我國風電累計裝機量連續13年穩居世界第一，在機組大型化、低風速風機技術等方面全球領先。其背后，有湖南大學風力發電系統研究團隊的一份重要貢獻——
靠近風 追隨風 成為“風”
▲黃守道教授在華能浙江嘉興海上風電場現場。
華聲在線全媒體記者 余蓉
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，還可以調節風機升降。
這是湖南大學風力發電系統研究團隊正在研制的“20兆瓦級海上新型風力發電機組”，是目前由國家重點研發計劃批復立項的全國在研最大容量風電機組。
這些年來，我國風電事業取得了舉世矚目的成績，累計裝機量已連續13年穩居世界第一，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展過程中，系列兆瓦級、10兆瓦級永磁風力發電機誕生背后，都有湖南大學風力發電系統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電機，不再受制于人”
發電機是風能轉化和利用的核心裝備，而風電規?；_發利用迫切需要兆瓦級風力發電機?？稍?0世紀末至21世紀初，我國只能生產750千瓦以下風力發電機。所需的大型風電機組，95%以上得從國外進口。
“風電是國家未來發展的需求。作為電氣專業的科研人員，有能力也有義務去掌握大型風力發電機技術，做出我們國家自己的大型風力發電機，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外風力發電技術和市場情況后，毅然決定向大型風力發電機技術發起攻關。湖南大學風力發電系統研究團隊由此成立。
彼時，大型直驅永磁風力發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，降低造價和并網成本。但同時，兆瓦級直驅永磁風力發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。
▲黃守道教授(左一)為學生講解風電機組故障預警與質量維護控制系統功能模塊。
“在傳統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永磁風力發電機?！?003年，團隊負責人黃守道敏銳意識到直驅永磁風力發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研和反復論證后，決定“彎道超車”。
經過積極努力爭取，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以上直驅式風電機組永磁發電機的研制與產業”和湖南省科技重大專項“2兆瓦級以上風力發電機組和關鍵部件的研制及產業”。
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)的風力發電機。這么大容量的風力發電機，不僅自己以前沒有做過，在全國范圍內也無人嘗試。
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。團隊經常熬夜通宵連軸轉，設計方案歷經多次推倒、重新再來。在數百個晝夜的奮力攻關后，團隊和7家企業、3所高校組成的創新聯盟，終于在2007年10月研制成功我國首臺具有完全自主知識產權的2兆瓦直驅式風電機組。
2兆瓦發電機組打破了國外在該容量等級的技術壟斷，到2009年，2兆瓦直驅永磁同步風力發電機在我國實現產業化，當年完成近300臺發電機的生產。
不過，新的情況又出現了。最初研制的2兆瓦等發電機只能廣泛安裝在我國一、二類風區，而我國平均風速6米/秒以下的三、四類低風速區占比超過60%，需要發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，發電機產品推廣應用的市場將受到限制，阻礙我國廣大低風速區風能資源的開發利用。
怎么辦?面對新情況，只有繼續迎難而上，對發電機進一步優化升級。
齒槽轉矩是發電機啟動必須克服的阻轉矩，低風速時葉輪驅動轉矩小，發電機難以啟動。而兆瓦發電機磁極數多，需要克服的轉矩大，消除十分困難。
通過無數次推導分析后，團隊發現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，終于實現了發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，也被廣泛應用于原有2兆瓦等機型，實現了2.4米/秒的低風速啟動，技術國際領先。
2019年，由團隊聯合湘電風能、金風科技、中車株洲電機等企業共同完成的“大型低速高效直驅永磁風力發電機關鍵技術及應用”項目獲得國家技術發明獎二等獎，1.5—6.7兆瓦系列化直驅永磁風力發電機產品出口美國、德國等20多個發達國家，在國內外400多個風電場總裝機達2.7萬臺(套)，直驅型風力發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，我國風力發電裝機量由340兆瓦發展到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展的需求，導致機組服役期間故障頻發，嚴重制約我國風電產業的高質量可持續發展。
“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——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故障;另一方面，還需從高效服役的角度反過來優化機組設計，設計出即便部分部件發生故障，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。
2016年，團隊牽頭，聯合10家單位努力爭取到了國家重點研發計劃項目“重大復雜電機系統(風力發電)服役質量及維護控制技術研究”的支持。
▲華能浙江嘉興海上風電場。本版圖片均為通訊員 攝
挑戰也迎面而來。風電機組服役質量的系統性研究當時十分缺乏，無先例可行，只能自己摸索?？捎捎趫F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領域之外的知識。同時，經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年以優秀成績通過科技部績效評估，并在2022年獲得國家重點研發計劃項目“風電機群服役全周期質量評估與調控技術研究”的滾動支持。
與此同時，在國家自然科學基金重點項目、國家重點研發計劃課題等項目的持續支持下，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，但到調試階段卻遇到了新問題：在電機與變流器聯合調試時，電機系統一直報故障。
為按期完成任務，團隊調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。整個樣機系統的大小部件有上百件，經過一件件檢查、測試，大家發現部件本身并無故障，便又從控制系統的設計框架、邏輯、執行層面找原因。
終于，在經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。該方法和裝置后續拓展應用于團隊其他很多項目的調試，大大縮短了項目調試時間。
基于系列項目取得的綜合創新成果，團隊產學研協同成功研制出智能化風電機組故障預警與質量維護控制平臺和系列化10兆瓦級多模塊永磁風力發電機組等產品，其中11兆瓦直驅永磁風力發電機和12兆瓦半直驅永磁風力發電機等機型，不斷刷新行業風力發電機容量紀錄。
產品推廣應用于全國200多個風電場，避免了上千起風電機組重大事故發生，顯著提升了風電場的發電量，促進了風電產業高質量可持續發展。
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
湖南大學風力發電系統研究團隊與中國風電事業共發展、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，發展到現在的師生總人數接近250人;從當初名不見經傳，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，現在仍是團隊的核心骨干。他經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調試電機，由于項目要求的交付時間提前了，就不允許我們慢慢調，要趕緊調出才行。”羅德榮清晰記得，當時是夏天，車間沒有空調，溫度超過40攝氏度。可大家管不了那么多，吃住在車間，每天忙著調試，累了就睡在長板凳上。經過7個晝夜的奮戰，終于將設備性能和指標調試到理想狀態。
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新的氛圍。同時，大家一起齊心協力申報、完成科研項目，互幫互助，合作創新、攻堅克難。
團隊艱苦奮斗的精神和合作創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。
除了內部合作創新，團隊還尤其注重與合作單位共同開展產學研協同創新。
在過去20多年里，團隊與眾多企事業單位合作承擔了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。
▲20兆瓦級海上新型風力發電機組模型。
科研創新永無止境。在團隊完成兆瓦級、10兆瓦級永磁風力發電機的研制后，如今，在風電向深遠海發展的大背景下，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高、重心可調、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計劃項目“20兆瓦級海上新型風力發電實現機理及關鍵技術(2022YFB4201500)”立項支持。
如今，團隊正圍繞國家“雙碳”戰略需求，在風力發電技術與裝備研發上繼續深入，并努力建設好“海上風力發電裝備與風能高效利用”全國重點實驗室，致力在風力發電領域打造一支國際一流的科技力量。