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          國產風電技術是如何突破的 ——湖南產業協同攻關發展調查

          來源:邵陽縣融媒體中心 編輯:王文潔 2023-11-16 11:49:06
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          智慧邵陽縣11月14日訊(來源:經濟日報)



          在國家“雙碳”目標和積極產業政策引導下,我國風電技術不斷進步,處于國際領先水平,相關產業呈蓬勃發展態勢,正逐步成為我國新型電力系統的主力軍之一。湖南作為科教資源大省,聚焦風電裝備創新發展需求,創新產學研轉化形式,不斷發力風電技術研究與裝備研發,一批突破性成果相繼落地。湖南在風電領域的“產學研用”協同攻關是如何成功推進的?

          從山間到草原,從沙漠到高原,從陸地到海洋,一架架“大風車”拔地而起、迎風轉動……從曾經依賴進口,發展到如今在機組大型化、低風速風機技術等方面全球領先,我國風電產業從無到有、從小到大、從弱到強。目前,我國是全球風電產業規模最大的單一市場,也是全球最大的風電裝備制造基地。

          根據國家能源局最新數據,截至今年6月底,我國風電裝機3.89億千瓦,連續13年居世界第一位。目前,全球市場近六成風電設備產自中國。這其中,大型低速直驅永磁風力發電關鍵技術、大型風電機組提升服役性能關鍵技術、海上風電變壓器關鍵技術……我國風電領域一批重大創新成果均出自湖南。為何在湖南?這些突破又是如何實現的?

          從零起步

          在湖南大學電氣與信息工程學院1樓,幾臺風力發電機模型格外亮眼,這些都是學院風力發電系統研究團隊“追風”25年自主研發的創新成果?!斑@是我們正在研制的‘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?!眻F隊帶頭人黃守道教授指著一個黃色底座的VX型海上風電機組模型告訴記者。

          發電機是風能轉化和利用的核心裝備。上世紀末,我國只能生產750千瓦以下風力發電機,安裝的大型風電機組95%以上是從國外進口的。黃守道表示,“風電是國家未來發展的需求,風電規?;_發利用迫切需要兆瓦級風力發電機。作為電氣專業科研人員,我們有能力也有義務掌握大型風力發電機技術,做出自己的大型風力發電機”。

          1998年,黃守道和同事王輝、羅德榮研究了國內外風力發電技術和市場情況后,組建了湖南大學風力發電系統研究團隊,這也是我國最早的風電研發團隊之一。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,從風力發電最基本的理論研究開始。

          大型直驅永磁風力發電機摒棄齒輪箱,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,是20世紀初世界風電領域大力推崇的新技術?!霸趥鹘y增速型風電機組技術上追趕風電強國周期長、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?!毖芯繄F隊通過長期調研和反復論證,一致認為這一新技術是追趕甚至趕超的機遇。

          在湖南電機廠有過10年生產一線研發經驗的黃守道明白,大型直驅永磁風力發電機的研制是一項艱巨的系統性工程,僅靠在學校搞研究是無法成功的。2003年開始,他帶領團隊往返于各個企業和高校間,與湘電股份、南車株洲電機、湘電風能等企業聯合組建“風力發電產學研用聯盟”,共同攻克大型直驅永磁風力發電機低風速啟動、強振動抑制、寬風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”獲批,兆瓦級永磁風力發電機的研制進入加速階段?!矮@得國家重大科技任務的支持讓團隊既興奮又緊張。緊張的原因是2兆瓦級的風力發電機不僅我們沒有做過,全國范圍內也無人嘗試,要按時完成任務面臨巨大挑戰?!秉S守道說。

          時間緊、任務重,項目批復后,所有人便開始了緊張的研究工作。經過幾百個晝夜的攻關和幾次方案迭代,2007年11月,由“風力發電產學研用聯盟”自主研制的國內單臺最大功率2兆瓦直驅式永磁風力發電機在湘電股份廠房下線,標志著湖南進入世界風電設備制造領域的先進行列,確立了湖南在國內風電領域的領先地位。

          “做出自己的大型風力發電機”并不是終點,通過自主創新實現產品迭代升級是關鍵。

          “2兆瓦發電機最初批量安裝在一類、二類風區,但我國的實際情況是,平均風速6米/秒以下的三類、四類低風速區占比超過60%。這就需要不斷提升發電機在低風速下的啟動能力,才能使風力發電機產品在后續風電規?;_發中具有競爭力?!眳⑴c研制的湖南大學教授高劍回憶道,面對新需求,大家又開始攻克兆瓦級直驅永磁風力發電機低風速啟動關鍵技術,對發電機進一步優化升級。

          參與研制的湖南大學副教授黃科元告訴記者,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。經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%,實現了2.4米/秒的低風速啟動,技術國際領先。

          之后,“風力發電產學研用聯盟”開展了更為廣泛的產學研合作,進一步攻克了大型直驅永磁風力發電機強振動抑制、寬風域高效運行等關鍵技術,不斷優化發電機可靠性、運行效率等性能指標,并協同研制出1.5-6.7MW系列化直驅永磁風力發電機,系列發電機出口美國、德國等20多個國家,在全球400多個風電場總裝機達2.7萬多臺(套),實現直驅型風力發電機累計裝機份額全球第一。

          2019年,由湖南大學、湘電風能、中車株洲電機等單位共同完成的“大型低速高效直驅永磁風力發電機關鍵技術及應用”創新成果獲得國家技術發明獎二等獎。

          創新成果有力推動了風力發電產業的發展。據統計,“十三五”期間,僅中車株洲電機、湘電風能、湘電股份3家在湘企業,直驅永磁風力發電機組相關生產效益就接近500億元。

          升級換代

          10月10日,“風電機群服役全周期質量評估與調控技術研究”年度進展研討會在湖南長沙召開。項目通過實施,截至目前,已在風電機群服役質量評估方法、多時間尺度動態調控技術、服役質量數字孿生平臺開發等方面取得階段性突破,立項國際標準和行業標準7項。

          風電,是構建新型電力系統不可或缺的電源。2010年以來,我國風電累計裝機已躍居世界第一位,產業核心需求由裝備“自主研制、規?;b機”轉變為裝備“升級換代、高質量服役”。這對風電領域提出了新要求,不僅需要對大型風電機組的高可靠運行和維護質量控制技術進行研究,還需要進一步研制具有更高可靠性的大型風力發電機。研究對象也不再只限定為直驅永磁型這一類,還包括已廣泛裝機的雙饋型機組、半直驅永磁型機組等其他類型的機組。

          為此,湖南“風力發電產學研用聯盟”組建了更為廣泛的“全國性產學研用聯盟”,新增了時代新材、華電集團、上氣風電、中車風電等風電機組關鍵零部件、整機廠商和風電場運營企業。

          2016年,由湖南大學、湘電股份、中車株洲電機、湘電風能、中機國際等13家高校、研究所和行業龍頭企業共同承擔的國家重點研發計劃項目“重大復雜機電系統服役質量檢測監測及維護控制質量控制技術研究”立項。

          經過4年的協同攻關,項目突破了大型風電機組高密度復合傳感、多源信息融合與實時處理、強容錯設計與運行等關鍵技術,產學研協同研制出系列化高服役性能7兆瓦至12兆瓦永磁風力發電機組、智能化風電機組故障預警與質量維護控制平臺等產品。

          技術進步帶來的直接效果是風能利用率不斷提升。產品應用于全國200多個風電場上萬臺風電機組,避免了上千起風電機組重大事故發生,助力風電場年發電量提升2%至4%,共計為應用企業降低電量損失6300多萬千瓦時,節約維修成本3.2億元。

          作為風電機組服役質量的延續,2022年,“風電機群服役全周期質量評估與調控技術研究”立項,著力開展風電機群服役性能提升的研究。

          項目負責人、湖南大學教授黃晟介紹,下一步,項目將著力構建風電機群“檢測監測—評估—調控”的服役質量管理與效能提升優化閉環,進一步開展標準研制和系統平臺的示范應用,力爭實現風電機群年發電量提升5%,為風電機群運維決策提供技術保障和標準支撐,推動風電集群化開發。

          揚帆海上

          從山東海陽市海陽港啟程,經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,葉片隨風轉動。這是中國中車首臺海上風力發電機組——“海平面1號”10兆瓦風機。

          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電事業部研發團隊解決了設計、制造、運行、吊裝過程中的各項難題。他們在樣機生產和吊裝過程中,長期駐扎制造基地與海上施工現場?!罢麄€研發過程中,我們遇到不少‘疑難雜癥’,比如傳動鏈的具體型式、發電機的電磁方案、布局方式、海上環境適應性解決方案等,我們不斷與內外部團隊溝通,最終定下來一個最優方案?!敝熊囍曛匏L電事業部技術中心副主任、項目經理王磊告訴記者,一群“旱鴨子”要“出?!?,盡管困難和挑戰前所未有,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日并網發電,填補了中車在海上風電領域的市場空白,2023年4月27日樣機發電超過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進一步開展“深遠海超大功率直驅永磁海上風電機組關鍵技術”攻關,立項18兆瓦半直驅永磁風電機組研發。

          風從海上來,電送千萬家。這只是湖南向海上“揚帆”,開啟風電海陸并進的一個縮影。近年來,我國海上風電產業發展迅猛,已進入規?;_發階段。未來5年,我國將在優化傳統陸海風電的基礎上,大力開發邊境荒漠、戈壁地區和東南沿海地區的風電資源,推動風電在中國能源體系中比重的上升。在深海、深空、深地、深藍等領域積極搶占科技制高點,湖南積極邁向“深遠?!?,在風電創新最活躍的領域發力。

          作為國內輸配電重大裝備的龍頭企業,特變電工衡陽變壓器有限公司2022年攜手湖南大學開展“深海風電輸變電核心技術”攻關,立項世界首臺330kV及以上海上風電平臺用變壓器及電抗器等6項卡脖子技術攻關,同時,攻克并掌握400kV及以上高變比柔直分裂變壓器關鍵核心技術。

          “我們經過協同攻關,成功研制出世界首臺330kV及以上海上風電平臺用變壓器及電抗器,填補了行業空白,達到國際領先水平?!碧刈冸姽ず庾児炯夹g副總監寧澔如介紹,330kV大容量海上升壓站主變壓器應用于我國首個330kV海上風電項目三峽新能源陽江青洲六海上風電項目,采用自主研制+產學研合作的技術路線,攻克高電壓大容量絕緣可靠性,抗斜振技術、防腐設計技術、運維的免維護設計技術、小型化輕量化設計技術等關鍵核心技術。

          項目設計生產的500kV大容量三相一體并聯電抗器是目前國內廠家生產的電壓等級最高、容量最大的海上風電項目,也是世界首臺500kV三相一體海上升壓站電抗器。這是我國海上風電一次設備實現國產自主化戰略的又一次重大突破。電抗器在陽江青洲一二期海上風電項目工程成功應用,項目建成后,每年可提供清潔電能36億千瓦時,與同等規模的燃煤電廠相比,每年可節省標煤消耗約105萬噸,減排二氧化碳約278萬噸。

          海上風電加速走向深遠海,浮式風電更加適合更大更深的場址。2021年起,湖南大學風力發電系統研究團隊開始20兆瓦深遠海漂浮式風電機組產學研合作。經過1年多時間,組建了由湖南大學、武漢科技大學、華北電力大學、哈電風能、山東中能華源等構成的產學研團隊,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,“20兆瓦級海上新型風力發電實現機理及關鍵技術”項目獲國家重點研發計劃項目立項支持。

          “相比固定式風電,海上漂浮式風電具有海域適用范圍廣、對海底地質條件限制少等優勢,使得海上漂浮式風電逐漸成為深遠海風電開發的首選技術路線?!秉S守道介紹,團隊正在研制的20兆瓦級深遠海漂浮式新型風電機組的結構,在形式上產生了顯著變化,加之新型材料的應用,團隊原有1.5兆瓦至12兆瓦風電機組的技術邏輯和技術路線已不再適用,必須通過底層技術革新,走出一條風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,哈電風能、湘電股份、湖南大學作為共同依托單位,獲批重組建設“海上風力發電裝備與風能高效利用全國重點實驗室”。未來,圍繞國家實現“雙碳”目標的要求,湖南在風力發電技術與裝備研發上的探索還將繼續深入。


          來源:邵陽縣融媒體中心

          編輯:王文潔

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