用于海上风电系统的耗能装置专利技术分析

许庆婷 周 香

（国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心，江苏 苏州 215000）

0 引言

大规模海上风电会对柔性输电系统的稳定性带来诸多挑战［1］，尤其是在故障工况下，风电场的波动会对直流母线造成冲击［2］。为提高风电场及电网的安全性和稳定性［3］，需要提高风电场经MMC-HVDC联网系统的故障穿越能力。当受端的交流电网发生故障时，直流线路的送电端和受电端将出现不平衡功率，导致直流侧电压升高，投入耗能装置可以消耗交流系统故障期间过多的能量，是解决岸上交流系统故障情况下的海上风电场故障穿越难题的最有效途径。

本研究主要以CNABS、CNTXT 专利数据库和DWPI、VEN 专利数据库中的检索结果为分析样本，对应用于海上风电发电系统的耗能装置的发展进行全面统计分析。总结了应用于海上风电发电系统的耗能装置相关的国内外专利申请趋势、专利区域分布和主要申请人，并针对应用于海上风电发电系统的耗能装置的专利发展方向进行了分析。

1 中国专利申请状况

本节以中文专利库CNABS 的检索结果为分析样本，主要对中国应用于海上风电耗能装置技术专利申请状况的趋势及专利重要申请人进行分析，了解国内该技术的发展趋势。

1.1 专利申请趋势

中国专利申请总体趋势如图1 所示。国内在海上风电耗能装置的研发始于2010 年，但在2017年之前国内申请量较少，处于萌芽期。从2017 年开始，专利申请量呈现连续增长趋势，技术发展得到了一定提升，整体技术处于平稳发展期。这也表明了该阶段海上风电耗能装置技术逐渐被人们所重视，研究逐渐增多。近年来中国海上风电产业发展迅猛，风力发电在电网中所占的比重逐渐增加，进入快速增长期。为了应对大规模风电的接入，确保风电接入后电力系统运行的可靠性、安全性与稳定，海上风电耗能装置技术已逐渐受到国内申请人的关注。

图1 专利申请趋势

1.2 专利申请区域分布情况

中国专利申请区域分布如图2 所示。中国的重要申请人主要来自江苏、北京和陕西，占比分别为23%、20%和16%。经进一步检索，江苏的主要申请人是南瑞集团和高等院校，研发力量较为集中。北京的主要申请人是国家电网、全球能源互联网研究院和高等院校。而陕西的主要申请人是特变电工有限公司和西安许继集团。

图2 专利申请区域分布

1.3 主要申请人分析

中国专利主要申请人如图3 所示。从分布情况来看，国内专利申请的主要申请人为南瑞、特变电工、西安许继、国家电网等。由此可知，国内对海上风力发电系统的耗能装置技术的研究企业较为集中，电网企业居多。该领域目前还没有国外申请人进军国内市场，国内市场具有很大的发展空间。

2 国外专利申请状况

本节主要对国外应用于海上风电发电系统的耗能装置的技术专利申请趋势及重要申请人进行分析，从中得到技术发展趋势［4］，以及各阶段专利申请人所属的国家分布和主要申请人。

2.1 专利申请总体趋势

国外专利申请趋势如图4 所示。由图4 可知，1990 年之前为萌芽期。该阶段属于海上风力发电的萌芽阶段，期间的申请量较少，技术发展速度持续维持在较低水平，未形成规模效应。1991—2015 年为平稳发展期。应用于海上风电发电系统的耗能装置技术得以被具有前瞻性的研究机构与企业所逐步重视，其专利申请量也随之呈现略微递增和波动的趋势，基本进入良性稳定发展阶段，但年申请量总体未有明显突破。2015 年至今为快速增长期。随着海上风电发电系统的建设越来越广泛，应用于海上风电发电系统的耗能装置技术越来越受到业界关注，2015 年以后，该领域的专利申请量也出现明显快速增长，这表明在各国政策大力扶持和各大企业的高资金投入研发下，海上风电发电系统的耗能装置技术得到了快速发展。

图4 专利申请趋势

2.2 专利申请区域分布情况

国外专利申请区域分布情况如图5 所示，从专利技术的国家/地区来源来看，日本申请的专利数量最多，接近全部专利的三分之一，可能是由于日本海洋能量资源丰富且能源紧缺；其次是欧洲，专利申请的份额为22%，位列第二；美国和韩国紧跟其后，专利申请的份额均为15%。

图5 专利申请区域分布

2.3 主要申请人分析

国外主要申请人分析如图6 所示，国外申请人申请量排名前7 位分别为：三菱电机株式会社、西门子公司、松下电器产业株式会社、富士电机控股株式会社、维斯塔斯风力系统有限公司、通用电气公司、通用电器技术有限公司。日本三菱电机株式会社的申请量最多，其次是西门子公司和维斯塔斯风力系统有限公司。

3 耗能装置技术分析

3.1 耗能装置的拓扑结构

对应用于海上风力发电的柔性输电系统上的耗能装置进行进一步检索，发现关于耗能装置的研究起步较晚。从相关专利分析来看，大多申请侧重于对耗能装置的拓扑结构进行改进。早期，耗能装置的拓扑结构较简单，由开关+耗能电阻组成，后又逐渐出现串联开关+集中耗能电阻结构、分布式耗能电阻结构及其组合等［5-6］。其中，特变电工近几年继续开展耗能装置的改进研究，值得关注。

3.2 耗能装置的安装位置

耗能装置的安装位置主要有以下四种情况：海上交流侧、海上直流侧、陆上交流侧和陆上直流侧。将耗能装置安排在海上，能够隔离交流系统和高压直流电缆的故障，但维修比较困难，修建和维护成本较高，增加了海上平台的负担。通过对专利技术的梳理可知，现在耗能装置安装位置的研究焦点大多聚集在陆上直流侧。将耗能装置安装在陆地上，不占用海上高压直流转换器平台的空间，是较为经济的方式［7-8］。

4 结语

通过上述分析，对应用于海上风电发电系统的耗能装置的发展情况和发展趋势有了进一步的认识。现有技术主要围绕耗能装置的拓扑结构、控制方法和安装位置展开研究，且大多都用的是晶闸管+耗能电阻，或者全控器件+集中式电阻的耗能装置，耗能装置大多为直流耗能装置。耗能装置存在依赖电流过零点关断、功率控制精度不高等问题，改进耗能装置的拓扑和投切控制方法，以增强故障穿越能力，仍是今后值得研究的方向。