chuàng)新聯(lián)盟，終于在2007年10月研制成功我國首臺(tái)具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的2兆瓦直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組。

2兆瓦發(fā)電機(jī)組打破了國外在該容量等級(jí)的技術(shù)壟斷，到2009年，2兆瓦直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)在我國實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，當(dāng)年完成近300臺(tái)發(fā)電機(jī)的生產(chǎn)。

不過，新的情況又出現(xiàn)了。最初研制的2兆瓦等發(fā)電機(jī)只能廣泛安裝在我國一、二類風(fēng)區(qū)，而我國平均風(fēng)速6米/秒以下的三、四類低風(fēng)速區(qū)占比超過60%，需要發(fā)電機(jī)具備在很低風(fēng)速的情況下也可以啟動(dòng)并運(yùn)行的能力。否則，發(fā)電機(jī)產(chǎn)品推廣應(yīng)用的市場將受到限制，阻礙我國廣大低風(fēng)速區(qū)風(fēng)能資源的開發(fā)利用。

怎么辦?面對(duì)新情況，只有繼續(xù)迎難而上，對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)一步優(yōu)化升級(jí)。

齒槽轉(zhuǎn)矩是發(fā)電機(jī)啟動(dòng)必須克服的阻轉(zhuǎn)矩，低風(fēng)速時(shí)葉輪驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩小，發(fā)電機(jī)難以啟動(dòng)。而兆瓦發(fā)電機(jī)磁極數(shù)多，需要克服的轉(zhuǎn)矩大，消除十分困難。

通過無數(shù)次推導(dǎo)分析后，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了降低齒槽轉(zhuǎn)矩的關(guān)鍵在于抑制齒槽轉(zhuǎn)矩諧波，并揭示了諧波與極槽配合的規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，他們進(jìn)一步提出了分單元偏移的齒槽轉(zhuǎn)矩削弱方法，將磁極分組偏移一定角度，使齒槽轉(zhuǎn)矩相位相反，相互抵消，終于實(shí)現(xiàn)了發(fā)電機(jī)齒槽阻轉(zhuǎn)矩降低65%。

齒槽轉(zhuǎn)矩抑制技術(shù)不僅被應(yīng)用于5兆瓦等更大容量機(jī)組的研發(fā)，也被廣泛應(yīng)用于原有2兆瓦等機(jī)型，實(shí)現(xiàn)了2.4米/秒的低風(fēng)速啟動(dòng)，技術(shù)國際領(lǐng)先。

2019年，由團(tuán)隊(duì)聯(lián)合湘電風(fēng)能、金風(fēng)科技、中車株洲電機(jī)等企業(yè)共同完成的“大型低速高效直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用”項(xiàng)目獲得國家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)，1.5—6.7兆瓦系列化直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)品出口美國、德國等20多個(gè)發(fā)達(dá)國家，在國內(nèi)外400多個(gè)風(fēng)電場總裝機(jī)達(dá)2.7萬臺(tái)(套)，直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組累積裝機(jī)份額全球第一。

2.“大型風(fēng)電機(jī)組不僅能建起來，還要能用好、好用”

從2000年到2010年，我國風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)量由340兆瓦發(fā)展到29580兆瓦，全球排名也在10年間由第九躍居榜首。

但長期以來，由于我國缺乏對(duì)機(jī)組服役性能的研究，無法滿足風(fēng)電機(jī)組快速發(fā)展的需求，導(dǎo)致機(jī)組服役期間故障頻發(fā)，嚴(yán)重制約我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量可持續(xù)發(fā)展。

“大型風(fēng)電機(jī)組不僅能建起來，還要能用好、好用!”自2011年開始，團(tuán)隊(duì)又開始了大型風(fēng)電機(jī)組提升服役性能關(guān)鍵技術(shù)的攻堅(jiān)。

對(duì)于團(tuán)隊(duì)來說，這是一系列全新的挑戰(zhàn)——一方面需要研究風(fēng)電機(jī)組安全保障技術(shù)，盡可能地保障機(jī)組在20多年的服役時(shí)間里不出現(xiàn)故障;另一方面，還需從高效服役的角度反過來優(yōu)化機(jī)組設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出即便部分部件發(fā)生故障，也仍能安全高效運(yùn)行的風(fēng)電機(jī)組。

為此，團(tuán)隊(duì)組建了更為廣泛的全國性產(chǎn)學(xué)研攻關(guān)團(tuán)隊(duì)，新增了一批風(fēng)電機(jī)組關(guān)鍵零部件、整機(jī)廠商和風(fēng)電場運(yùn)營企業(yè)。

2016年，團(tuán)隊(duì)牽頭，聯(lián)合10家單位努力爭取到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“重大復(fù)雜電機(jī)系統(tǒng)(風(fēng)力發(fā)電)服役質(zhì)量及維護(hù)控制技術(shù)研究”的支持。

▲華能浙江嘉興海上風(fēng)電場。本版圖片均為通訊員 攝

挑戰(zhàn)也迎面而來。風(fēng)電機(jī)組服役質(zhì)量的系統(tǒng)性研究當(dāng)時(shí)十分缺乏，無先例可行，只能自己摸索?？捎捎趫F(tuán)隊(duì)長期專注風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)與控制相關(guān)工作，并不具備研究機(jī)組服役質(zhì)量所必需的信息技術(shù)和機(jī)械工程的基礎(chǔ)。

沒辦法，大家只能硬著頭皮加班加點(diǎn)學(xué)習(xí)自己專業(yè)領(lǐng)域之外的知識(shí)。同時(shí)，經(jīng)常聚在一起進(jìn)行深度討論，相互學(xué)習(xí)。團(tuán)隊(duì)還因此在信息技術(shù)、機(jī)械工程等方向上從國內(nèi)外引進(jìn)了多位年輕教師。

隨著對(duì)新知識(shí)、新技術(shù)逐漸深入理解，團(tuán)隊(duì)成員相互之間的思維碰撞也帶來了前所未有的科研愉悅。經(jīng)過3年多的艱苦攻關(guān)，項(xiàng)目取得了多項(xiàng)基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)突破，于2020年以優(yōu)秀成績通過科技部績效評(píng)估，并在2022年獲得國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“風(fēng)電機(jī)群服役全周期質(zhì)量評(píng)估與調(diào)控技術(shù)研究”的滾動(dòng)支持。

與此同時(shí)，在國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題等項(xiàng)目的持續(xù)支持下，團(tuán)隊(duì)致力于研制具有故障容錯(cuò)運(yùn)行能力的10兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)。

在解決設(shè)計(jì)階段的多個(gè)技術(shù)難題后，樣機(jī)很快做出來了，但到調(diào)試階段卻遇到了新問題：在電機(jī)與變流器聯(lián)合調(diào)試時(shí)，電機(jī)系統(tǒng)一直報(bào)故障。

為按期完成任務(wù)，團(tuán)隊(duì)調(diào)試組成員只能成天泡在實(shí)驗(yàn)室，周末沒有休息，假期也不放假，努力尋找故障原因。整個(gè)樣機(jī)系統(tǒng)的大小部件有上百件，經(jīng)過一件件檢查、測試，大家發(fā)現(xiàn)部件本身并無故障，便又從控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框架、邏輯、執(zhí)行層面找原因。

終于，在經(jīng)歷了兩個(gè)多月的不斷測試后，團(tuán)隊(duì)在一天深夜終于找到了故障原因：“各部件控制的時(shí)序性不一致”。

原因找到了，問題就好解決。團(tuán)隊(duì)自主設(shè)計(jì)了自動(dòng)控制部件時(shí)序的方法和裝置，很好地解決了該問題。該方法和裝置后續(xù)拓展應(yīng)用于團(tuán)隊(duì)其他很多項(xiàng)目的調(diào)試，大大縮短了項(xiàng)目調(diào)試時(shí)間。

基于系列項(xiàng)目取得的綜合創(chuàng)新成果，團(tuán)隊(duì)產(chǎn)學(xué)研協(xié)同成功研制出智能化風(fēng)電機(jī)組故障預(yù)警與質(zhì)量維護(hù)控制平臺(tái)和系列化10兆瓦級(jí)多模塊永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)組等產(chǎn)品，其中11兆瓦直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)和12兆瓦半直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)等機(jī)型，不斷刷新行業(yè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)容量紀(jì)錄。

產(chǎn)品推廣應(yīng)用于全國200多個(gè)風(fēng)電場，避免了上千起風(fēng)電機(jī)組重大事故發(fā)生，顯著提升了風(fēng)電場的發(fā)電量，促進(jìn)了風(fēng)電產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量可持續(xù)發(fā)展。

3.科研成果的取得，除了要有不怕吃苦的精神，更離不開團(tuán)隊(duì)合作

湖南大學(xué)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)研究團(tuán)隊(duì)與中國風(fēng)電事業(yè)共發(fā)展、同進(jìn)步。

1998年至2022年，我國風(fēng)電裝機(jī)從22.36萬千瓦增長至3.65億千瓦，增長了1600多倍。與此同時(shí)，團(tuán)隊(duì)從最初4名教師、兩三名研究生，發(fā)展到現(xiàn)在的師生總?cè)藬?shù)接近250人;從當(dāng)初名不見經(jīng)傳，成長為如今的全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。

篳路藍(lán)縷，玉汝于成。

羅德榮教授是團(tuán)隊(duì)最初4名教師之一，現(xiàn)在仍是團(tuán)隊(duì)的核心骨干。他經(jīng)常用他們那一代的故事，勉勵(lì)團(tuán)隊(duì)的年輕人保持艱苦奮斗的精神。

“有一次，黃守道老師帶著我們到企業(yè)調(diào)試電機(jī)，由于項(xiàng)目要求的交付時(shí)間提前了，就不允許我們慢慢調(diào)，要趕緊調(diào)出才行?！绷_德榮清晰記得，當(dāng)時(shí)是夏天，車間沒有空調(diào)，溫度超過40攝氏度。可大家管不了那么多，吃住在車間，每天忙著調(diào)試，累了就睡在長板凳上。經(jīng)過7個(gè)晝夜的奮戰(zhàn)，終于將設(shè)備性能和指標(biāo)調(diào)試到理想狀態(tài)。

受黃守道、羅德榮等老一輩的影響，如今團(tuán)隊(duì)的年輕人在科研中也有一種湖南人典型的“吃得苦、霸得蠻、耐得煩”的精神。

科研成果的取得，除了要有不怕吃苦的精神、持續(xù)專注地投入工作，更離不開團(tuán)隊(duì)合作。

團(tuán)隊(duì)分研究方向，按項(xiàng)目組管理，每兩周一次團(tuán)隊(duì)研討會(huì)，內(nèi)容包括學(xué)術(shù)論文、報(bào)告交流，或者相互間自由討論，努力營造有利于合作創(chuàng)新的氛圍。同時(shí)，大家一起齊心協(xié)力申報(bào)、完成科研項(xiàng)目，互幫互助，合作創(chuàng)新、攻堅(jiān)克難。

團(tuán)隊(duì)艱苦奮斗的精神和合作創(chuàng)新的氛圍使團(tuán)隊(duì)成員快速進(jìn)步。目前，該團(tuán)隊(duì)有2人入選國家高層次青年人才計(jì)劃，入選省級(jí)高層次人才計(jì)劃的成員則更多。

除了內(nèi)部合作創(chuàng)新，團(tuán)隊(duì)還尤其注重與合作單位共同開展產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新。

在過去20多年里，團(tuán)隊(duì)與眾多企事業(yè)單位合作承擔(dān)了30余項(xiàng)國家級(jí)、省部級(jí)重大重點(diǎn)項(xiàng)目，特別是“十三五”以來，主持承擔(dān)了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目5項(xiàng)、課題3項(xiàng)，國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目2項(xiàng)，并獲得國家級(jí)、省部級(jí)科技獎(jiǎng)勵(lì)18項(xiàng)。

▲20兆瓦級(jí)海上新型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組模型。

科研創(chuàng)新永無止境。在團(tuán)隊(duì)完成兆瓦級(jí)、10兆瓦級(jí)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的研制后，如今，在風(fēng)電向深遠(yuǎn)海發(fā)展的大背景下，團(tuán)隊(duì)又將目標(biāo)瞄向了20兆瓦級(jí)深遠(yuǎn)海漂浮式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。

自2021年開始，團(tuán)隊(duì)牽頭組建了由湖南大學(xué)、武漢科技大學(xué)、哈電風(fēng)能、山東中能等單位構(gòu)成的產(chǎn)學(xué)研攻關(guān)團(tuán)隊(duì)，設(shè)計(jì)了VX型雙葉輪結(jié)構(gòu)，提出了具有風(fēng)能利用系數(shù)高、重心可調(diào)、輕量化與低成本等特點(diǎn)的20兆瓦級(jí)深遠(yuǎn)海漂浮式新型風(fēng)電機(jī)組技術(shù)方案。2022年，所提出的技術(shù)方案獲國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“20兆瓦級(jí)海上新型風(fēng)力發(fā)電實(shí)現(xiàn)機(jī)理及關(guān)鍵技術(shù)(2022YFB4201500)”立項(xiàng)支持。

如今，團(tuán)隊(duì)正圍繞國家“雙碳”戰(zhàn)略需求，在風(fēng)力發(fā)電技術(shù)與裝備研發(fā)上繼續(xù)深入，并努力建設(shè)好“海上風(fēng)力發(fā)電裝備與風(fēng)能高效利用”全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，致力在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域打造一支國際一流的科技力量。