追风的人霍江明:志在建立中国人自己的风机控制理论

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日期:2021-11-22 21:07:58    来源:科技日报    

科技日报记者 符晓波

20世纪80年代,“一年一场风,从春刮到冬”的新疆达坂城作为全国规模开发风能最早的实验场,竖起了第一台从丹麦引进的风力发电机。时隔三十多年后,数千台国产自主研发风机擎天而立,与蓝天白云相衬,和博格达峰交相辉映,形成一幅壮美画面。

从学习引进世界先进技术到自主研发风电机组,再到逐步领跑行业,这里走出了中国风电行业最早的制造企业金风科技。多年来,金风科技首席科学家霍江明带领团队从基础理论着手,把风电设备研发建立在中国自主创新的理论基础上,从根本上扭转了中国在世界风电领域处处跟跑的局面,实现中国风机设备制造高水平科技自立自强,为世界清洁能源利用贡献出中国智慧。

每卖出一台风机,就要给外国公司交一笔“学费”

“定期金风会收到一份来自国外公司的账单,我很受触动。”霍江明至今还记得2005年刚加入金风时的情景,当时企业要实现风电机国产化制造,但无论是风机硬件还是控制软件,核心专利都掌握在德国、丹麦、荷兰的大牌公司手中,企业每使用一项技术,都需要支付费用。

加入金风前,霍江明并没有风电行业经验,一直在数字建模和齿轮传动方面从事研究,力邀他加入金风的是新疆金风科技股份有限公司董事长武钢。

回忆企业风机制造起步阶段,研发团队都是从国外引进先进风机,效仿西方技术,再进行量产,武钢希望霍江明能将自己的理论成果应用于风电制造,“如果我们不注重基础理论的自主研究,就扭转不了照搬照抄的老路,缺乏理论支持的中国创新之路是走不远做不大的。”

加入金风后,自认为数学建模还可以的霍江明计划用3年时间,从自己熟悉的传动理论入手,为大型风力发电机组设计出维护成本低、性能更好的齿轮传动系统。可真正干起来才发现,这和空气动力学、流体力学、电磁场学、结构动力学、自动控制等都有关联,而将数字化科技应用于风机,在国内更是一片空白,没有任何可参考借鉴的资料。

与此同时,世界风电行业发展日新月异。当时德国研发的无齿轮箱风机已陆续占领市场,以此为代表的直驱风力发电技术被业界认可为风电领域最具成长前景的技术路线。

为紧跟行业趋势步伐,2007年,金风科技向市场宣布要走直驱技术路线,并从德国引进样机开始了中德联合开发与国产化试制。

霍江明没能等到自己的齿轮传动系统问世,项目就被暂停了。这对于理论成果曾在国际学术界都获得认可的霍江明是个巨大打击,也是这时候他开始认识到,“中国要想在世界风电领域有所贡献,没有捷径可走。”

霍江明工作照(金风科技提供)

自立自强没有捷径,基础研究是必经之路

“我们只有在前瞻性基础研究、引领性原创成果上掌握主动权话语权,才不会被别人牵着鼻子走。”这次打击让原本信心满满的霍江明冷静下来,他决定从零开始,从基础研究着手,把风电设备的研发建立在自己创新的理论基础上。

2008年,他选择将风机控制策略作为突破口。风机精准控制一直是我国风电设备发展的瓶颈制约,由于这个短板,同样功率的国产设备要比国外笨重、易损、效率低。作用在风机上的风时刻在变,是否能有一种理论能精准描述这些变化,从而提高风机设计和控制的精确度?

带着这样的理论设想,霍江明学习了西方经典大型风机空气动力学、风机结构动力学以及各种流派的核心控制技术和理论,“要想有所创新突破,先要把工业发达国家用将近100年才建立起来的理论掌握了才行。”

基础理论研究是关键技术的基础,而所谓的创新则要用前人没用过的方法做前人没做过事。受钱学森、郭永怀等科学家航空航天领域空气动力学理论启发,霍江明列举了一系列创新指标,创造性提出“仅用几个参数就能精确描述风机特性的控制策略”。这与由国外大企业垄断的风机控制策略在理论和技术上都大相径庭,许多身边人都认为是“天方夜谭”。

在一片质疑声中,霍江明团队艰难前行。2011年,由于缺乏核心技术支持,国内风电企业从最多时的80多家剩不到20家,还有许多企业提出裁员。霍江明也接到了集团的电话,要求提供团队“裁员优先级名单”。

“搞研究搞创新太难了,要裁就把我们都裁了吧。”面对夜以继日从事研究的同事,霍江明拿不出具体的名单,电话里是好长时间的沉默。后来,霍江明才知道这个电话是会议电话,集团高管全部在线。没想到的是接下来金风科技没有裁一个人,反而是大规模招聘了一批风电科技工作者。

霍江明后来才知道,其实那一年金风也是非常困难,当年财报盈利只有2亿元,但最终金风坚持了自主创新的战略方向,保证了科研团队能专心做正确有价值的事情。

理论创新“欲速则不达”,有了集团的鼎力支持,这次他暗下决心绝不妥协和放弃。

十年磨一剑,风电领域终于有了中国自主创新的理论基础

从着手基础研究开始,团队加班到凌晨成为常态,研究复杂程度、艰巨程度远超预期。

初期,霍江明想通过搭建大型实验室,用实物验证理论设想,但成本高、周期长,现实条件并不允许。无奈之下,霍江明另辟蹊径,利用自己数学建模方面的优势,将数字孪生技术运用在风机上。这意味着,在验证自己的理论设想之前,还要先解决“数字孪生技术”这另一大世界级难题。

霍江明带领团队埋头钻研,一干就是十几年,可创新理论和技术产品迟迟没能上市,“算法抽象,验证过程非常复杂,团队长期不出成果,外人很难体会,企业越是无条件支持,我的内心压力就越大。”

可喜的是,在霍江明都想要放弃的前夕,团队终于迎来为之振奋的革命性的突破。通过数字孪生技术,团队实现了快速验证任何新型理论技术算法是否靠谱的创新路径。

通俗地说,利用霍江明团队开发的数字孪生风机模型和控制器及软件,在一台普通电脑就能同步仿真1000台以上风机,可为风电并网提供智能调度、调频调峰,还能进行电价交易。这一理论投入应用后,或可为整个风电制造实现数字化升级提供优解。

2015年,霍江明团队成功开发了国内第一台完全自主的风机硬件在环仿真系统;2019年团队在此基础上进行了大规模升级,研发出具有自主知识产权的空气动力学和结构动力学模型;2021年,全球风电行业第一个数字孪生风机诞生……

截至目前,霍江明13年前定下的创新指标大部分得到实现和验证。这些成果把风电设备的研发建立在中国自主创新的理论基础上,将全面提升大机组设计、运行维护的水平,改变风电行业长期跟随国外的被动局面。

武钢表示:“霍江明多年来持之以恒、默默无闻坚持基础科学研究令人敬佩,他的成果使我们在国际风电技术研发装备市场上越走越宽广,也证明了只有基础科学领先,才能促进技术的创新和领先。”

“真正属于科学的东西不应该限定只能用在风电领域,应该是普遍适用的才对,对此我完全有信心。”霍江明说。

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