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10月5日，湖南大學電氣院1樓112房間，一個黃色底座的VX型海上風電機組模型赫然醒目。底座上，兩組飛機螺旋槳般的白色葉片可以轉動，還可以調(diào)節(jié)風機升降。
這是湖南大學風力發(fā)電系統(tǒng)研究團隊正在研制的“20兆瓦級海上新型風力發(fā)電機組”，是目前由國家重點研發(fā)計劃批復立項的全國在研最大容量風電機組。
這些年來，我國風電事業(yè)取得了舉世矚目的成績，累計裝機量已連續(xù)13年穩(wěn)居世界第一，是名副其實的世界第一風電大國。風電整機裝備產(chǎn)量占全球的一半以上，在機組大型化、低風速風機技術等方面全球領先。
鮮為人知的是，在我國風電機組大型化發(fā)展過程中，系列兆瓦級、10兆瓦級永磁風力發(fā)電機誕生背后，都有湖南大學風力發(fā)電系統(tǒng)研究團隊的一份重要貢獻。
1.“做出我們國家自己的大型風力發(fā)電機，不再受制于人”
發(fā)電機是風能轉化和利用的核心裝備，而風電規(guī)模化開發(fā)利用迫切需要兆瓦級風力發(fā)電機。可在20世紀末至21世紀初，我國只能生產(chǎn)750千瓦以下風力發(fā)電機。所需的大型風電機組，95%以上得從國外進口。
“風電是國家未來發(fā)展的需求。作為電氣專業(yè)的科研人員，有能力也有義務去掌握大型風力發(fā)電機技術，做出我們國家自己的大型風力發(fā)電機，不再受制于人！”
1998年，湖南大學電氣與信息工程學院教授黃守道和同事們研究了國內(nèi)外風力發(fā)電技術和市場情況后，毅然決定向大型風力發(fā)電機技術發(fā)起攻關。湖南大學風力發(fā)電系統(tǒng)研究團隊由此成立。
彼時，大型直驅(qū)永磁風力發(fā)電機是世界風電大力推崇的新技術。它摒棄齒輪箱，傳動簡單、可靠性高，能提高風能利用率，降低造價和并網(wǎng)成本。但同時，兆瓦級直驅(qū)永磁風力發(fā)電機的研制面臨強振動抑制、低風速啟動和寬風域高效運行等重大技術瓶頸，即便是德國、丹麥、荷蘭等風電制造強國在此項研究上也進展緩慢。
“在傳統(tǒng)增速型風電機組技術上追趕歐美風電強國周期長、掣肘多，不如直接研制新一代兆瓦級大型直驅(qū)永磁風力發(fā)電機。”2003年，團隊負責人黃守道敏銳意識到直驅(qū)永磁風力發(fā)電這一新技術是我國追隨甚至趕超的機遇。在帶領團隊通過長期調(diào)研和反復論證后，決定“彎道超車”。
經(jīng)過積極努力爭取，2006年，團隊與湘電股份、株洲南車電機等企業(yè)共同獲批國家“十一五”科技支撐計劃重大項目“1.5MW以上直驅(qū)式風電機組永磁發(fā)電機的研制與產(chǎn)業(yè)”和湖南省科技重大專項“2兆瓦級以上風力發(fā)電機組和關鍵部件的研制及產(chǎn)業(yè)”。
獲得國家重大科技任務的支持，讓團隊既興奮又深感壓力巨大。因為，團隊此前研制的風力發(fā)電機容量只有幾千瓦，但此次研制的是2兆瓦（即2000千瓦）的風力發(fā)電機。這么大容量的風力發(fā)電機，不僅自己以前沒有做過，在全國范圍內(nèi)也無人嘗試。
時間緊、任務重！來不及多想，項目批復后，黃守道等人就開始了緊張的研究工作。團隊經(jīng)常熬夜通宵連軸轉，設計方案歷經(jīng)多次推倒、重新再來。在數(shù)百個晝夜的奮力攻關后，團隊和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具有完全自主知識產(chǎn)權的2兆瓦直驅(qū)式風電機組。
2兆瓦發(fā)電機組打破了國外在該容量等級的技術壟斷，到2009年，2兆瓦直驅(qū)永磁同步風力發(fā)電機在我國實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，當年完成近300臺發(fā)電機的生產(chǎn)。
不過，新的情況又出現(xiàn)了。最初研制的2兆瓦等發(fā)電機只能廣泛安裝在我國一、二類風區(qū)，而我國平均風速6米/秒以下的三、四類低風速區(qū)占比超過60%，需要發(fā)電機具備在很低風速的情況下也可以啟動并運行的能力。否則，發(fā)電機產(chǎn)品推廣應用的市場將受到限制，阻礙我國廣大低風速區(qū)風能資源的開發(fā)利用。
怎么辦？面對新情況，只有繼續(xù)迎難而上，對發(fā)電機進一步優(yōu)化升級。
齒槽轉矩是發(fā)電機啟動必須克服的阻轉矩，低風速時葉輪驅(qū)動轉矩小，發(fā)電機難以啟動。而兆瓦發(fā)電機磁極數(shù)多，需要克服的轉矩大，消除十分困難。
通過無數(shù)次推導分析后，團隊發(fā)現(xiàn)了降低齒槽轉矩的關鍵在于抑制齒槽轉矩諧波，并揭示了諧波與極槽配合的規(guī)律。在此基礎上，他們進一步提出了分單元偏移的齒槽轉矩削弱方法，將磁極分組偏移一定角度，使齒槽轉矩相位相反，相互抵消，終于實現(xiàn)了發(fā)電機齒槽阻轉矩降低65%。
齒槽轉矩抑制技術不僅被應用于5兆瓦等更大容量機組的研發(fā)，也被廣泛應用于原有2兆瓦等機型，實現(xiàn)了2.4米/秒的低風速啟動，技術國際領先。
2019年，由團隊聯(lián)合湘電風能、金風科技、中車株洲電機等企業(yè)共同完成的“大型低速高效直驅(qū)永磁風力發(fā)電機關鍵技術及應用”項目獲得國家技術發(fā)明獎二等獎，1.5—6.7兆瓦系列化直驅(qū)永磁風力發(fā)電機產(chǎn)品出口美國、德國等20多個發(fā)達國家，在國內(nèi)外400多個風電場總裝機達2.7萬臺（套），直驅(qū)型風力發(fā)電機組累積裝機份額全球第一。
2.“大型風電機組不僅能建起來，還要能用好、好用”
從2000年到2010年，我國風力發(fā)電裝機量由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，由于我國缺乏對機組服役性能的研究，無法滿足風電機組快速發(fā)展的需求，導致機組服役期間故障頻發(fā)，嚴重制約我國風電產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量可持續(xù)發(fā)展。
“大型風電機組不僅能建起來，還要能用好、好用！”自2011年開始，團隊又開始了大型風電機組提升服役性能關鍵技術的攻堅。
對于團隊來說，這是一系列全新的挑戰(zhàn)——一方面需要研究風電機組安全保障技術，盡可能地保障機組在20多年的服役時間里不出現(xiàn)故障；另一方面，還需從高效服役的角度反過來優(yōu)化機組設計，設計出即便部分部件發(fā)生故障，也仍能安全高效運行的風電機組。
為此，團隊組建了更為廣泛的全國性產(chǎn)學研攻關團隊，新增了一批風電機組關鍵零部件、整機廠商和風電場運營企業(yè)。
2016年，團隊牽頭，聯(lián)合10家單位努力爭取到了國家重點研發(fā)計劃項目“重大復雜電機系統(tǒng)（風力發(fā)電）服役質(zhì)量及維護控制技術研究”的支持。
挑戰(zhàn)也迎面而來。風電機組服役質(zhì)量的系統(tǒng)性研究當時十分缺乏，無先例可行，只能自己摸索。可由于團隊長期專注風電機組設計與控制相關工作，并不具備研究機組服役質(zhì)量所必需的信息技術和機械工程的基礎。
沒辦法，大家只能硬著頭皮加班加點學習自己專業(yè)領域之外的知識。同時，經(jīng)常聚在一起進行深度討論，相互學習。團隊還因此在信息技術、機械工程等方向上從國內(nèi)外引進了多位年輕教師。
隨著對新知識、新技術逐漸深入理解，團隊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，項目取得了多項基礎理論與關鍵技術突破，于2020年以優(yōu)秀成績通過科技部績效評估，并在2022年獲得國家重點研發(fā)計劃項目“風電機群服役全周期質(zhì)量評估與調(diào)控技術研究”的滾動支持。
與此同時，在國家自然科學基金重點項目、國家重點研發(fā)計劃課題等項目的持續(xù)支持下，團隊致力于研制具有故障容錯運行能力的10兆瓦級風力發(fā)電機。
在解決設計階段的多個技術難題后，樣機很快做出來了，但到調(diào)試階段卻遇到了新問題：在電機與變流器聯(lián)合調(diào)試時，電機系統(tǒng)一直報故障。
為按期完成任務，團隊調(diào)試組成員只能成天泡在實驗室，周末沒有休息，假期也不放假，努力尋找故障原因。整個樣機系統(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)的設計框架、邏輯、執(zhí)行層面找原因。
終于，在經(jīng)歷了兩個多月的不斷測試后，團隊在一天深夜終于找到了故障原因：“各部件控制的時序性不一致”。
原因找到了，問題就好解決。團隊自主設計了自動控制部件時序的方法和裝置，很好地解決了該問題。該方法和裝置后續(xù)拓展應用于團隊其他很多項目的調(diào)試，大大縮短了項目調(diào)試時間。
基于系列項目取得的綜合創(chuàng)新成果，團隊產(chǎn)學研協(xié)同成功研制出智能化風電機組故障預警與質(zhì)量維護控制平臺和系列化10兆瓦級多模塊永磁風力發(fā)電機組等產(chǎn)品，其中11兆瓦直驅(qū)永磁風力發(fā)電機和12兆瓦半直驅(qū)永磁風力發(fā)電機等機型，不斷刷新行業(yè)風力發(fā)電機容量紀錄。
產(chǎn)品推廣應用于全國200多個風電場，避免了上千起風電機組重大事故發(fā)生，顯著提升了風電場的發(fā)電量，促進了風電產(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，更離不開團隊合作
湖南大學風力發(fā)電系統(tǒng)研究團隊與中國風電事業(yè)共發(fā)展、同進步。
1998年至2022年，我國風電裝機從22.36萬千瓦增長至3.65億千瓦，增長了1600多倍。與此同時，團隊從最初4名教師、兩三名研究生，發(fā)展到現(xiàn)在的師生總人數(shù)接近250人；從當初名不見經(jīng)傳，成長為如今的全國重點實驗室。
篳路藍縷，玉汝于成。
羅德榮教授是團隊最初4名教師之一，現(xiàn)在仍是團隊的核心骨干。他經(jīng)常用他們那一代的故事，勉勵團隊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，由于項目要求的交付時間提前了，就不允許我們慢慢調(diào)，要趕緊調(diào)出才行。”羅德榮清晰記得，當時是夏天，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個晝夜的奮戰(zhàn)，終于將設備性能和指標調(diào)試到理想狀態(tài)。
受黃守道、羅德榮等老一輩的影響，如今團隊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，更離不開團隊合作。
團隊分研究方向，按項目組管理，每兩周一次團隊研討會，內(nèi)容包括學術論文、報告交流，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，大家一起齊心協(xié)力申報、完成科研項目，互幫互助，合作創(chuàng)新、攻堅克難。
團隊艱苦奮斗的精神和合作創(chuàng)新的氛圍使團隊成員快速進步。目前，該團隊有2人入選國家高層次青年人才計劃，入選省級高層次人才計劃的成員則更多。
除了內(nèi)部合作創(chuàng)新，團隊還尤其注重與合作單位共同開展產(chǎn)學研協(xié)同創(chuàng)新。
在過去20多年里，團隊與眾多企事業(yè)單位合作承擔了30余項國家級、省部級重大重點項目，特別是“十三五”以來，主持承擔了國家重點研發(fā)計劃項目5項、課題3項，國家自然科學基金重點項目2項，并獲得國家級、省部級科技獎勵18項。
科研創(chuàng)新永無止境。在團隊完成兆瓦級、10兆瓦級永磁風力發(fā)電機的研制后，如今，在風電向深遠海發(fā)展的大背景下，團隊又將目標瞄向了20兆瓦級深遠海漂浮式風力發(fā)電機組。
自2021年開始，團隊牽頭組建了由湖南大學、武漢科技大學、哈電風能、山東中能等單位構成的產(chǎn)學研攻關團隊，設計了VX型雙葉輪結構，提出了具有風能利用系數(shù)高、重心可調(diào)、輕量化與低成本等特點的20兆瓦級深遠海漂浮式新型風電機組技術方案。2022年，所提出的技術方案獲國家重點研發(fā)計劃項目“20兆瓦級海上新型風力發(fā)電實現(xiàn)機理及關鍵技術立項支持。
如今，團隊正圍繞國家“雙碳”戰(zhàn)略需求，在風力發(fā)電技術與裝備研發(fā)上繼續(xù)深入，并努力建設好“海上風力發(fā)電裝備與風能高效利用”全國重點實驗室，致力在風力發(fā)電領域打造一支國際一流的科技力量。
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