我国风电累计装机量连续13年稳居世界第一，在机组大型化、低风速风机技术等方面全球领先。其背后，有湖南大学风力发电系统研究团队的一份重要贡献——
靠近风 追随风 成为“风”
▲黄守道教授在华能浙江嘉兴海上风电场现场。
华声在线全媒体记者 余蓉
10月5日，湖南大学电气院1楼112房间，一个黄色底座的VX型海上风电机组模型赫然醒目。底座上，两组飞机螺旋桨般的白色叶片可以转动，还可以调节风机升降。
这是湖南大学风力发电系统研究团队正在研制的“20兆瓦级海上新型风力发电机组”，是目前由国家重点研发计划批复立项的全国在研最大容量风电机组。
这些年来，我国风电事业取得了举世瞩目的成绩，累计装机量已连续13年稳居世界第一，是名副其实的世界第一风电大国。风电整机装备产量占全球的一半以上，在机组大型化、低风速风机技术等方面全球领先。
鲜为人知的是，在我国风电机组大型化发展过程中，系列兆瓦级、10兆瓦级永磁风力发电机诞生背后，都有湖南大学风力发电系统研究团队的一份重要贡献。
1.“做出我们国家自己的大型风力发电机，不再受制于人”
发电机是风能转化和利用的核心装备，而风电规模化开发利用迫切需要兆瓦级风力发电机。可在20世纪末至21世纪初，我国只能生产750千瓦以下风力发电机。所需的大型风电机组，95%以上得从国外进口。
“风电是国家未来发展的需求。作为电气专业的科研人员，有能力也有义务去掌握大型风力发电机技术，做出我们国家自己的大型风力发电机，不再受制于人!”
1998年，湖南大学电气与信息工程学院教授黄守道和同事们研究了国内外风力发电技术和市场情况后，毅然决定向大型风力发电机技术发起攻关。湖南大学风力发电系统研究团队由此成立。
彼时，大型直驱永磁风力发电机是世界风电大力推崇的新技术。它摒弃齿轮箱，传动简单、可靠性高，能提高风能利用率，降低造价和并网成本。但同时，兆瓦级直驱永磁风力发电机的研制面临强振动抑制、低风速启动和宽风域高效运行等重大技术瓶颈，即便是德国、丹麦、荷兰等风电制造强国在此项研究上也进展缓慢。
▲黄守道教授(左一)为学生讲解风电机组故障预警与质量维护控制系统功能模块。
“在传统增速型风电机组技术上追赶欧美风电强国周期长、掣肘多，不如直接研制新一代兆瓦级大型直驱永磁风力发电机。”2003年，团队负责人黄守道敏锐意识到直驱永磁风力发电这一新技术是我国追随甚至赶超的机遇。在带领团队通过长期调研和反复论证后，决定“弯道超车”。
经过积极努力争取，2006年，团队与湘电股份、株洲南车电机等企业共同获批国家“十一五”科技支撑计划重大项目“1.5MW以上直驱式风电机组永磁发电机的研制与产业”和湖南省科技重大专项“2兆瓦级以上风力发电机组和关键部件的研制及产业”。
获得国家重大科技任务的支持，让团队既兴奋又深感压力巨大。因为，团队此前研制的风力发电机容量只有几千瓦，但此次研制的是2兆瓦(即2000千瓦)的风力发电机。这么大容量的风力发电机，不仅自己以前没有做过，在全国范围内也无人尝试。
时间紧、任务重!来不及多想，项目批复后，黄守道等人就开始了紧张的研究工作。团队经常熬夜通宵连轴转，设计方案历经多次推倒、重新再来。在数百个昼夜的奋力攻关后，团队和7家企业、3所高校组成的创新联盟，终于在2007年10月研制成功我国首台具有完全自主知识产权的2兆瓦直驱式风电机组。
2兆瓦发电机组打破了国外在该容量等级的技术垄断，到2009年，2兆瓦直驱永磁同步风力发电机在我国实现产业化，当年完成近300台发电机的生产。
不过，新的情况又出现了。最初研制的2兆瓦等发电机只能广泛安装在我国一、二类风区，而我国平均风速6米/秒以下的三、四类低风速区占比超过60%，需要发电机具备在很低风速的情况下也可以启动并运行的能力。否则，发电机产品推广应用的市场将受到限制，阻碍我国广大低风速区风能资源的开发利用。
怎么办?面对新情况，只有继续迎难而上，对发电机进一步优化升级。
齿槽转矩是发电机启动必须克服的阻转矩，低风速时叶轮驱动转矩小，发电机难以启动。而兆瓦发电机磁极数多，需要克服的转矩大，消除十分困难。
通过无数次推导分析后，团队发现了降低齿槽转矩的关键在于抑制齿槽转矩谐波，并揭示了谐波与极槽配合的规律。在此基础上，他们进一步提出了分单元偏移的齿槽转矩削弱方法，将磁极分组偏移一定角度，使齿槽转矩相位相反，相互抵消，终于实现了发电机齿槽阻转矩降低65%。
齿槽转矩抑制技术不仅被应用于5兆瓦等更大容量机组的研发，也被广泛应用于原有2兆瓦等机型，实现了2.4米/秒的低风速启动，技术国际领先。
2019年，由团队联合湘电风能、金风科技、中车株洲电机等企业共同完成的“大型低速高效直驱永磁风力发电机关键技术及应用”项目获得国家技术发明奖二等奖，1.5—6.7兆瓦系列化直驱永磁风力发电机产品出口美国、德国等20多个发达国家，在国内外400多个风电场总装机达2.7万台(套)，直驱型风力发电机组累积装机份额全球第一。
2.“大型风电机组不仅能建起来，还要能用好、好用”
从2000年到2010年，我国风力发电装机量由340兆瓦发展到29580兆瓦，全球排名也在10年间由第九跃居榜首。
但长期以来，由于我国缺乏对机组服役性能的研究，无法满足风电机组快速发展的需求，导致机组服役期间故障频发，严重制约我国风电产业的高质量可持续发展。
“大型风电机组不仅能建起来，还要能用好、好用!”自2011年开始，团队又开始了大型风电机组提升服役性能关键技术的攻坚。
对于团队来说，这是一系列全新的挑战——一方面需要研究风电机组安全保障技术，尽可能地保障机组在20多年的服役时间里不出现故障;另一方面，还需从高效服役的角度反过来优化机组设计，设计出即便部分部件发生故障，也仍能安全高效运行的风电机组。
为此，团队组建了更为广泛的全国性产学研攻关团队，新增了一批风电机组关键零部件、整机厂商和风电场运营企业。
2016年，团队牵头，联合10家单位努力争取到了国家重点研发计划项目“重大复杂电机系统(风力发电)服役质量及维护控制技术研究”的支持。
▲华能浙江嘉兴海上风电场。本版图片均为通讯员 摄
挑战也迎面而来。风电机组服役质量的系统性研究当时十分缺乏，无先例可行，只能自己摸索。可由于团队长期专注风电机组设计与控制相关工作，并不具备研究机组服役质量所必需的信息技术和机械工程的基础。
没办法，大家只能硬着头皮加班加点学习自己专业领域之外的知识。同时，经常聚在一起进行深度讨论，相互学习。团队还因此在信息技术、机械工程等方向上从国内外引进了多位年轻教师。
随着对新知识、新技术逐渐深入理解，团队成员相互之间的思维碰撞也带来了前所未有的科研愉悦。经过3年多的艰苦攻关，项目取得了多项基础理论与关键技术突破，于2020年以优秀成绩通过科技部绩效评估，并在2022年获得国家重点研发计划项目“风电机群服役全周期质量评估与调控技术研究”的滚动支持。
与此同时，在国家自然科学基金重点项目、国家重点研发计划课题等项目的持续支持下，团队致力于研制具有故障容错运行能力的10兆瓦级风力发电机。
在解决设计阶段的多个技术难题后，样机很快做出来了，但到调试阶段却遇到了新问题：在电机与变流器联合调试时，电机系统一直报故障。
为按期完成任务，团队调试组成员只能成天泡在实验室，周末没有休息，假期也不放假，努力寻找故障原因。整个样机系统的大小部件有上百件，经过一件件检查、测试，大家发现部件本身并无故障，便又从控制系统的设计框架、逻辑、执行层面找原因。
终于，在经历了两个多月的不断测试后，团队在一天深夜终于找到了故障原因：“各部件控制的时序性不一致”。
原因找到了，问题就好解决。团队自主设计了自动控制部件时序的方法和装置，很好地解决了该问题。该方法和装置后续拓展应用于团队其他很多项目的调试，大大缩短了项目调试时间。
基于系列项目取得的综合创新成果，团队产学研协同成功研制出智能化风电机组故障预警与质量维护控制平台和系列化10兆瓦级多模块永磁风力发电机组等产品，其中11兆瓦直驱永磁风力发电机和12兆瓦半直驱永磁风力发电机等机型，不断刷新行业风力发电机容量纪录。
产品推广应用于全国200多个风电场，避免了上千起风电机组重大事故发生，显著提升了风电场的发电量，促进了风电产业高质量可持续发展。
3.科研成果的取得，除了要有不怕吃苦的精神，更离不开团队合作
湖南大学风力发电系统研究团队与中国风电事业共发展、同进步。
1998年至2022年，我国风电装机从22.36万千瓦增长至3.65亿千瓦，增长了1600多倍。与此同时，团队从最初4名教师、两三名研究生，发展到现在的师生总人数接近250人;从当初名不见经传，成长为如今的全国重点实验室。
筚路蓝缕，玉汝于成。
罗德荣教授是团队最初4名教师之一，现在仍是团队的核心骨干。他经常用他们那一代的故事，勉励团队的年轻人保持艰苦奋斗的精神。
“有一次，黄守道老师带着我们到企业调试电机，由于项目要求的交付时间提前了，就不允许我们慢慢调，要赶紧调出才行。”罗德荣清晰记得，当时是夏天，车间没有空调，温度超过40摄氏度。可大家管不了那么多，吃住在车间，每天忙着调试，累了就睡在长板凳上。经过7个昼夜的奋战，终于将设备性能和指标调试到理想状态。
受黄守道、罗德荣等老一辈的影响，如今团队的年轻人在科研中也有一种湖南人典型的“吃得苦、霸得蛮、耐得烦”的精神。
科研成果的取得，除了要有不怕吃苦的精神、持续专注地投入工作，更离不开团队合作。
团队分研究方向，按项目组管理，每两周一次团队研讨会，内容包括学术论文、报告交流，或者相互间自由讨论，努力营造有利于合作创新的氛围。同时，大家一起齐心协力申报、完成科研项目，互帮互助，合作创新、攻坚克难。
团队艰苦奋斗的精神和合作创新的氛围使团队成员快速进步。目前，该团队有2人入选国家高层次青年人才计划，入选省级高层次人才计划的成员则更多。
除了内部合作创新，团队还尤其注重与合作单位共同开展产学研协同创新。
在过去20多年里，团队与众多企事业单位合作承担了30余项国家级、省部级重大重点项目，特别是“十三五”以来，主持承担了国家重点研发计划项目5项、课题3项，国家自然科学基金重点项目2项，并获得国家级、省部级科技奖励18项。
▲20兆瓦级海上新型风力发电机组模型。
科研创新永无止境。在团队完成兆瓦级、10兆瓦级永磁风力发电机的研制后，如今，在风电向深远海发展的大背景下，团队又将目标瞄向了20兆瓦级深远海漂浮式风力发电机组。
自2021年开始，团队牵头组建了由湖南大学、武汉科技大学、哈电风能、山东中能等单位构成的产学研攻关团队，设计了VX型双叶轮结构，提出了具有风能利用系数高、重心可调、轻量化与低成本等特点的20兆瓦级深远海漂浮式新型风电机组技术方案。2022年，所提出的技术方案获国家重点研发计划项目“20兆瓦级海上新型风力发电实现机理及关键技术(2022YFB4201500)”立项支持。
如今，团队正围绕国家“双碳”战略需求，在风力发电技术与装备研发上继续深入，并努力建设好“海上风力发电装备与风能高效利用”全国重点实验室，致力在风力发电领域打造一支国际一流的科技力量。
