從專利看“限電”困境

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作者：王聰 蘇州紫藤知識(shí)產(chǎn)權(quán)服務(wù)有限公司項(xiàng)目經(jīng)理

原標(biāo)題：從專利看“限電”困境

近10年來，隨著電力基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)越來越完善已經(jīng)很少有限電現(xiàn)象發(fā)生，而2020年很奇幻，進(jìn)入12月后湖南、浙江、江西等省份相繼發(fā)布限電措施，坊間傳聞與電煤儲(chǔ)運(yùn)不佳相關(guān)，相關(guān)部門對(duì)此進(jìn)行了回應(yīng)，回應(yīng)主要集中在以下幾點(diǎn)：1、湖南、江西、浙江等地的工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模增速均高于全國平均水平；2、近日較強(qiáng)冷空氣影響我國大部分地區(qū)，尤其提高了不集中供暖的南方地區(qū)的用電負(fù)荷；3、限電是為了響應(yīng)節(jié)能減排。同時(shí)，國家發(fā)改委很快作出了要求，要求各地確保電力供應(yīng)總體平穩(wěn)有序。

12月份義烏市工業(yè)用電停電計(jì)劃表截圖

電力現(xiàn)狀

目前，火電仍然是我國主要電力來源，其受電煤的影響較大，同時(shí)由于火電在生產(chǎn)的過程中會(huì)產(chǎn)生大量的二氧化碳，根據(jù)習(xí)近平主席在第七十五屆聯(lián)合國大會(huì)一般性辯論上發(fā)表的承諾：中國努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和，可以預(yù)見的是新能源發(fā)電的比重將會(huì)加速提升。然而，根據(jù)《中國電力行業(yè)年度發(fā)展報(bào)告2020》數(shù)據(jù)顯示，2019年全國新增發(fā)電裝機(jī)容量10500萬千瓦，其中新增并網(wǎng)風(fēng)電和太陽能發(fā)電裝機(jī)容量分別為2572萬千瓦和2652萬千瓦，合計(jì)新增占全國新增發(fā)電裝機(jī)容量的49.75%。說到這里大家會(huì)發(fā)現(xiàn)，我們無論傳統(tǒng)火力發(fā)電還是新能源發(fā)電已經(jīng)發(fā)展的很快了，為何在2020年的冬天依然會(huì)缺電呢？

筆者認(rèn)為，我國發(fā)電區(qū)域與用電區(qū)域高度不匹配，是其中一個(gè)很大的原因。眾所周知，我國風(fēng)能、太陽能資源遠(yuǎn)離負(fù)荷中心且分散多處，如何有效匯集、高效傳輸、穩(wěn)定并網(wǎng)至關(guān)重要。而特高壓輸電技術(shù)與較低電壓輸電方式相比具有長距離、大容量、低損耗、節(jié)約土地資源的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)，我們一般認(rèn)為直流輸電與交流輸電相比具有線路造價(jià)低、功率和能量損耗小、通信干擾小、穩(wěn)定性高的優(yōu)勢(shì)。因此，聰明的中國人從特高壓技術(shù)尤其是特高壓直流輸電技術(shù)上實(shí)現(xiàn)了彎道超車，扭轉(zhuǎn)了我國電力工業(yè)長期跟隨西方發(fā)達(dá)國家發(fā)展的被動(dòng)局面。

解決困境的鑰匙

高壓直流輸電技術(shù)分為常規(guī)高壓直流輸電技術(shù)和柔性直流輸電技術(shù)，兩者均包括送端換流站和受端換流站，兩端換流站結(jié)構(gòu)對(duì)稱，換流站的設(shè)備投資占了整個(gè)直流輸電投資的50%以上，但兩者的換流站核心電力電子器件及控制原理不同。【1】

ABB公司是直流輸電技術(shù)的鼻祖，擁有大量直流輸電相關(guān)專利，下面這件專利是ABB公司于1969年申請(qǐng)的直流電力傳輸系統(tǒng)，其通過在交流電源和負(fù)載之間構(gòu)建整流橋、逆變橋?qū)崿F(xiàn)直流電力傳輸，而橋電路應(yīng)用的是可控半導(dǎo)體器件晶閘管。

ABB公司早期直流輸電系統(tǒng)專利

柔性直流輸電作為新一代直流輸電技術(shù)，其為基于電壓源換流器的高壓直流輸電（Voltage Source Converter based High Voltage Direct Current Transmission，VSC-HVDC），是一種以電壓源換流器、自關(guān)斷器件和脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)為基礎(chǔ)的新型輸電技術(shù)，該輸電技術(shù)具有可向無源網(wǎng)絡(luò)供電、不會(huì)出現(xiàn)換相失敗、換流站間無需通信以及易于構(gòu)成多端直流系統(tǒng)等優(yōu)點(diǎn)。一般認(rèn)為，柔性直流輸電的基本概念是1990年由加拿大McGill大學(xué)的Boon-TeckOoi等人聯(lián)合提出的【2】。通過簡單檢索可以發(fā)現(xiàn)，McGill大學(xué)并沒有忘記將該技術(shù)申請(qǐng)為專利技術(shù)，如下圖，眼尖的讀者可以看到該專利的申請(qǐng)日為1988年，不得不對(duì)他們的專利意識(shí)表示敬佩。該專利不僅公開了柔性直流輸電系統(tǒng)，還公開了對(duì)應(yīng)的脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)，其同族專利US4941079A被引用次數(shù)達(dá)到了85次，是典型的高價(jià)值基礎(chǔ)專利。

早期的柔性直流輸電技術(shù)基本都掌握在國外同行手中，“卡脖子”現(xiàn)象比較嚴(yán)重，柔性直流輸電系統(tǒng)的建造技術(shù)也主要依賴引進(jìn)輸入。由下圖可以看出，早期柔性直流專利技術(shù)由ABB、西門子、通用、阿爾斯通瓜分，國內(nèi)公司如國家電網(wǎng)、南方電網(wǎng)、南瑞繼保等在08年后開始發(fā)力。

柔直相關(guān)專利百分比堆積圖

國內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r

得益于改革開放后工業(yè)的快速發(fā)展，我國電力行業(yè)發(fā)展迅猛，到2014年末，我國高壓直流輸電工程累計(jì)輸送容量達(dá)12470MW，輸電線路長度累計(jì)達(dá)4840km，超過美國位列世界第一。2020年12月27日世界首個(gè)特高壓多端柔性直流示范工程（昆柳龍直流工程）正式啟動(dòng)投產(chǎn)送電，在此之前，世界上柔性直流的最高電壓等級(jí)為±500千伏，而該工程則提升到前所未有的±800千伏。

昆柳龍直流工程送端昆北換流站【3】

而通過檢索中國專利獎(jiǎng)的獲得情況可以發(fā)現(xiàn)，多篇與柔性直流相關(guān)的專利曾獲得該獎(jiǎng)。

中國專利獎(jiǎng)情況（柔直相關(guān)）

由此，也能看出社會(huì)對(duì)該領(lǐng)域發(fā)展的期待。同時(shí)，中國國家能源局在2020年12月1號(hào)發(fā)布了關(guān)于第一批能源領(lǐng)域首臺(tái)（套）重大技術(shù)裝備項(xiàng)目的公示，其中可以看出對(duì)于換流閥成套裝置、柔直變壓器、電抗器等核心部件已經(jīng)完成了國產(chǎn)化。

第一批能源領(lǐng)域首臺(tái)（套）重大技術(shù)裝備項(xiàng)目

下圖為專利優(yōu)秀獎(jiǎng)之一，專利權(quán)人為南京南瑞繼保，該專利涉及一種多端柔性直流輸電系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制方法，與昆柳龍工程一樣都是多端、柔性、直流系統(tǒng)，專利所述直流輸電系統(tǒng)包括一個(gè)直流電壓主控站、至少一個(gè)直流電壓控制從站和至少一個(gè)普通換流站，簡單說就是主站+從站+普通站的配置，從站在主站正常工作時(shí)，與普通站一樣運(yùn)行有功功率控制方式，在主站不正常時(shí)，從站通過一定的判斷規(guī)則接管主站的調(diào)節(jié)功能，并將控制方式切換為直流電壓控制方式，由此減小系統(tǒng)直流電壓振蕩。

第十九屆中國專利獎(jiǎng)優(yōu)秀獎(jiǎng)之一

除此之外，國內(nèi)對(duì)于柔性直流相關(guān)技術(shù)專利申請(qǐng)量也是逐年上升，慢慢在世界范圍內(nèi)擁有了一定的話語權(quán)。

中國柔性直流專利申請(qǐng)趨勢(shì)

愿景

筆者相信，在專利技術(shù)和工程建造技術(shù)的雙重加持下，我國柔性直流輸電產(chǎn)業(yè)必將蓬勃發(fā)展，用以解決我國電力跨區(qū)域遠(yuǎn)距離輸送的問題，并為大規(guī)模開發(fā)西部風(fēng)、光、水可再生能源創(chuàng)造條件，在下一波寒潮來臨時(shí)不再因?yàn)橄揠姸l(fā)抖。

注：

【1】知乎 https://www.zhihu.com/question/29392991/answer/1498913382

【2】百度百科https://baike.baidu.com/item/%E6%9F%94%E6%80%A7%E7%9B%B4%E6%B5%81%E8%BE%93%E7%94%B5%E6%8A%80%E6%9C%AF/9607988?fr=aladdin

【3】微信公眾號(hào)“南網(wǎng)50Hz”，“南方電網(wǎng)舉行烏東德電站送電廣東廣西特高壓多端柔性直流示范工程投產(chǎn)儀式”。

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作者：王聰 蘇州紫藤知識(shí)產(chǎn)權(quán)服務(wù)有限公司項(xiàng)目經(jīng)理

編輯：IPRdaily王穎          校對(duì)：IPRdaily縱橫君

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