项目名称大型单轴承直驱永磁风电机组关键技术及产业化推荐单位.docx

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项目名称大型单轴承直驱永磁风电机组关键技术及产业化推荐单位

项目名称：

大型单轴承直驱永磁风电机组关键技术及产业化

推荐单位意见：

该项目面向我国风力发电技术及装备发展的重大需求，针对百千瓦级增速型风电机组风能利用率低、运维成本高、效率低、故障率高等问题，在国家和省级科技项目的资助下，形成了由湖南大学、湘电风能有限公司、国防科技大学等单位组成的强强联合、军民融合、优势互补的“大型直驱风电机组关键技术与装备研制”产学研科研团队。

团队历经10多年科技攻关，创建了直驱永磁风电机组设计体系，攻克了大型单轴承直驱风力发电机组设计和结构优化等关键技术，突破了防寒、防潮、防台风等环境适应性重大难题，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，并成功应用于高寒、高原、山地、海上等极端环境风电场。

该项目形成了从理论方法研究、关键技术突破到设备自主研发和推广应用的大型直驱风力发电产学研体系，打破了长期依赖进口的局面，产品出口美国、法国、德国、荷兰等国。

近3年新增销售额近200亿元、利润15亿元。

项目成果获授权国家发明专利30余项，经院士专家鉴定认为整体技术达到国际先进水平，阶段性和部分成果获得湖南省科技进步一等奖3项、全国商业联合会科技进步特等奖1项。

该项目促进了湖南省风电产业的发展，形成了风电产业集群，同时推动了我国风电技术科技进步，加速了我国从制造大国到制造强国、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。

确认材料真实有效，符合推荐要求。

本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重要的能源战略。

项目立项之初，兆瓦级机组依赖进口，国内自主研发的主要是百千瓦级增速型风电机组，单机容量小、故障率高，严重影响了风能的大规模开发利用。

直驱风电机组由低速发电机和叶轮直接连接，机组效率高、可靠性高，但机组承载重量大、运行工况复杂、环境适应性要求高，机组设计理论和结构优化等关键技术亟待突破。

项目组在国家“973”计划、“863”计划、科技支撑计划等项目支持下，历经10多年攻关，取得集理论、技术和装备于一体的系列成果。

主要创新如下：

（1）创建了直驱风力发电机系统设计体系。

建立了兆瓦级双PWM直驱永磁风力发电系统机电能量转换模型，发明了多工况全局效率最优设计方法，解决了风速、功率大范围变化下风力发电机组设计的难题，突破了复杂机电系统参数匹配和优化设计、定子谐波电流抑制等关键技术，发电机定子电流畸变率小于2%，平均效率提高3.7%。

（2）突破直驱风力发电机组传动链结构优化关键技术。

发明了锥形心轴和单轴承结构的大型直驱风力发电机组，对锥形心轴的长度、厚度、锥度等进行力学计算与优化，最大应力减小35%，形变量减小10％；发明了游隙可调的三列圆柱滚子主轴承结构，实现了传动系统和运维通道的一体化设计，结构紧凑、运维方便。

（3）攻克了机组环境适应性重大难题。

发明了大型风电机组叶片族系延长技术，解决了超低风速下风能捕获效率偏低的难题，机组发电量提高7%-12%；发明了舱内正压气密阀、啮合气密槽等防蚀隔离技术，解决了盐雾、沙尘、潮湿条件下机组易腐蚀难题；发明了机组防台风安全链实时检测装置，攻克了台风紧急情况下快速停机的重大安全难题。

（4）自主研制出系列化直驱永磁风力发电装备，制订了国家技术标准。

攻克了大型直驱风电机组关键生产工艺，自主研制出2MW-5MW系列化直驱永磁风力发电装备，建立了国内最大的8MW直驱风电实验平台，主持制订了风力发电机组低速永磁同步发电机“技术条件”、“试验方法”国家标准。

2007年研制出国内首台2MW直驱永磁风力发电机组，2010年研制出世界首台5MW直驱永磁风力发电机组。

同年，中央电视台《新闻联播》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年中央电视台《大国重器》栏目对项目进行了专题报道。

院士专家组成的鉴定委员会认为项目“整体技术达到国际先进水平，一体化设计、可靠性等方面居国际领先”。

项目成果获国家授权发明专利30项，主持制订国家标准2项，发表论文80多篇，出版专著2部。

项目组研制生产的2MW直驱永磁机型国内市场占有率超过80%；5MW直驱永磁机组在福建平海湾海上风电场组网成功，是目前国内单机容量最大的商用直驱海上风电机组。

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。

阶段性和部分成果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。

项目的实施加速了我国由风电大国到风电强国的重大转变，推动了我国风电技术科技进步。

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。

阶段性和部分成果：

“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。

验收报告

（1）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，掌握了基于RTMAVIP工艺的兆瓦级符合材料风电叶片制造技术”。

（2）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（2006AA05Z401）” 进行了验收。

认为：

“完成了2MW直驱风力发电机组整机研制，实现了规模产业化应用”。

（3）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及产业化（2006BAA01A16）”进行了验收。

认为：

该项目“改变了风电整机装备完全依赖进口的局面”。

（4）2016年1月，湖南省经信委组织专家对5MW“海上直驱永磁型风力发电机组”进行了验收，认为：

该项目“有效提高了机组的安全性与可靠性”。

成果鉴定

（5）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：

该项目“掌握了大功率永磁同步风力发电机核心技术，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”。

（6）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：

该项目实现了风力发电机在“宽转速范围下的高效运行，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”。

（7）2013年9月，湖南省科技厅组织专家对“5MW海上直驱永磁风力发电机研制”进行了科学技术成果鉴定，认为：

该项目“提高了抗腐蚀能力，解决了智能防潮、防雨水能力，整体技术达到国际先进水平”。

检验报告

（8）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）。

（9）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”。

（10）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。

用户报告

（11）湖南南山风场：

地处丘陵、高寒、潮湿、低风速地区，对发电机抗冰雪运行、低风速切入和运行提出了极高的要求。

2010年以来，共装机50余套，装机容量100 MW。

应用单位运行表明，直驱风力发电机具有结构紧凑、效率高、切入风速低、可靠性高、电能质量高等优点，能适应湖南高寒、低风速的风场建设要求。

（12）福建平海湾海上风场：

地处海上，多暴雨、台风天气、盐雾度高，对发电机可靠性和防腐防潮提出了极高要求。

2015年以来，共装机10套5MW机型。

应用单位运行表明，该5MW直驱永磁风力发电机组结构紧凑、运维性能优良、效率高、能满足近海发电恶劣的环境要求。

（13）内蒙古卓资风场：

地处卓资县，风力资源丰富，气候干燥，多风沙天气。

对风力发电机的防护性，运行可靠性提出了极高要求。

自2007年以来，共装机72套，装机容量144MW。

应用单位运行表明，该风力发电机组具有结构紧凑、可靠性高、并网友好等优点，能满足多风沙天气的运行要求。

科研基地

（14）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”。

（15）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”。

（16）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”。

（17）国家发改委2011年11月批准株洲时代新材料科技有限公司建立“大型交电装备复合材料国家地方联合工程研究中心”。

媒体评价

（18）2010年10月21日，中央电视台《新闻联播》对项目成果进行了报道，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”。

（19）中央电视台《大国重器》介绍了项目成果：

“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

项目于2007年研制出国内首台2MW、2010年世界首台5MW具有自主知识产权的直驱永磁风电机组，至今为止产品覆盖全国各省市自治区150多个风电场，广泛应用于各类型环境与风区，打破了地理因素的约束、破除资源风况的制约。

2MW总装机容量近1000万千瓦，市场占有率达到80%，5MW直驱永磁机组目前国内单机容量最大的商用直驱海上风电机组，并出口美国、法国、德国荷兰等。

2.近三年经济效益

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。

3.社会效益

1）该项目突破了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，建成了国内首个完善的兆瓦级直驱永磁风力发电机组设计、生产和测试体系，实现了风电机组关键部件的产业化，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）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”、“国家电能变换与控制工程技术研究中心”和“大型交电装备复合材料国家与地方联合工程研究中心”等国家级科研基地，为技术的深入研究和开发提供了保障。

3）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400万千瓦时，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，年发电量高达160亿千瓦时，产生经济效益约96亿元人民币；节约标准煤约520万吨，减少温室气体排放约1400万吨。

4）通过该项目的产业化，带动当地风电整机以及叶片材料、电机等零部件制造等产业的发展，在湖南省内形成了风电产业集群，新增就业岗位10000多个。

5）依托该项目培养风力发电技术及装备领域博士和硕士100多名、工程技术人员60多名，促进了我国风电领域人才的培养和聚集。

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、4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、3、4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3有重要贡献，提出了风电叶片族系延长技术，提高了直驱风电机组3、4类风电场的适应能力。

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、4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、4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3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，国电南瑞科技股份有限公司副总经理，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控制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、4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1有重要贡献，负责完成该项目中风力发电系统化设计工作。

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3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、4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机系统化设计。

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。

湖南大学为项目主要完成单位，对项目创新点1、2、4做出了贡献，主要贡献有：

（1）创造性提出了直驱永磁风力发电机系统化设计方法，解决了在风力发电系统条件下直驱永磁发电机设计的技术难题；

（2）建设了“国家电能变换与控制工程技术研究中心”；（3）建立了本科、硕士研究生、博士研究生和博士后人才培养体系，为国家培养了大量的风电人才。

湘电风能有限公司为项目主要完成单位，对项目创新点2、3、4做出了贡献，主要贡献有：

（1）将该项目提出的各项关键技术及创新应用到直驱永磁风力发电机组中；

（2）完成直驱永磁风力发电机组设计和集成；（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；（4）建立了直驱永磁风力发电机组设计、销售团队。

国防科技大学为项目主要完成单位，对项目创新点3、4做出了贡献，主要贡献有：

（1）提出了风电叶片族系延长技术，提高了直驱风电机组3、4类风电场的适应能力；

（2）参与建设“大型交电装备复合材料国家地方联合工程研究中心”，培养风力发电技术人才。

湘潭电机股份有限公司为项目主要完成单位，对项目创新点1、2、4做出了贡献，主要贡献有：

（1）吸收并实现本项目提出的各项关键技术及创新，联合湖南大学共同研制开发了2MW和5MW直驱永磁风力发电机；

（2）根据本项目提出的直驱永磁风力发电机相关创新性技术，组织完成了电机结构、工艺设计，并负责完成了电机的生产加工制造；（3）建设了“海上风力发电技术与检测国家重点实验室”和“国家能源风力发电机研发（实验）中心”。

株洲时代新材料科技股份有限公司为项目主要完成单位，对项目创新点3、4做出了贡献，主要贡献有：

（1）参与直驱风电机组叶片设计理论与方法研究，并将研究成果应用到叶片的生产、销售中；

（2）建设了“大型交电装备复合材料国家地方联合工程研究中心”。

国电南瑞科技股份有限公司为项目主要完成单位，对项目创新点1、4做出了贡献，主要贡献有：

提出了基于转矩、转速观测器的自校正最佳叶尖速比跟踪技术，并将该创新技术应用到机组主控系统中，完成该主控系统的推广应用。

湖南工程学院为项目主要完成单位，对项目创新点1做出了贡献，主要贡献有：

（1）参与驱永磁风电机组基础理论与设计方法研究，对风力发电机齿槽转矩削弱创新技术做出了贡献；

（2）建设了“风力发电机组及控制湖南省重点实验室”和“风电装备与电能变换”湖南省协同创新中心；（3）培养风力发电技术人才。

项目完成人合作关系说明：

该项目主要完成人涉及七个单位，分别为湖南大学、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和湖南工程学院，其中湘电风能有限公司为湘潭电机股份有限公司的控股公司。

湖南大学团队包括黄守道、高剑、罗德荣、荣飞等，合作产出为专著、专利、论文和获奖等；湘潭电机股份有限公司科研团队包括龙辛、李春林、宋晓萍、杨国伟、陈习坤等，合作产出为国家标准、专利和获奖等；国防科技大学科研团队包括彭超义、曾竞成等，合作产出为专利、论文和获奖等；株洲时代新材料科技股份有限公司研团队包括杨军等，合作产出为专利、获奖等；国电南瑞科技股份有限公司包括邵宜祥和蔡国洋等，合作产出为专利和获奖等；湖南工程学院科研团队包括邓秋玲等，合作产出为科研论文。

共同承担的项目合作

起止年份

项目来源

项目名称

参与单位

2006-2009

湖南省科技重大专项

2兆瓦风力发电机组和关键零部件及产业化

湘潭电机股份有限公司、湖南大学、国防科技大学、中车株洲电力机车研究所有限公司（株洲时代新材料科技股份有限公司控股母公司）等

2006-2010

国家“十一五”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

湘潭电机股份有限公司、湖南大学等

2011-2014

国家科技国际合作项目

基于轻型直流输电的海上风电关键技术研究

湖南大学、湘潭电机股份有限公司等

共同获得的科研奖励

时间

奖励来源

项目名称

完成单位

该