柔性直流輸電技術專利分析

摘要：柔性直流輸電作為新一代直流輸電技術，其無功率補償、無換相失敗、可向孤島供電及能進行多端系統構建等特點，在分布式新能源并網等領域優勢明顯，具有非常廣闊的應用前景。文章通過分析柔性直流輸電技術的專利數據，從申請趨勢、重點申請人、技術分支、技術演進等方面，對柔性直流輸電技術的發展狀況進行深入分析，為柔性直流輸電技術進一步研發與應用提供有益參考。

關鍵詞：柔性直流；直流輸電；專利分析；技術演進

中圖分類號：TM76;G306" 文獻標志碼：A

0 引言

隨著新能源的大規模開發，輸電網中電力電子設備越來越多，導致大量諧波注入輸電網，主網諧波諧振風險開始凸顯，嚴重影響主網架的安全穩定運行。伴隨科技的進步，未來電力網絡應具備消納大規模可再生能源發電的能力，并且輸電系統應能夠有效地隔離新能源發電對交流電網造成的不利影響［1］。國家發改委、能源局在《“十四五”現代能源體系規劃》中指出，要推動構建新型電力系統，創新電網結構形態和運行模式，穩步推廣柔性直流輸電。柔性直流輸電是基于電壓源換流器的一種高壓直流輸電技術，在集成傳統常規直流輸電大多數優點的同時兼具無功率補償、無換相失敗、可向孤島供電及能進行多端系統構建等特點，更加契合清潔能源的輸送，在提高電力傳輸效率、減少能源損耗、擴大電網規模和提升電網穩定性方面具有重要意義［2］。

在當前全球能源轉型的背景下，柔性直流輸電技術能較好地解決風電、太陽能等清潔能源大規模并網問題，特大城市電網中存在的結構薄弱、短路電流偏大、動態無功補償不足等問題。截至2023年，國際上已經投運的柔性直流輸電工程數量達到51個，總變電容量超過60 GW［3］，主要應用包括風電送出、電網互聯、城市高密度負荷中心供電、海上平臺供電等。柔性直流輸電技術已逐漸成為直流輸電領域的發展主流，對電網發展格局產生深遠影響，有望成為未來新能源輸送的關鍵技術［4］。

從目前的柔性直流輸電技術發展來看，柔性直流輸電相關研究主要包括3個方面。一是柔性直流輸電元件及裝備，例如IGBT換流閥、直流斷路器等核心元器件、柔性直流電纜等裝備。二是柔性直流輸電控制方法及系統，例如多端多層次柔性直流輸電控制系統、電流控制方法、柔性直流輸電系統故障診斷等。三是柔性直流輸電測試及仿真，例如柔性直流輸電系統建模仿真、柔性直流控制保護裝備實時閉環測試等。柔性直流輸電也逐漸朝著降低輸電成本、提高系統可控性、靈活處理系統故障等方向發展。

柔性直流輸電技術是確保主網架安全穩定運行的一種手段，但是目前缺乏對該技術發展趨勢和研發熱點的研究。因此，有必要從整體上了解柔性直流輸電領域的技術創新態勢和專利布局情況，梳理技術熱點和發展趨勢，從專利的視角尋求確保電網安全穩定運行的解決思路和解決方案。

1 柔性直流輸電技術專利分析

1.1 柔性直流輸電技術專利申請趨勢

本文采用incoPat專利分析系統，結合關鍵詞、IPC分類號等檢索分析柔性直流輸電技術的全球專利數據。從專利數量、技術領域、重點申請人等多個維度厘清柔性直流輸電技術基本情況。結合我國在相關領域的研發現狀，揭示柔性直流輸電技術的創新方向和未來發展趨勢。

1994—2023年柔性直流輸電技術專利申請趨勢，如圖1所示。自1990年柔性直流輸電概念首次提出以來，歐洲率先開展柔性直流輸電技術的探索，20世紀90年代末，ABB公司首次在高壓直流輸電中引入電壓源換流技術和脈沖寬度調制技術，哥特蘭柔性直流輸電工程在瑞典建成投運，首次實現柔性直流輸電技術的商業化運營，相關專利申請逐步出現。2000—2005年，相關專利申請數量仍處于較低水平。自2006年起，我國國家電網開始從事柔性直流輸電相關技術研發，2008年，歐洲制定了以柔性直流為基礎的“超級電網”發展規劃，國際柔性直流輸電技術和工程迎來重要的發展機遇。2009—2017年，專利申請數量穩步上升，柔性直流輸電作為支撐大規模可再生能源消納、能源互聯網構建和能源轉型必不可少的技術，研究熱度不斷提高且技術發展迅猛。2018—2023年，專利申請數量有所波動，一方面，在本文檢索時，2022年和2023年申請的專利還有部分沒有公開，因此，2023年數據呈明顯回落態勢；另一方面，表明柔性直流相關技術逐漸成熟，但從全球柔性直流輸電工程應用發展情況以及整體專利申請趨勢來看，未來柔性直流輸電技術仍是直流輸電領域的研發熱點。

1.2 柔性直流輸電技術專利國家/地區分布

中國在柔性直流輸電技術領域的專利申請量占比最大，超過總申請量八成，反映出我國在該領域的專利申請活躍度很高；其他國家和地區的專利總申請量占比明顯少于中國。歐洲作為最早進行柔性直流輸電技術探索的地區，其專利申請量也占據一定份額，美國、韓國、日本專利申請量較少。但由于國外新能源發電如風力發電等領域起步較早，外加功率器件串聯升壓技術較為領先，在兩電平和三電平柔性直流輸電工程中也有不容小覷的實力，因此，歐洲在柔性直流輸電技術領域具有至關重要的地位，如圖2所示。

對柔性直流輸電技術在全球不同國家或地區中專利申請量的發展趨勢進行分析，在1994—2010年，歐洲的專利申請量遠遠高于其他區域，從側面說明，歐洲柔性直流輸電技術起步最早，技術發展更為完備，尤其是2008年，歐洲提出基于柔性直流的超級電網（SuperGrid）規劃，以實現風力發電及其他可再生能源發電的大范圍傳輸和分配，解決大規模風電接入電網的挑戰，專利申請量顯著提升。中國柔性直流輸電技術相關專利申請起步較晚，2003年，我國才開始對柔性直流輸電技術進行自主研發，2010年前我國始終處于技術發展的萌芽期。2011年，我國打破國外技術封鎖，完成首個具有自主知識產權的柔性直流工程，我國專利申請量進入高速增長階段，其申請量占全球的份額也在不斷增大，超過歐洲成為專利年申請量最多的國家。隨著全國統一電力市場建設和用戶側能源服務發展的提速，特高壓實現大范圍跨省跨區配置資源，配電網就地消納分布式新能源顯得尤為迫切。柔性直流輸電也正在快速向大容量、多端、雙極、背靠背等多個研究方向開展實踐和探索。近年來，我國的柔性直流輸電發展迅速，現在國內已經具備了柔性直流輸電技術研發和設備制造能力，并達到國際先進水平。

1.3 柔性直流輸電技術專利申請人分析

1.3.1 申請人類型構成

柔性直流輸電技術專利申請人類型，如圖3所示。從圖3中可以看出，電網電力相關企業是柔性直流輸電技術的主力軍，其專利申請量2000余件，占比近六成；高校也展現出活躍的創造力，專利申請量將近1000件；其次為科研單位、個人和機關團體所申請的專利，占比較少。

1.3.2 主要申請人排名

柔性直流輸電技術主要專利申請人排名如圖4所示。我國的國家電網有限公司作為電力行業的領頭羊，其相關專利申請量超過1100件，遠遠甩開了其" 他申請人，形成了一超多強的局面。中國南方電網有限責任公司也有較強的研發實力，專利申請量超過400件。排名第3的是ABB集團（瑞士），其在本技術領域的專利申請為287件；華北電力大學和許繼集團分別位列第4和第5位，專利申請量均超過150件。后5位專利申請人專利申請數量差距不大，分別為阿爾斯通公司（法國）、特變電工新疆新能源股份有限公司、中國能源建設股份有限公司、清華大學以及中國西電電氣股份有限公司。在柔性直流輸電領域的前10位專利申請人中，國內申請人占據8位，表明國內申請人在柔性直流輸電領域占據重要地位，主要原因在于國家對清潔能源的高度重視和政策支持，推動了能源電力相關企業研發建設柔性直流輸電項目，推動了該行業的發展。此外，我國高等院校對柔性直流輸電技術研究關注較高，華北電力大學和清華大學等高校在柔性直流輸電領域有較多的專利申請，研發實力強勁。因此，國內的企業可以充分利用該項資源，充分開展與高校的產學研合作，提高自身技術實力，促進高校成果轉化，加快研究進度。

1.3.3 主要申請人專利應用方向分布

通過技術聚類與人工數據校驗，分析前10位重點申請人的專利應用方向分布，如表1所示，專利應用方向主要集中在機械設備和控制方法兩個方向。國家電網有限公司在國內首次建立起柔性直流輸電技術研究的基礎理論體系，掌握了柔性直流輸電成套設備設計、試驗、調試和生產全系列核心技術，其專利應用方向比較全面。中國南方電網有限責任公司同樣在設備規范、控制策略方法深入研究，重點專利方向主要有高壓大容量柔性直流輸電和混合直流輸電等領域。ABB集團和阿爾斯通公司作為最早應用柔性直流輸電技術的企業，電力技術全面，在柔性直流輸電理論方法和電壓源換流器核心器件等領域的專利數量占比較大。許繼集團專利布局集中于柔性直流換流閥、高壓直流斷路器核心裝置等技術方向，轉化運用于孤島供電、多端直流互聯等場景。特變電工新疆新能源股份有限公司的柔性直流輸電系統換流閥、中國能源建設股份有限公司的海上風電柔性直流輸電等專利技術均已在實際工程中投入使用。此外，華北電力大學和清華大學兩所高校的相關專利技術同樣質量較高，華北電力大學的多端柔性直流輸電技術、清華大學的直流斷路器等相關專利均在產學研用中發揮積極作用。

1.4 柔性直流輸電技術專利技術功效分析

分析柔性直流輸電專利技術功效，厘清各技術領域不同功效的專利數量分布情況，有助于了解各類技術的主要應用特征，進而判斷柔性直流輸電技術領域的研發路線。根據國際專利分類號（IPC分類號）

分類得到主要技術分支，將IPC分類號與柔性直流輸電相關技術進行匹配，可以看出，當前柔性直流輸電技術主要包括柔性直流輸電系統主接線、柔性直流輸電換流器、柔性直流輸電控制與保護、柔性直流輸電電纜、柔性直流輸電試驗等技術分支，如表2所示。

通過梳理技術分支與技術效果，可以歸納得出柔性直流輸電專利技術功效主要集中在提高穩定可靠性、提高安全性、降低復雜性、降低成本等方面。首先，柔性直流輸電系統需要利用具有良好動態性能的控制策略來提高風電等新能源并網的穩定性和可靠性［5］。其次，研究柔性換流器、高壓直流斷路器、直流限流器、交流斷路器等其他可控保護裝置之間的精準配合，能夠保證出現故障時柔性直流輸電系統安全運行［6］。再者，對柔性直流輸電控制環節進行優化，降低換流站等控制環節的復雜度，是解決系統功率振蕩等問題的有效手段。最后，柔性直流輸電工程中IGBT換流閥、直流斷路器等核心設備成本較高，研究低成本的元器件或核心裝備有助于推動柔性直流輸電技術發展，提升系統效益。

近年來，相關政策文件也為柔性直流輸電技術發展指明了方向，例如：2021年《關于推進電力源網荷儲一體化和多能互補發展的指導意見》中指出，要著力構建清潔低碳、安全高效的能源體系；2022年《關于促進新時代新能源高質量發展的實施方案》指出，要加大力度規劃建設以大型風光電基地為基礎、以其周邊清潔高效先進節能的煤電為支撐、以穩定安全可靠的特高壓輸變電線路為載體的新能源供給消納體系等。由此可見，提高安全性、穩定性、可靠性等技術功效仍是柔性直流輸電技術未來的重點發展方向。

2 柔性直流輸電技術前景分析

對專利有效性進行分析，能夠了解分析對象中當前已獲得實質性保護、已失去專利權保護或正在審查中的專利數量分布情況，從整體上掌握專利的權利保護和潛在風險情況。柔性直流輸電技術專利有效性分布如圖5所示，其中有效專利占比最高，占比50.31%，失效專利占比和審中專利占比接近，分別為24.12%和25.57%。這表明柔性直流輸電技術專利結構較好，未來會有較多專利對本技術領域進行補充更新，總體研發勢頭較好。

柔性直流輸電技術生命周期分析如圖6所示。根據柔性直流輸電技術專利申請量和專利申請人隨時間推移而變化的曲線，可將技術生命周期劃分為技術萌芽期（2006年前）和成長期（2006年至今），萌芽" 期階段歷年的專利申請量和申請人數目都一直處于較低水平，申請人數量低于20人，年均專利產出不超過50件，主要是由于柔性直流輸電技術相關理論剛剛提出，故此階段申請人的數量與專利申請的絕對量都不高；而從具體技術的實現方式上看，此階段公開的技術方案大多是理論性的基礎發明專利，專利之間的技術內容關聯性不高。

隨著傳統直流輸電技術不能滿足現代新能源輸送的需求，電網創新技術對申請人的吸引力開始凸顯，尤其是我國高壓直流輸電工程建設提速，帶動了柔性直流輸電技術的發展。2006年之后，介入本技術領域的申請人數量增多，能源電力企業相繼投入柔性直流輸電技術研發中，技術進入成長期。近幾年，在我國政策的不斷引導和扶持下，柔性直流輸電技術成為企業、科研院所和高校的研究熱點，多項技術已經成熟并達到國際領先水平。去除未完全公開的2022年和2023年專利數據，從總體趨勢上看，預計未來一段時間柔性直流輸電技術仍將處于成長期，企業可以加大研發力度，開展專利布局工作。

3 主要結論

自從20世紀90年代柔性直流輸電技術提出以來，歐美憑借風電技術等電力基礎，率先開展柔性直流技術研發和工程實踐。我國技術起步晚于國外，2011年打破國外技術封鎖，完成首個具有自主知識產權的柔性直流工程，隨后技術發展逐漸超越國外，專利申請數量遙遙領先。如今我國柔性直流輸電項目規模已經達到國際領先水平，在國家政策支持和市場需求的雙重推動下，柔性直流輸電行業將迎來更加廣闊的發展空間，為我國電力系統的升級改造和清潔能源的發展作出更大的貢獻。

ABB和阿爾斯通公司作為最早具備柔性直流輸電技術的企業，其在柔性直流輸電領域貢獻了較多的理論方法。21世紀初，我國開始按照“市場換技術”的思路與國外企業合作，布局柔性直流輸電相關產業。隨后，在我國國家電網有限公司、中國南方電網有限責任公司以及許繼電氣等公司的集中研發下，對柔性直流輸電技術進行不斷升級和優化，目前，我國已經具備了在國內大范圍推廣的技術基礎，也具備了向海外輸出工程的能力。近年來，華北電力大學和清華大學等高校的研究團隊也具有較強的研發實力和專利儲備。

柔性直流輸電專利技術功效主要集中在提高穩定可靠性、提高安全性、降低復雜性、降低成本等方面。在國家相關政策的引導下，研究安全穩定的柔性直流輸電系統和裝備是未來的發展方向。此外，我國在柔性直流輸電領域的部分核心設備上，如IGBT換流器等器件，與ABB、西門子等公司還存在較大差距，自主研發和制造實力仍有待加強。

4 柔性直流輸電技術發展的建議

4.1 完善頂層設計，聚焦核心技術

2023年9月，國家發展改革委和國家能源局在《關于加強新形勢下電力系統穩定工作的指導意見》中指出：要構建堅強柔性電網平臺，積極推動柔性直流技術應用；加快重大電工裝備研制，研發大容量斷路器、大功率高性能電力電子器件、大容量柔性直流輸電等提升電力系統穩定水平的電工裝備。IGBT換流閥、直流斷路器等核心設備是柔性直流輸電工程的關鍵核心技術，目前存在性能不高、成本昂貴的問題。因此，要在完善頂層設計，構建關鍵核心技術研發的政策體系，扶持基礎理論研究的同時加大關鍵核心技術的研發。

4.2 強化產業協同，優化技術布局

從專利類型分類和專利應用方向分析，柔性直流輸電技術涉及控制系統、電力電子元器件、線纜裝備等。柔性直流輸電產業鏈中的上中下游創新主體要緊密協同，共同研究制定技術路線，確保創新主體走在產業關鍵核心技術創新前沿，開展技術布局，構建專利組合，打造具有完全自主知識產權的產業鏈。要加快關鍵核心技術國產化進程，提升柔性直流輸電系統效益，進而拓寬市場，提升我國柔性直流輸電領域國際競爭力。

4.3 深化產學研用，構建創新網絡

目前，清華大學、華北電力大學等高校電力研究團隊開展柔性直流技術研究，配合國家電網有限公司、中國南方電網有限責任公司等電力企業完成柔性直流輸電工程項目，取得了較好的效果，但是仍有大量的高校專利成果有待評估和轉化應用。因此，建議能源電力企業充分發揮企業創新主體作用的同時，與高校開展深度合作，挖掘高校潛在技術，集聚創新要素，降低研發成本，努力實現關鍵核心技術自主可控，推動柔性直流技術攻關、裝備研制和試驗示范。

綜上，新能源因其固有的隨機性、波動性和間歇性特征，為直流輸電技術帶來了前所未有的挑戰。柔性直流輸電技術能夠有效地應對新能源間歇性出力的難題，高效地將新能源接入電網，提高電網對新能源的消納能力，確保主網架安全穩定運行。本文以專利作為出發點，從專利數量、技術領域、重點申請人等多個維度厘清柔性直流輸電技術基本情況，對柔性直流輸電技術的發展態勢進行深入分析，圍繞加大核心技術開發、強化產業協同、構建創新網絡3個方面給出解決建議，為相關技術的進一步研發與應用提供參考借鑒，為能源行業的可持續發展提供新思路和新方向。

參考文獻

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（編輯 何 琳編輯）

Patent analysis of flexible DC transmission technology

MA Lujin， BO Pengyu， XIE Yunyun

（Nanjing University of Science and Technology， Nanjing 210094， China）

Abstract：" Flexible DC transmission， as a new generation of DC transmission technology， has obvious advantages in distributed new energy grid connection and other fields due to its characteristics of no power compensation， no commutation failure， ability to supply power to islands， and ability to build multi-terminal systems. It has a very broad application prospect. The article conducts an in-depth analysis of the development status of flexible DC transmission technology from the perspectives of application trends， key applicants， technology branches， and technological evolution by analyzing patent data of flexible DC transmission technology， providing useful references for further research and application of flexible DC transmission technology.

Key words： flexible DC; direct current transmission; patent analysis; technological evolution