在國家“雙碳”目標和積極產(chǎn)業(yè)政策引導(dǎo)下，我國風(fēng)電技術(shù)不斷進步，處于國際領(lǐng)先水平，相關(guān)產(chǎn)業(yè)呈蓬勃發(fā)展態(tài)勢，正逐步成為我國新型電力系統(tǒng)的主力軍之一。湖南作為科教資源大省，聚焦風(fēng)電裝備創(chuàng)新發(fā)展需求，創(chuàng)新產(chǎn)學(xué)研轉(zhuǎn)化形式，不斷發(fā)力風(fēng)電技術(shù)研究與裝備研發(fā)，一批突破性成果相繼落地。湖南在風(fēng)電領(lǐng)域的“產(chǎn)學(xué)研用”協(xié)同攻關(guān)是如何成功推進的？
從山間到草原，從沙漠到高原，從陸地到海洋，一架架“大風(fēng)車”拔地而起、迎風(fēng)轉(zhuǎn)動……從曾經(jīng)依賴進口，發(fā)展到如今在機組大型化、低風(fēng)速風(fēng)機技術(shù)等方面全球領(lǐng)先，我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)從無到有、從小到大、從弱到強。目前，我國是全球風(fēng)電產(chǎn)業(yè)規(guī)模最大的單一市場，也是全球最大的風(fēng)電裝備制造基地。
根據(jù)國家能源局最新數(shù)據(jù)，截至今年6月底，我國風(fēng)電裝機3.89億千瓦，連續(xù)13年居世界第一位。目前，全球市場近六成風(fēng)電設(shè)備產(chǎn)自中國。這其中，大型低速直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)、大型風(fēng)電機組提升服役性能關(guān)鍵技術(shù)、海上風(fēng)電變壓器關(guān)鍵技術(shù)……我國風(fēng)電領(lǐng)域一批重大創(chuàng)新成果均出自湖南。為何在湖南？這些突破又是如何實現(xiàn)的？
從零起步
在湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院1樓，幾臺風(fēng)力發(fā)電機模型格外亮眼，這些都是學(xué)院風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)研究團隊“追風(fēng)”25年自主研發(fā)的創(chuàng)新成果。“這是我們正在研制的‘20兆瓦級海上新型風(fēng)力發(fā)電機組’，是目前由國家重點研發(fā)計劃批復(fù)立項的全國在研最大容量風(fēng)電機組。”團隊帶頭人黃守道教授指著一個黃色底座的VX型海上風(fēng)電機組模型告訴記者。
發(fā)電機是風(fēng)能轉(zhuǎn)化和利用的核心裝備。上世紀末，我國只能生產(chǎn)750千瓦以下風(fēng)力發(fā)電機，安裝的大型風(fēng)電機組95%以上是從國外進口的。黃守道表示，“風(fēng)電是國家未來發(fā)展的需求，風(fēng)電規(guī)模化開發(fā)利用迫切需要兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機。作為電氣專業(yè)科研人員，我們有能力也有義務(wù)掌握大型風(fēng)力發(fā)電機技術(shù)，做出自己的大型風(fēng)力發(fā)電機”。
1998年，黃守道和同事王輝、羅德榮研究了國內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電技術(shù)和市場情況后，組建了湖南大學(xué)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)研究團隊，這也是我國最早的風(fēng)電研發(fā)團隊之一。團隊成立之初，各方面條件都不成熟，也沒有可以模仿的對象，那就從零起步，從風(fēng)力發(fā)電最基本的理論研究開始。
大型直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機摒棄齒輪箱，傳動簡單、可靠性高，能提高風(fēng)能利用率，降低造價和并網(wǎng)成本，是20世紀初世界風(fēng)電領(lǐng)域大力推崇的新技術(shù)。“在傳統(tǒng)增速型風(fēng)電機組技術(shù)上追趕風(fēng)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(fēng)力發(fā)電機。”研究團隊通過長期調(diào)研和反復(fù)論證，一致認為這一新技術(shù)是追趕甚至趕超的機遇。
在湖南電機廠有過10年生產(chǎn)一線研發(fā)經(jīng)驗的黃守道明白，大型直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機的研制是一項艱巨的系統(tǒng)性工程，僅靠在學(xué)校搞研究是無法成功的。2003年開始，他帶領(lǐng)團隊往返于各個企業(yè)和高校間，與湘電股份、南車株洲電機、湘電風(fēng)能等企業(yè)聯(lián)合組建“風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)學(xué)研用聯(lián)盟”，共同攻克大型直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機低風(fēng)速啟動、強振動抑制、寬風(fēng)域高效運行等研制難題。
2006年，國家“十一五”科技支撐計劃重大項目“1.5MW以上直驅(qū)式風(fēng)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(fēng)力發(fā)電機組和關(guān)鍵部件的研制及產(chǎn)業(yè)”獲批，兆瓦級永磁風(fēng)力發(fā)電機的研制進入加速階段。“獲得國家重大科技任務(wù)的支持讓團隊既興奮又緊張。緊張的原因是2兆瓦級的風(fēng)力發(fā)電機不僅我們沒有做過，全國范圍內(nèi)也無人嘗試，要按時完成任務(wù)面臨巨大挑戰(zhàn)。”黃守道說。
時間緊、任務(wù)重，項目批復(fù)后，所有人便開始了緊張的研究工作。經(jīng)過幾百個晝夜的攻關(guān)和幾次方案迭代，2007年11月，由“風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)學(xué)研用聯(lián)盟”自主研制的國內(nèi)單臺最大功率2兆瓦直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電機在湘電股份廠房下線，標志著湖南進入世界風(fēng)電設(shè)備制造領(lǐng)域的先進行列，確立了湖南在國內(nèi)風(fēng)電領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。
“做出自己的大型風(fēng)力發(fā)電機”并不是終點，通過自主創(chuàng)新實現(xiàn)產(chǎn)品迭代升級是關(guān)鍵。
“2兆瓦發(fā)電機最初批量安裝在一類、二類風(fēng)區(qū)，但我國的實際情況是，平均風(fēng)速6米/秒以下的三類、四類低風(fēng)速區(qū)占比超過60%。這就需要不斷提升發(fā)電機在低風(fēng)速下的啟動能力，才能使風(fēng)力發(fā)電機產(chǎn)品在后續(xù)風(fēng)電規(guī)?；_發(fā)中具有競爭力。”參與研制的湖南大學(xué)教授高劍回憶道，面對新需求，大家又開始攻克兆瓦級直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機低風(fēng)速啟動關(guān)鍵技術(shù)，對發(fā)電機進一步優(yōu)化升級。
參與研制的湖南大學(xué)副教授黃科元告訴記者，齒槽轉(zhuǎn)矩是發(fā)電機啟動必須克服的阻轉(zhuǎn)矩，低風(fēng)速時葉輪驅(qū)動轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩大，消除十分困難。經(jīng)過無數(shù)次推導(dǎo)分析后，團隊發(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，終于實現(xiàn)了發(fā)電機齒槽阻轉(zhuǎn)矩降低65%，實現(xiàn)了2.4米/秒的低風(fēng)速啟動，技術(shù)國際領(lǐng)先。
之后，“風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)學(xué)研用聯(lián)盟”開展了更為廣泛的產(chǎn)學(xué)研合作，進一步攻克了大型直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機強振動抑制、寬風(fēng)域高效運行等關(guān)鍵技術(shù)，不斷優(yōu)化發(fā)電機可靠性、運行效率等性能指標，并協(xié)同研制出1.5-6.7MW系列化直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機，系列發(fā)電機出口美國、德國等20多個國家，在全球400多個風(fēng)電場總裝機達2.7萬多臺（套），實現(xiàn)直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機累計裝機份額全球第一。
2019年，由湖南大學(xué)、湘電風(fēng)能、中車株洲電機等單位共同完成的“大型低速高效直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用”創(chuàng)新成果獲得國家技術(shù)發(fā)明獎二等獎。
創(chuàng)新成果有力推動了風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計，“十三五”期間，僅中車株洲電機、湘電風(fēng)能、湘電股份3家在湘企業(yè)，直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機組相關(guān)生產(chǎn)效益就接近500億元。
升級換代
10月10日，“風(fēng)電機群服役全周期質(zhì)量評估與調(diào)控技術(shù)研究”年度進展研討會在湖南長沙召開。項目通過實施，截至目前，已在風(fēng)電機群服役質(zhì)量評估方法、多時間尺度動態(tài)調(diào)控技術(shù)、服役質(zhì)量數(shù)字孿生平臺開發(fā)等方面取得階段性突破，立項國際標準和行業(yè)標準7項。
風(fēng)電，是構(gòu)建新型電力系統(tǒng)不可或缺的電源。2010年以來，我國風(fēng)電累計裝機已躍居世界第一位，產(chǎn)業(yè)核心需求由裝備“自主研制、規(guī)?；b機”轉(zhuǎn)變?yōu)檠b備“升級換代、高質(zhì)量服役”。這對風(fēng)電領(lǐng)域提出了新要求，不僅需要對大型風(fēng)電機組的高可靠運行和維護質(zhì)量控制技術(shù)進行研究，還需要進一步研制具有更高可靠性的大型風(fēng)力發(fā)電機。研究對象也不再只限定為直驅(qū)永磁型這一類，還包括已廣泛裝機的雙饋型機組、半直驅(qū)永磁型機組等其他類型的機組。
為此，湖南“風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)學(xué)研用聯(lián)盟”組建了更為廣泛的“全國性產(chǎn)學(xué)研用聯(lián)盟”，新增了時代新材、華電集團、上氣風(fēng)電、中車風(fēng)電等風(fēng)電機組關(guān)鍵零部件、整機廠商和風(fēng)電場運營企業(yè)。
2016年，由湖南大學(xué)、湘電股份、中車株洲電機、湘電風(fēng)能、中機國際等13家高校、研究所和行業(yè)龍頭企業(yè)共同承擔(dān)的國家重點研發(fā)計劃項目“重大復(fù)雜機電系統(tǒng)服役質(zhì)量檢測監(jiān)測及維護控制質(zhì)量控制技術(shù)研究”立項。
經(jīng)過4年的協(xié)同攻關(guān)，項目突破了大型風(fēng)電機組高密度復(fù)合傳感、多源信息融合與實時處理、強容錯設(shè)計與運行等關(guān)鍵技術(shù)，產(chǎn)學(xué)研協(xié)同研制出系列化高服役性能7兆瓦至12兆瓦永磁風(fēng)力發(fā)電機組、智能化風(fēng)電機組故障預(yù)警與質(zhì)量維護控制平臺等產(chǎn)品。
技術(shù)進步帶來的直接效果是風(fēng)能利用率不斷提升。產(chǎn)品應(yīng)用于全國200多個風(fēng)電場上萬臺風(fēng)電機組，避免了上千起風(fēng)電機組重大事故發(fā)生，助力風(fēng)電場年發(fā)電量提升2%至4%，共計為應(yīng)用企業(yè)降低電量損失6300多萬千瓦時，節(jié)約維修成本3.2億元。
作為風(fēng)電機組服役質(zhì)量的延續(xù)，2022年，“風(fēng)電機群服役全周期質(zhì)量評估與調(diào)控技術(shù)研究”立項，著力開展風(fēng)電機群服役性能提升的研究。
項目負責(zé)人、湖南大學(xué)教授黃晟介紹，下一步，項目將著力構(gòu)建風(fēng)電機群“檢測監(jiān)測—評估—調(diào)控”的服役質(zhì)量管理與效能提升優(yōu)化閉環(huán)，進一步開展標準研制和系統(tǒng)平臺的示范應(yīng)用，力爭實現(xiàn)風(fēng)電機群年發(fā)電量提升5%，為風(fēng)電機群運維決策提供技術(shù)保障和標準支撐，推動風(fēng)電集群化開發(fā)。
揚帆海上
從山東海陽市海陽港啟程，經(jīng)過一個半小時的海上航行，會在離岸約25公里處望見一個近250米高的“巨人”屹立在大海中，塔筒高聳，葉片隨風(fēng)轉(zhuǎn)動。這是中國中車首臺海上風(fēng)力發(fā)電機組——“海平面1號”10兆瓦風(fēng)機。
作為此項目的承接單位，中車株洲電力機車研究所有限公司風(fēng)電事業(yè)部研發(fā)團隊解決了設(shè)計、制造、運行、吊裝過程中的各項難題。他們在樣機生產(chǎn)和吊裝過程中，長期駐扎制造基地與海上施工現(xiàn)場。“整個研發(fā)過程中，我們遇到不少‘疑難雜癥’，比如傳動鏈的具體型式、發(fā)電機的電磁方案、布局方式、海上環(huán)境適應(yīng)性解決方案等，我們不斷與內(nèi)外部團隊溝通，最終定下來一個最優(yōu)方案。”中車株洲所風(fēng)電事業(yè)部技術(shù)中心副主任、項目經(jīng)理王磊告訴記者，一群“旱鴨子”要“出海”，盡管困難和挑戰(zhàn)前所未有，但仍然群策群力逐個擊破難題。
2022年11月24日，“海平面1號”完成吊裝，12月7日并網(wǎng)發(fā)電，填補了中車在海上風(fēng)電領(lǐng)域的市場空白，2023年4月27日樣機發(fā)電超過1000萬千瓦時，刷新了歷史紀錄。2022年，中車株洲所攜手湖南大學(xué)進一步開展“深遠海超大功率直驅(qū)永磁海上風(fēng)電機組關(guān)鍵技術(shù)”攻關(guān)，立項18兆瓦半直驅(qū)永磁風(fēng)電機組研發(fā)。
風(fēng)從海上來，電送千萬家。這只是湖南向海上“揚帆”，開啟風(fēng)電海陸并進的一個縮影。近年來，我國海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，已進入規(guī)?；_發(fā)階段。未來5年，我國將在優(yōu)化傳統(tǒng)陸海風(fēng)電的基礎(chǔ)上，大力開發(fā)邊境荒漠、戈壁地區(qū)和東南沿海地區(qū)的風(fēng)電資源，推動風(fēng)電在中國能源體系中比重的上升。在深海、深空、深地、深藍等領(lǐng)域積極搶占科技制高點，湖南積極邁向“深遠海”，在風(fēng)電創(chuàng)新最活躍的領(lǐng)域發(fā)力。
作為國內(nèi)輸配電重大裝備的龍頭企業(yè)，特變電工衡陽變壓器有限公司2022年攜手湖南大學(xué)開展“深海風(fēng)電輸變電核心技術(shù)”攻關(guān)，立項世界首臺330kV及以上海上風(fēng)電平臺用變壓器及電抗器等6項卡脖子技術(shù)攻關(guān)，同時，攻克并掌握400kV及以上高變比柔直分裂變壓器關(guān)鍵核心技術(shù)。
“我們經(jīng)過協(xié)同攻關(guān)，成功研制出世界首臺330kV及以上海上風(fēng)電平臺用變壓器及電抗器，填補了行業(yè)空白，達到國際領(lǐng)先水平。”特變電工衡變公司技術(shù)副總監(jiān)寧澔如介紹，330kV大容量海上升壓站主變壓器應(yīng)用于我國首個330kV海上風(fēng)電項目三峽新能源陽江青洲六海上風(fēng)電項目，采用自主研制+產(chǎn)學(xué)研合作的技術(shù)路線，攻克高電壓大容量絕緣可靠性，抗斜振技術(shù)、防腐設(shè)計技術(shù)、運維的免維護設(shè)計技術(shù)、小型化輕量化設(shè)計技術(shù)等關(guān)鍵核心技術(shù)。
項目設(shè)計生產(chǎn)的500kV大容量三相一體并聯(lián)電抗器是目前國內(nèi)廠家生產(chǎn)的電壓等級最高、容量最大的海上風(fēng)電項目，也是世界首臺500kV三相一體海上升壓站電抗器。這是我國海上風(fēng)電一次設(shè)備實現(xiàn)國產(chǎn)自主化戰(zhàn)略的又一次重大突破。電抗器在陽江青洲一二期海上風(fēng)電項目工程成功應(yīng)用，項目建成后，每年可提供清潔電能36億千瓦時，與同等規(guī)模的燃煤電廠相比，每年可節(jié)省標煤消耗約105萬噸，減排二氧化碳約278萬噸。
海上風(fēng)電加速走向深遠海，浮式風(fēng)電更加適合更大更深的場址。2021年起，湖南大學(xué)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)研究團隊開始20兆瓦深遠海漂浮式風(fēng)電機組產(chǎn)學(xué)研合作。經(jīng)過1年多時間，組建了由湖南大學(xué)、武漢科技大學(xué)、華北電力大學(xué)、哈電風(fēng)能、山東中能華源等構(gòu)成的產(chǎn)學(xué)研團隊，設(shè)計了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的20兆瓦級深遠海漂浮式新型風(fēng)電機組技術(shù)方案。2022年，“20兆瓦級海上新型風(fēng)力發(fā)電實現(xiàn)機理及關(guān)鍵技術(shù)”項目獲國家重點研發(fā)計劃項目立項支持。
“相比固定式風(fēng)電，海上漂浮式風(fēng)電具有海域適用范圍廣、對海底地質(zhì)條件限制少等優(yōu)勢，使得海上漂浮式風(fēng)電逐漸成為深遠海風(fēng)電開發(fā)的首選技術(shù)路線。”黃守道介紹，團隊正在研制的20兆瓦級深遠海漂浮式新型風(fēng)電機組的結(jié)構(gòu)，在形式上產(chǎn)生了顯著變化，加之新型材料的應(yīng)用，團隊原有1.5兆瓦至12兆瓦風(fēng)電機組的技術(shù)邏輯和技術(shù)路線已不再適用，必須通過底層技術(shù)革新，走出一條風(fēng)機大型化的嶄新之路。項目一旦研制成功，一臺機組每年可輸出超8000萬千瓦時的綠色電力，滿足4.4萬戶家庭一年的用電量。
2023年，哈電風(fēng)能、湘電股份、湖南大學(xué)作為共同依托單位，獲批重組建設(shè)“海上風(fēng)力發(fā)電裝備與風(fēng)能高效利用全國重點實驗室”。未來，圍繞國家實現(xiàn)“雙碳”目標的要求，湖南在風(fēng)力發(fā)電技術(shù)與裝備研發(fā)上的探索還將繼續(xù)深入。
