用于海上風電系統的耗能裝置專利技術分析

許慶婷 周 香

（國家知識產權局專利局專利審查協作江蘇中心，江蘇 蘇州 215000）

0 引言

大規模海上風電會對柔性輸電系統的穩定性帶來諸多挑戰［1］，尤其是在故障工況下，風電場的波動會對直流母線造成沖擊［2］。為提高風電場及電網的安全性和穩定性［3］，需要提高風電場經MMC-HVDC聯網系統的故障穿越能力。當受端的交流電網發生故障時，直流線路的送電端和受電端將出現不平衡功率，導致直流側電壓升高，投入耗能裝置可以消耗交流系統故障期間過多的能量，是解決岸上交流系統故障情況下的海上風電場故障穿越難題的最有效途徑。

本研究主要以CNABS、CNTXT 專利數據庫和DWPI、VEN 專利數據庫中的檢索結果為分析樣本，對應用于海上風電發電系統的耗能裝置的發展進行全面統計分析。總結了應用于海上風電發電系統的耗能裝置相關的國內外專利申請趨勢、專利區域分布和主要申請人，并針對應用于海上風電發電系統的耗能裝置的專利發展方向進行了分析。

1 中國專利申請狀況

本節以中文專利庫CNABS 的檢索結果為分析樣本，主要對中國應用于海上風電耗能裝置技術專利申請狀況的趨勢及專利重要申請人進行分析，了解國內該技術的發展趨勢。

1.1 專利申請趨勢

中國專利申請總體趨勢如圖1 所示。國內在海上風電耗能裝置的研發始于2010 年，但在2017年之前國內申請量較少，處于萌芽期。從2017 年開始，專利申請量呈現連續增長趨勢，技術發展得到了一定提升，整體技術處于平穩發展期。這也表明了該階段海上風電耗能裝置技術逐漸被人們所重視，研究逐漸增多。近年來中國海上風電產業發展迅猛，風力發電在電網中所占的比重逐漸增加，進入快速增長期。為了應對大規模風電的接入，確保風電接入后電力系統運行的可靠性、安全性與穩定，海上風電耗能裝置技術已逐漸受到國內申請人的關注。

圖1 專利申請趨勢

1.2 專利申請區域分布情況

中國專利申請區域分布如圖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，研發力量較為集中。北京的主要申請人是國家電網、全球能源互聯網研究院和高等院校。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、國家電網等。由此可知，國內對海上風力發電系統的耗能裝置技術的研究企業較為集中，電網企業居多。該領域目前還沒有國外申請人進軍國內市場，國內市場具有很大的發展空間。

2 國外專利申請狀況

本節主要對國外應用于海上風電發電系統的耗能裝置的技術專利申請趨勢及重要申請人進行分析，從中得到技術發展趨勢［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。該階段屬于海上風力發電的萌芽階段，期間的申請量較少，技術發展速度持續維持在較低水平，未形成規模效應。1991—2015 年為平穩發展期。應用于海上風電發電系統的耗能裝置技術得以被具有前瞻性的研究機構與企業所逐步重視，其專利申請量也隨之呈現略微遞增和波動的趨勢，基本進入良性穩定發展階段，但年申請量總體未有明顯突破。2015 年至今為快速增長期。隨著海上風電發電系統的建設越來越廣泛，應用于海上風電發電系統的耗能裝置技術越來越受到業界關注，2015 年以后，該領域的專利申請量也出現明顯快速增長，這表明在各國政策大力扶持和各大企業的高資金投入研發下，海上風電發電系統的耗能裝置技術得到了快速發展。

圖4 專利申請趨勢

2.2 專利申請區域分布情況

國外專利申請區域分布情況如圖5 所示，從專利技術的國家/地區來源來看，日本申請的專利數量最多，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、松下電器產業株式會社、富士電機控股株式會社、維斯塔斯風力系統有限公司、通用電氣公司、通用電器技術有限公司。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力系統有限公司。

3 耗能裝置技術分析

3.1 耗能裝置的拓撲結構

對應用于海上風力發電的柔性輸電系統上的耗能裝置進行進一步檢索，發現關于耗能裝置的研究起步較晚。從相關專利分析來看，大多申請側重于對耗能裝置的拓撲結構進行改進。早期，耗能裝置的拓撲結構較簡單，由開關+耗能電阻組成，后又逐漸出現串聯開關+集中耗能電阻結構、分布式耗能電阻結構及其組合等［5-6］。其中，特變電工近幾年繼續開展耗能裝置的改進研究，值得關注。

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、海上直流側、陸上交流側和陸上直流側。將耗能裝置安排在海上，能夠隔離交流系統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。通過對專利技術的梳理可知，現在耗能裝置安裝位置的研究焦點大多聚集在陸上直流側。將耗能裝置安裝在陸地上，不占用海上高壓直流轉換器平臺的空間，是較為經濟的方式［7-8］。

4 結語

通過上述分析，對應用于海上風電發電系統的耗能裝置的發展情況和發展趨勢有了進一步的認識。現有技術主要圍繞耗能裝置的拓撲結構、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。