大型单轴承直驱永磁风电机组关键技术与装备研制及应用doc.docx

大型单轴承直驱永磁风电机组关键技术与装备研制及应用doc.docx

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大型单轴承直驱永磁风电机组关键技术与装备研制及应用doc

项目名称：

大型单轴承直驱永磁风电机组关键技术与装备研制及应用

推荐单位意见：

该项目在国家“973”、“863”、国际科技合作、国家科技支撑和湖南省科技重大专项等项目的资助下，发明了锥形心轴结构和低速单轴承直驱风力发电机组；建立了直驱风力发电机-变流器一体化设计方法；设计了风电全功率双PWM变流系统并首次应用于2MW直驱风电机组；提出了低风速风电叶片族系延长设计技术；发明了大型直驱风电机组密封式防腐蚀结构、舱内热交换系统和安全链实时检测装置。

建成了国内首个完善的8MW及以下直驱永磁风力发电机设计、生产和测试体系。

研制出具有自主知识产权的国内首台2MW、世界首台5MW直驱永磁风力发电机组，并实现了大规模装机和并网发电。

研究成果获得授权国家发明专利30项，其它知识产权18项，主持制订国家标准2项，出版专著2部，发表论文80多篇，在产业化和推广应用方面取得了显著成效，形成了从理论方法、关键技术研究，到设备自主研发和推广应用的技术体系。

自2007年以来，2MW、5MW直驱永磁风力发电机组在全国30多个省份的150多个风场装机运行。

近3年，新增销售收入200多亿元，新增利润达15亿元。

综上所述，项目极大推动了我国风电技术科技进步，加速了我国由风电大国到风电强国的重大转变，对保障国家能源安全和节能降耗发挥了巨大作用。

经审阅该项目推荐书及附件材料，确认材料真实有效，相关栏目均符合填写要求。

我单位和项目完成单位都已对该项目的拟推荐情况进行了公示无异议。

同意推荐该项目申报2017年度国家科学技术进步一等奖。

项目简介：

该项目属于电气工程领域。

大规模开发和利用风能是我国的重要能源战略。

直驱风电机组由多极低速发电机和叶轮直接连接，无需齿轮箱，可靠性高，是大型风力发电的发展方向。

大型直驱风力发电机组承载重量大、运行环境恶劣、载荷工况和运行状态极端复杂，涉及电气、控制、力学、机械和材料等多个学科，机组系统设计理论匮乏，设计难度大，亟待突破。

项目组在国家“973”、“863”、国际科技合作、国家科技支撑等项目资助下，历经8年攻关，突破了单轴承大型直驱风电机组设计的关键技术，打破了国外技术封锁，在国际上首次实现了5MW等大型直驱永磁风电机组的产业化，取得的主要科技创新有：

（1）建立了直驱风力发电机-变流器一体化设计方法，填补了变流器约束下直驱风力发电机优化设计技术空白，发电机效率提高5.7%，齿槽转矩降低65%。

（2）创造性发明了锥形心轴结构和低速单轴承直驱风力发电机组，攻克了超高气动力载荷、惯性载荷及超大重力等多重承载下兆瓦级直驱风电机组单轴承可靠支撑重大难题。

（3）创新设计了风电全功率双PWM变流系统并首次应用于2MW直驱风电机组，攻克了易变风速下大功率风力发电机定子电流控制技术难题，发电机定子电流畸变率≤2%。

（4）发明了低风速风电叶片族系延长设计技术，机组发电量提高5%-12%；创造性发展了“长时等粘度浸渍”和“低渗透预成型体Z向动力浸渍”等液相成型技术，为低成本可靠制备轻量化碳纤维复合材料海上风电叶片奠定了基础。

（5）发明了兆瓦级直驱风电机组密封式防蚀结构、舱内热交换系统和安全链实时检测装置，攻克了海上风电机组抗腐蚀和台风飓风紧急状况下快速停机等重大安全难题。

建立了国内容量最大的8MW直驱风电机组试验平台，制定了直驱风力发电机“技术条件”与“试验方法”等国家标准，成立了“海上风力发电技术与检测国家重点实验室”、“国家电能变换与控制工程技术研究中心”等科研平台。

2007年和2010年分别研制出国内首台2MW、世界首台5MW直驱永磁风力发电机组，并实现了兆瓦级直驱风电机组及其叶片、发电机、变流器和主控系统等关键零部件的产业化。

2010年10月中央电视台《新闻联播》对项目进行了报道“我国第一台具有世界领先水平的5MW直驱永磁海上风力发电机在湖南下线”；2013年11月中央电视台《大国重器》栏目对项目进行了专题报道“全球仅有的两台5MW直驱永磁风力发电机组，一台远渡重洋安装在荷兰，另一台矗立在中国东南沿海的大型风力发电厂”。

项目成果经鉴定，认为机组“整体技术达到国际先进水平，一体化设计技术居国际领先”、“在设计制造、运行性能、可靠性等方面达到了同类产品的国际先进水平”。

2007年以来，2MW、5MW直驱风电机组在全国30个省份的150多个风场装机运行，2MW直驱永磁机型国内市场占有率超过90%，5MW直驱永磁机型国内市场占有率达到100%，产品出口美国、法国、德国、荷兰等国。

近3年，新增销售额200多亿元、利润15亿元。

项目成果获国家授权发明专利30项，其它知识产权18项，主持制订国家标准2项，发表论文80多篇，出版专著2部；获湖南省科技进步一等奖3项，全国商业科技进步特等奖1项，中国电力科技技术发明二等奖1项。

项目极大推动了我国风电技术科技进步，加速了我国由风电大国到风电强国的重大转变，对保障国家能源安全和节能降耗发挥了巨大作用。

客观评价：

项目成果获得国家发明专利30项，其它知识产18项，制订国家标准2项，出版专著2部，发表论文80多篇。

相关成果“2兆瓦风力发电机组和关键零部件及产业化”获得2010年度湖南省科技进步一等奖、“大型风力发电机复合材料叶片设计、制备和试验技术”获得2012年度湖南省科技进步一等奖、“兆瓦级直驱型风力发电机组与关键零部件研制及产业化”获得2013年度湖南省科技进步一等奖、“大型直驱风力发电系统结构与能量转换优化技术”获得2016年全国商业科技进步特等奖、“兆瓦级直驱风电系统能量高效转换关键技术及应用”获得2016年度中国电力科技技术发明二等奖。

成果鉴定和项目验收报告

（1）2009 年10 月，湖南省经济委员会组织专家对“2MW 直驱永磁同步风力发电机”进行了新产品鉴定，认为：

“该产品在设计制造、运行性能、可靠性等方面达到同类产品的国际先进水平，整体技术居国内领先”。

（2）2013年9月，教育部组织专家组对“直驱永磁风力发电技术及其应用”项目进行了科技成果鉴定，认为：

“该项成果整体技术达到国际先进水平，直驱永磁风力发电机组一体化设计技术居国际领先”。

（3）2013年9月，湖南省科技厅组织专家对“5MW直驱永磁海上风力发电机组研制”进行了科学技术成果鉴定，认为：

“该项目整体技术达到国际先进水平，一致同意通过鉴定”。

（4）2009年11月，国家科技部组织专家对国家高技术研究发展计划（863计划）课题“兆瓦级（2MW）直驱型风力发电机组及其关键部件的设计和制造技术（2006AA05Z

401）” 进行了验收。

认为：

“完成了课题任务合同书规定的主要研究内容，达到了考核指标，同意课题通过验收”。

（5）2009年，湖南省科技厅组织专家组对湖南省重大专项“2兆瓦及以上风力发电机组和关键部件的研制及产业化（2006GK1002）”进行了验收。

认为：

“项目掌握了兆瓦级永磁风力发电机设计、制造的关键技术，攻克了IGBT并联均流技术等多项关键技术瓶颈，实现了大功率PWM整流和逆变”。

（6）2011年12月，国家科技部组织专家对国家“十一五”国家科技支撑计划项目“直驱式风电机组永磁单轴承发电机的研制（2006BAA01A16）”进行了验收。

认为：

“完成了课题任务书规定的考核目标和主要技术经济指标，同意课题通过验收”。

（7）2011年10月12日，科技部高技术中心组织对国家863计划项目“大尺寸复合材料风电叶片RTMAVIP就地制造技术”课题进行了验收。

认为：

“项目取得了一批应用技术和基础理论成果，成果得到产业化应用。

通过产学研合作建立了大尺寸复合材料风电叶片高水平研发平台”。

（8）2012年，国家自然科学基金项目“电网故障下永磁直驱式风力发电机运行与控制（50907020）”通过验收结题，结题报告认为“项目首次从电网与永磁直驱式风电机组相互作用角度，完整地研究了电网故障下的穿越运行控制，其控制技术在原理、方法、技术上均具原始创新意义，对增强风电机组运行能力、适应电网日益提高的并网运行要求有重要作用。

”

（9）2013年5月，国家科技部组织专家对国家重点基础研究发展计划（973计划）课题“能源高效利用中的基础科学问题——海上风电关键技术研究” （2010CB736201）进行了验收。

认为：

“项目取得了一批应用技术和基础理论成果，部分研究成果得到实际应用。

项目完成了计划任务目标”专家组同意项目通过结题验收。

（10）2015年5月，国家科技部国际合作司委托湖南省科技厅对国家国际科技合作项目“基于轻型直流输电的海上风电系统关键技术”（2011DFA62240）进行了验收。

认为项目“建立了基于轻型直流输电海上风电场完整综合设计理论、设计控制方法，解决了环流冗余控制和故障穿越运行关键问题”。

国家标准、检验报告及科研基地批文

（11）项目成果制订了直驱永磁风力发电机组相关国家标准：

“风力发电机组低速永磁同步发电机第1部分：

技术条件” （GBT 25389.1-2010）和“风力发电机组低速永磁同步发电机第2部分：

试验方法”（GBT 25389.2-2010）。

（12）2011年项目组研制的2MW直驱永磁风力发电机组通过了国家电网中国电力科学院的低电压穿越现场试验，试验结论认为：

“各项数据均满足国家电网公司企业标准《风电场接入电网技术规定》中对低电压穿越能力的要求”。

（13）2012年9月，XE82-2000 2MW直驱式风力发电机组通过了中国船级社设计评估。

（14）2013年12月，XE93-2000 风力发电机组通过了鉴衡认证的设计认证。

（15）2010年5月，国家科技部等部门批准湘潭电机股份有限公司的“TFY2000-1型2MW直驱永磁同步风力发电机”为国家重点新产品。

（16）科技部2010年12月批准湘潭电机股份有限公司建立“海上风力发电技术与检测国家重点实验室”, 国家能源局2010年7月批准湘潭电机股份有限公司建立“国家能源风力发电机研发（实验）中心”,科技部2013年4月批准湖南大学建立“国家电能变换与控制工程技术研究中心”。

用户报告

（17）项目组研制成果推广应用在中闽嘉儒风场、大唐六鳌风场等90余个风电场实现并网发电。

应用单位运行表明，“直驱风力发电机具有结构紧凑、效率高，可靠性高、电能质量高等优点，低电压穿越能力满足电网运行要求”。

科技部官网重大科技成果报道

（18）2007年11月3日，项目组研制的2MW直驱式风力发电机组并网发电，同时2MW永磁同步风力发电机下线，科技部网站指出：

湘潭电机2MW直驱式风力发电机组并网发电、2MW永磁同步风力发电机下线具有里程碑意义，标志我国风力发电装备研制技术取得重大突破。

（科技部网

中央电视台重大科技创新报道

（19）2010年10月21日，中央电视台《新闻联播》对湘潭电机股份有限公司研制的我国首台5兆瓦永磁直驱海上风力发电机进行了报道，报道指出：

“我国第一台具有世界领先水平的5兆瓦永磁直驱海上风力发电机在湖南湘潭下线，标志着我国已具备在海上安装大功率海上风力发电机的能力。

”

（20）2013年11月中央电视台大型纪录片《大国重器》介绍了湘潭电机股份有限公司生产的2MW和5MW风力发电机：

“全球仅有的两台5MW直驱永磁风力发电机，一台远渡重洋安装在荷兰，另一台矗立在中国东南沿海的大型风力发电厂”。

推广应用情况：

1、应用情况

依托该项目关键技术创新，湘潭电机股份有限公司、株洲时代新材料科技股份有限公司、国电南瑞科技有限公司开发的直驱永磁风力发电机、叶片、风电变流器和主控系统，并由湘电风能有限公司进行直驱永磁风力发电机组集成、销售。

自2007年以来，累计销售2MW、5MW系列直驱永磁风力发电机组4000多台套，在全国150多个风场并网发电运行。

2、经济社会效益

（1）经济效益

2014-2016年推广销售2MW、5MW系列直驱永磁风力发电机组共4000多台套，新增销售额200多亿元、利润15亿元。

（2）社会效益

1）该项目突破了大型单轴承支撑直驱风力发电能量高效转换与控制技术，建成了国内首个完善的兆瓦级直驱永磁风力发电机设计、生产和测试体系，研制出2MW、5MW直驱永磁风力发电机组，打破了国际技术垄断，极大的推动了我国风电行业的发展和直驱永磁风力发电技术领域的科技进步。

2）依托该项目培养风力发电技术及装备领域博士和硕士40多名、工程技术人员60多名。

项目承担单位获批建设“海上发电技术与检测国家重点实验室”、“国家能源风力发电机研发（实验）中心”和“国家电能变换与控制工程技术研究中心”等国家级科研基地，为人才的培养和聚集、技术的深入研究和开发提供了保障。

3）通过该项目的产业化，带动当地相关产业的发展，新增就业岗位10000多个，产生了巨大的社会效益。

4）以一套2MW直驱永磁风力发电机组年平均满功率发电2000小时计算，则每套机组每年产生电能约为4M千瓦时，目前，该项目研制的2MW直驱永磁风力发电机组并网运行4000台，按平均每套并网发电2年计算，则共生产电能约320亿千瓦时，产生间接经济效益约192亿元人民币；同时节约标准煤约1040万吨，减少温室气体排放约2808万吨。

该项目推广应用的直驱永磁风力发电机，通过并网发电在电能生产和节能减排中产生了巨大的间接经济效益。

主要知识产权目录：

知识产权类别

知识产权具体名称

国家

授权号

授权日期

权利人

发明人

专利有效状态

发明专利

一种直驱永磁风力发电机

中国

ZL200910309803.4

2012年

5月30日

湘电风能有限公司

陈习坤，尹耀安，贺建湘，龙辛，曾毅

有效专利

发明专利

一种三相电压源型PWM变流器的预测直接功率控制方法

中国

ZL200910309803.4

2015年

11月4日

湖南大学

黄守道，叶虹志，高剑等

有效专利

发明专利

一种直驱风力发电机心轴

中国

ZL201010147305.7

2011年

4月13日

湘电风能有限公司

陈习坤，尹耀安，贺建湘，曾毅，龙辛等

有效专利

发明专利

一种抑制风力发电机网侧变流器交错并联环流的控制方法

中国

ZL201510585460.X

2016年11月30日

湖南大学

黄守道，高剑等

有效专利

发明专利

一种永磁直驱风力发电系统变流器的开路故障诊断方法

中国

ZL201110072135.5

2016年

7月25日

湖南大学

黄科元，刘静佳，黄守道等

有效专利

发明专利

一种检测风机安全链运行可靠性的方法

中国

ZL201110200581.X

2012年

7月4日

湘电风能有限公司

黄建鹏，龙辛，熊弦等

有效专利

发明专利

一种海上风力发电场的拓扑结构、并网系统及其控制方法

中国

ZL201310129388.0

2016年

8月24日

湖南大学

荣飞，朱斌，黄守道等

有效专利

发明专利

一种风力发电机组最佳叶尖速比跟踪控制方法

中国

ZL201310142051.3

2015年

2月18日

国电南瑞科技股份有限公司

邬昌明，邵宜祥，王长宝等

有效专利

发明专利

一种直驱风力发电机空气交换系统

中国

ZL201010213874.7

2011年

4月27日

湘电风能有限公司

陈习坤，尹耀安，吴洪等

有效专利

发明专利

一种永磁直驱风力发电机阻力矩测量装置

中国

ZL200910309434.9

2013年

8月21日

湘潭电机股份有限公司

秦爱国，禹利华，李春林等

有效专利

发明专利

可加长大型复合材料风电叶片

中国

ZL201210304336.8

2014年

7月23日

中国人民解放军国防科学技术大学

曾竟成，彭超义，杨金水，肖加余，邢素丽，杨孚标

有效专利

发明专利

超大型复合材料构件整体成型工艺及成型系统

中国

ZL200910303943.0

2011年08月24日

中国人民解放军国防科学技术大学

曾竟成，杨金水，杨孚标，彭超义，刘卓峰，肖加余

有效专利

软件著作权

直驱永磁风力发电机变流器控制下效率优化设计软件

中国

2016SR127440

黄守道

高剑

等

其它知识产权

软件著作权

兆瓦级直驱永磁风力发电机设计软件

中国

2010SR005430

黄守道

高剑

等

其它知识产权

专著

直驱永磁风力发电机的设计及并网控制

中国

978-7-121-25323-2

2014年12月

黄守道

高剑

罗德荣

其它知识产权

国家标准

国家标准：

风力发电机组低速永磁同步发电机第1部分：

技术条件

中国

GB/T25389.1-2010

2011年11月10日

GB/T

25389.1-2010

湘潭电机股份有限公司、湘电风能有限公司等

其它知识产权

国家标准

国家标准：

风力发电机组低速永磁同步发电机第2部分：

试验方法

中国

GB/T25389.2-2010

2011年

11月10日

GB/T25389.2-2010

湘潭电机股份有限公司、湘电风能有限公司等

其它知识产权

主要完成人情况：

1.黄守道，排名1，“国家电能变换与控制工程技术研究中心”学术带头人、国家重点研发计划项目首席专家，教授，副院长，工作单位：

湖南大学，完成单位：

湖南大学，是该项目的主要负责人，对创新点1、2、3有重要贡献，全面负责整个项目的研究开发，具体负责发电机设计和控制方法的研究。

2.龙辛，排名2，执行董事，首席专家，副总经理，工作单位：

湘电风能有限公司，完成单位：

湘电风能有限公司，项目技术主要参与人，对创新点2、5有重要贡献，主要负责直驱永磁风力发电机组设计、生产和推广应用工作。

3.彭超义，排名3，副教授，工作单位：

国防科技大学，完成单位：

国防科技大学，是该项目主要完成人之一，对创新点4有重要贡献，提出“长时等粘度浸渍”和“低渗透预成型体Z向动力浸渍”等液相成型技术，发明了可加长型风电叶片。

4.高剑，排名4，讲师，工作单位：

湖南大学，完成单位：

湖南大学，项目主要参与人，对创新点1、3有重要贡献，负责永磁直驱风力发电机的方案设计、有限元仿真、系统特性仿真及一体化设计，在机组关键部件创新研究工作中做出了重要贡献。

5.李春林，排名5，高级工程师，总经理（原湘电股份电机事业部总经理），工作单位：

湘电风能有限公司，完成单位：

湘电风能有限公司，项目主要参与人，对创新点2、5有重要贡献，负责直驱永磁风力发电机组设计、生产和推广应用；

6.杨军，排名6，教授级高工，总经理、中车株洲电力机车研究所有限公司副总经理，工作单位：

株洲时代新材料科技股份有限公司。

完成单位：

株洲时代新材料科技股份有限公司，项目主要参与人，对创新点4有重要贡献，参与了多款风电叶片设计与研制。

7.邵宜祥，排名7，电控分公司总经理，工作单位：

国电南瑞科技股份有限公司，完成单位：

国电南瑞科技股份有限公司，项目主要参与人，对创新点3有重要贡献，主要参与完成了大型风电机组及变流系统研制与销售等工作。

8.宋晓萍，排名8，高级工程师，副总经理兼首席科学家，工作单位：

湘电风能有限公司，完成单位：

湘电风能有限公司，项目主要参与人，对创新点2、5有重要贡献，负责直驱永磁风力发电机组整机设计、生产和推广应用。

9.罗德荣，排名9，副教授，工作单位：

湖南大学，完成单位：

湖南大学，项目主要参与人，对创新点3有重要贡献，负责完成该项目中风力发电变流器控制算法调试工作。

10.杨国伟，排名10，高级工程师，工作单位：

湖南大学，完成单位：

湖南大学，项目主要参与人，对创新点1、2、5有重要贡献，负责该项目中直驱永磁风力发电机结构设计、推广等工作；

11.曾竟成，排名11，教授，工作单位：

国防科技大学，完成单位：

国防科技大学，项目主要参与人，对创新点4有重要贡献，负责该项目中风电叶片制备工艺研究与工程应用推广等工作。

12.陈习坤，排名12，高级工程师，工作单位：

湘电风能有限公司，完成单位：

湘电风能有限公司，项目主要参与人，对创新点2、5有重要贡献，主要负责直驱永磁风力发电机结构设计、仿真、系统安全性等方面工作。

13.荣飞，排名13，副教授，工作单位：

湖南大学，完成单位：

湖南大学，项目主要参与人，对创新点3有重要贡献，参与完成该项目中直驱永磁风力发电变流器控制策略设计及软件调试。

14.蔡国洋，排名14，工作单位：

国电南瑞科技股份有限公司，完成单位：

国电南瑞科技股份有限公司，项目主要参与人，对创新点3有重要贡献，主要参与该项目中风力发电控制系统的研发。

15.邓秋玲，排名15，教授，工作单位：

湖南工程学院，完成单位：

湖南工程学院，项目参与人，对创新点1有重要贡献，该项目中主要参与直驱永磁风力发电机齿槽转矩抑制及仿真方面的工作。

主要完成单位：

项目由湖南大学、湘电风能有限公司、国防科技大学、湘潭电机股份有限公司、株洲时代新材料科技股份有限公司、国电南瑞科技股份有限公司、湖南工程学院联合完成。

湖南大学作为项目第一完成单位，黄守道教授担任项目负责人，主要研究成员包括高剑、荣飞、罗德荣等。

该单位在该项目中承担直驱风电机组相关理论、方法和设计方案的创新研究。

主要贡献有：

（1）首创了直驱风力发电机-变流器一体化设计方法，填补了变流器约束下直驱风力发电机优化设计的空白；

（2）创新设计了风电全功率双PWM变流器系统，解决了易变风速下大功率发电机定子电流控制技术难题；（3）依托项目关键技术与湘潭电机股份有限公司合作开发直驱永磁风力发电机组，并实现了产业化。

湘电风能有限公司作为项目参与单位，龙辛高级工程师担任主要负责人，该单位在该项目中主要从事直驱永磁风力发电机组的集成研制和推广应用。

主要贡献有：

（1）创造性发明了锥形心轴结构和低速重载单轴承直驱风力发电机组，攻克了超高气动力载荷、惯性载荷及超大重力等多重承载下兆瓦级直驱风电机组的可靠性重大关键问题；

（2）发明了兆瓦级直驱风力发电机组密封式防蚀结构、舱内热交换系统和安全链实时监测装置，攻克了海上风电机组抗腐蚀和台风等紧急情况下快速停机等重大安全问题；（3）负责直驱永磁风力发电机组的推广应用、现场安装及调试工作，为该项目技术成果的推广应用做出了巨大贡献。

国防科技大学作为项目参加单位，彭超义副教授担任主要负责人，该单位在该项目中主要参与完成了大型复合材料风电叶片设计和制备技术研究。

具体工作包括：

（1）发展了“长时等粘度浸渍”和“低渗透预成型体Z向动力浸渍”等液相成型技术，解决了大型复合材料风电叶片高效率、高质量制备技术难题；

（2）突破了低风速风电叶片族系延长设计技术，创造性解决了多叶型风电叶片共线兼容制造难题；（3）主持研制10余款风电叶片产品。

湘潭电机股份有限公司作为项目参加单位，杨国伟高级工程师担任主要负责人，该单位在该项目中主要从事直驱风力发电机结构设计和产品研制。

主要贡献有：

（1）设计了自保护复合转子磁路结构，提高了机组的磁稳定性；

（2）发明直驱永磁风力发电机磁钢装配平台，简化磁钢装配工艺，降低了磁钢在装配过程中的损失；（3）联合湖南大学共同研制开发直驱永磁风力发电机，并有力推动该项目技术成果的产业化和推广应用。

株洲时代新材料科技股份有限公司作为项目参加单位，杨军教授级高工担任主要负责人，该单位在该项目中主要参与完成大型复合材料风电叶片研制与工程应用。

具体工作包括：

（1）根据该项目提出大型复合材料风电叶片相关创新性技术，解决了大型