用于海上風(fēng)電系統(tǒng)的耗能裝置專利技術(shù)分析

許慶婷 周 香

（國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作江蘇中心，江蘇 蘇州 215000）

0 引言

大規(guī)模海上風(fēng)電會對柔性輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定性帶來諸多挑戰(zhàn)［1］，尤其是在故障工況下，風(fēng)電場的波動會對直流母線造成沖擊［2］。為提高風(fēng)電場及電網(wǎng)的安全性和穩(wěn)定性［3］，需要提高風(fēng)電場經(jīng)MMC-HVDC聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的故障穿越能力。當(dāng)受端的交流電網(wǎng)發(fā)生故障時，直流線路的送電端和受電端將出現(xiàn)不平衡功率，導(dǎo)致直流側(cè)電壓升高，投入耗能裝置可以消耗交流系統(tǒng)故障期間過多的能量，是解決岸上交流系統(tǒng)故障情況下的海上風(fēng)電場故障穿越難題的最有效途徑。

本研究主要以CNABS、CNTXT 專利數(shù)據(jù)庫和DWPI、VEN 專利數(shù)據(jù)庫中的檢索結(jié)果為分析樣本，對應(yīng)用于海上風(fēng)電發(fā)電系統(tǒng)的耗能裝置的發(fā)展進行全面統(tǒng)計分析。總結(jié)了應(yīng)用于海上風(fēng)電發(fā)電系統(tǒng)的耗能裝置相關(guān)的國內(nèi)外專利申請趨勢、專利區(qū)域分布和主要申請人，并針對應(yīng)用于海上風(fēng)電發(fā)電系統(tǒng)的耗能裝置的專利發(fā)展方向進行了分析。

1 中國專利申請狀況

本節(jié)以中文專利庫CNABS 的檢索結(jié)果為分析樣本，主要對中國應(yīng)用于海上風(fēng)電耗能裝置技術(shù)專利申請狀況的趨勢及專利重要申請人進行分析，了解國內(nèi)該技術(shù)的發(fā)展趨勢。

1.1 專利申請趨勢

中國專利申請總體趨勢如圖1 所示。國內(nèi)在海上風(fēng)電耗能裝置的研發(fā)始于2010 年，但在2017年之前國內(nèi)申請量較少，處于萌芽期。從2017 年開始，專利申請量呈現(xiàn)連續(xù)增長趨勢，技術(shù)發(fā)展得到了一定提升，整體技術(shù)處于平穩(wěn)發(fā)展期。這也表明了該階段海上風(fēng)電耗能裝置技術(shù)逐漸被人們所重視，研究逐漸增多。近年來中國海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，風(fēng)力發(fā)電在電網(wǎng)中所占的比重逐漸增加，進入快速增長期。為了應(yīng)對大規(guī)模風(fēng)電的接入，確保風(fēng)電接入后電力系統(tǒng)運行的可靠性、安全性與穩(wěn)定，海上風(fēng)電耗能裝置技術(shù)已逐漸受到國內(nèi)申請人的關(guān)注。

圖1 專利申請趨勢

1.2 專利申請區(qū)域分布情況

中國專利申請區(qū)域分布如圖2 所示。中國的重要申請人主要來自江蘇、北京和陜西，占比分別為23%、20%和16%。經(jīng)進一步檢索，江蘇的主要申請人是南瑞集團和高等院校，研發(fā)力量較為集中。北京的主要申請人是國家電網(wǎng)、全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院和高等院校。而陜西的主要申請人是特變電工有限公司和西安許繼集團。

圖2 專利申請區(qū)域分布

1.3 主要申請人分析

中國專利主要申請人如圖3 所示。從分布情況來看，國內(nèi)專利申請的主要申請人為南瑞、特變電工、西安許繼、國家電網(wǎng)等。由此可知，國內(nèi)對海上風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的耗能裝置技術(shù)的研究企業(yè)較為集中，電網(wǎng)企業(yè)居多。該領(lǐng)域目前還沒有國外申請人進軍國內(nèi)市場，國內(nèi)市場具有很大的發(fā)展空間。

2 國外專利申請狀況

本節(jié)主要對國外應(yīng)用于海上風(fēng)電發(fā)電系統(tǒng)的耗能裝置的技術(shù)專利申請趨勢及重要申請人進行分析，從中得到技術(shù)發(fā)展趨勢［4］，以及各階段專利申請人所屬的國家分布和主要申請人。

2.1 專利申請總體趨勢

國外專利申請趨勢如圖4 所示。由圖4 可知，1990 年之前為萌芽期。該階段屬于海上風(fēng)力發(fā)電的萌芽階段，期間的申請量較少，技術(shù)發(fā)展速度持續(xù)維持在較低水平，未形成規(guī)模效應(yīng)。1991—2015 年為平穩(wěn)發(fā)展期。應(yīng)用于海上風(fēng)電發(fā)電系統(tǒng)的耗能裝置技術(shù)得以被具有前瞻性的研究機構(gòu)與企業(yè)所逐步重視，其專利申請量也隨之呈現(xiàn)略微遞增和波動的趨勢，基本進入良性穩(wěn)定發(fā)展階段，但年申請量總體未有明顯突破。2015 年至今為快速增長期。隨著海上風(fēng)電發(fā)電系統(tǒng)的建設(shè)越來越廣泛，應(yīng)用于海上風(fēng)電發(fā)電系統(tǒng)的耗能裝置技術(shù)越來越受到業(yè)界關(guān)注，2015 年以后，該領(lǐng)域的專利申請量也出現(xiàn)明顯快速增長，這表明在各國政策大力扶持和各大企業(yè)的高資金投入研發(fā)下，海上風(fēng)電發(fā)電系統(tǒng)的耗能裝置技術(shù)得到了快速發(fā)展。

圖4 專利申請趨勢

2.2 專利申請區(qū)域分布情況

國外專利申請區(qū)域分布情況如圖5 所示，從專利技術(shù)的國家/地區(qū)來源來看，日本申請的專利數(shù)量最多，接近全部專利的三分之一，可能是由于日本海洋能量資源豐富且能源緊缺；其次是歐洲，專利申請的份額為22%，位列第二；美國和韓國緊跟其后，專利申請的份額均為15%。

圖5 專利申請區(qū)域分布

2.3 主要申請人分析

國外主要申請人分析如圖6 所示，國外申請人申請量排名前7 位分別為：三菱電機株式會社、西門子公司、松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社、富士電機控股株式會社、維斯塔斯風(fēng)力系統(tǒng)有限公司、通用電氣公司、通用電器技術(shù)有限公司。日本三菱電機株式會社的申請量最多，其次是西門子公司和維斯塔斯風(fēng)力系統(tǒng)有限公司。

3 耗能裝置技術(shù)分析

3.1 耗能裝置的拓撲結(jié)構(gòu)

對應(yīng)用于海上風(fēng)力發(fā)電的柔性輸電系統(tǒng)上的耗能裝置進行進一步檢索，發(fā)現(xiàn)關(guān)于耗能裝置的研究起步較晚。從相關(guān)專利分析來看，大多申請側(cè)重于對耗能裝置的拓撲結(jié)構(gòu)進行改進。早期，耗能裝置的拓撲結(jié)構(gòu)較簡單，由開關(guān)+耗能電阻組成，后又逐漸出現(xiàn)串聯(lián)開關(guān)+集中耗能電阻結(jié)構(gòu)、分布式耗能電阻結(jié)構(gòu)及其組合等［5-6］。其中，特變電工近幾年繼續(xù)開展耗能裝置的改進研究，值得關(guān)注。

3.2 耗能裝置的安裝位置

耗能裝置的安裝位置主要有以下四種情況：海上交流側(cè)、海上直流側(cè)、陸上交流側(cè)和陸上直流側(cè)。將耗能裝置安排在海上，能夠隔離交流系統(tǒng)和高壓直流電纜的故障，但維修比較困難，修建和維護成本較高，增加了海上平臺的負擔(dān)。通過對專利技術(shù)的梳理可知，現(xiàn)在耗能裝置安裝位置的研究焦點大多聚集在陸上直流側(cè)。將耗能裝置安裝在陸地上，不占用海上高壓直流轉(zhuǎn)換器平臺的空間，是較為經(jīng)濟的方式［7-8］。

4 結(jié)語

通過上述分析，對應(yīng)用于海上風(fēng)電發(fā)電系統(tǒng)的耗能裝置的發(fā)展情況和發(fā)展趨勢有了進一步的認識?，F(xiàn)有技術(shù)主要圍繞耗能裝置的拓撲結(jié)構(gòu)、控制方法和安裝位置展開研究，且大多都用的是晶閘管+耗能電阻，或者全控器件+集中式電阻的耗能裝置，耗能裝置大多為直流耗能裝置。耗能裝置存在依賴電流過零點關(guān)斷、功率控制精度不高等問題，改進耗能裝置的拓撲和投切控制方法，以增強故障穿越能力，仍是今后值得研究的方向。