从专利看“限电”困境

原标题：从专利看“限电”困境

2020年很奇幻，进入12月后湖南、浙江、江西等省份相继发布限电措施。根据《中国电力行业年度发展报告2020》数据显示，2019年全国新增发电装机容量10500万千瓦，其中新增并网风电和太阳能发电装机容量分别为2572万千瓦和2652万千瓦，合计新增占全国新增发电装机容量的49.75%。说到这里大家会发现，我们无论传统火力发电还是新能源发电已经发展的很快了，为何在2020年的冬天依然会缺电呢？笔者认为，我国发电区域与用电区域高度不匹配，是其中一个很大的原因。

近10年来，随着电力基础设施建设越来越完善已经很少有限电现象发生，而2020年很奇幻，进入12月后湖南、浙江、江西等省份相继发布限电措施，坊间传闻与电煤储运不佳相关，相关部门对此进行了回应，回应主要集中在以下几点：1、湖南、江西、浙江等地的工业生产规模增速均高于全国平均水平；2、近日较强冷空气影响我国大部分地区，尤其提高了不集中供暖的南方地区的用电负荷；3、限电是为了响应节能减排。同时，国家发改委很快作出了要求，要求各地确保电力供应总体平稳有序。

12月份义乌市工业用电停电计划表截图

电力现状

目前，火电仍然是我国主要电力来源，其受电煤的影响较大，同时由于火电在生产的过程中会产生大量的二氧化碳，根据习近平主席在第七十五届联合国大会一般性辩论上发表的承诺：中国努力争取2060年前实现碳中和，可以预见的是新能源发电的比重将会加速提升。然而，根据《中国电力行业年度发展报告2020》数据显示，2019年全国新增发电装机容量10500万千瓦，其中新增并网风电和太阳能发电装机容量分别为2572万千瓦和2652万千瓦，合计新增占全国新增发电装机容量的49.75%。说到这里大家会发现，我们无论传统火力发电还是新能源发电已经发展的很快了，为何在2020年的冬天依然会缺电呢？

笔者认为，我国发电区域与用电区域高度不匹配，是其中一个很大的原因。众所周知，我国风能、太阳能资源远离负荷中心且分散多处，如何有效汇集、高效传输、稳定并网至关重要。而特高压输电技术与较低电压输电方式相比具有长距离、大容量、低损耗、节约土地资源的优势，同时，我们一般认为直流输电与交流输电相比具有线路造价低、功率和能量损耗小、通信干扰小、稳定性高的优势。因此，聪明的中国人从特高压技术尤其是特高压直流输电技术上实现了弯道超车，扭转了我国电力工业长期跟随西方发达国家发展的被动局面。

解决困境的钥匙

高压直流输电技术分为常规高压直流输电技术和柔性直流输电技术，两者均包括送端换流站和受端换流站，两端换流站结构对称，换流站的设备投资占了整个直流输电投资的50%以上，但两者的换流站核心电力电子器件及控制原理不同。【1】

ABB公司是直流输电技术的鼻祖，拥有大量直流输电相关专利，下面这件专利是ABB公司于1969年申请的直流电力传输系统，其通过在交流电源和负载之间构建整流桥、逆变桥实现直流电力传输，而桥电路应用的是可控半导体器件晶闸管。

ABB公司早期直流输电系统专利

柔性直流输电作为新一代直流输电技术，其为基于电压源换流器的高压直流输电（Voltage Source Converter based High Voltage Direct Current Transmission，VSC-HVDC），是一种以电压源换流器、自关断器件和脉宽调制（PWM）技术为基础的新型输电技术，该输电技术具有可向无源网络供电、不会出现换相失败、换流站间无需通信以及易于构成多端直流系统等优点。一般认为，柔性直流输电的基本概念是1990年由加拿大McGill大学的Boon-TeckOoi等人联合提出的【2】。通过简单检索可以发现，McGill大学并没有忘记将该技术申请为专利技术，如下图，眼尖的读者可以看到该专利的申请日为1988年，不得不对他们的专利意识表示敬佩。该专利不仅公开了柔性直流输电系统，还公开了对应的脉宽调制（PWM）技术，其同族专利US4941079A被引用次数达到了85次，是典型的高价值基础专利。

早期的柔性直流输电技术基本都掌握在国外同行手中，“卡脖子”现象比较严重，柔性直流输电系统的建造技术也主要依赖引进输入。由下图可以看出，早期柔性直流专利技术由ABB、西门子、通用、阿尔斯通瓜分，国内公司如国家电网、南方电网、南瑞继保等在08年后开始发力。

柔直相关专利百分比堆积图

国内发展状况

得益于改革开放后工业的快速发展，我国电力行业发展迅猛，到2014年末，我国高压直流输电工程累计输送容量达12470MW，输电线路长度累计达4840km，超过美国位列世界第一。2020年12月27日世界首个特高压多端柔性直流示范工程（昆柳龙直流工程）正式启动投产送电，在此之前，世界上柔性直流的最高电压等级为±500千伏，而该工程则提升到前所未有的±800千伏。

昆柳龙直流工程送端昆北换流站【3】

而通过检索中国专利奖的获得情况可以发现，多篇与柔性直流相关的专利曾获得该奖。

中国专利奖情况（柔直相关）

由此，也能看出社会对该领域发展的期待。同时，中国国家能源局在2020年12月1号发布了关于第一批能源领域首台（套）重大技术装备项目的公示，其中可以看出对于换流阀成套装置、柔直变压器、电抗器等核心部件已经完成了国产化。

第一批能源领域首台（套）重大技术装备项目

下图为专利优秀奖之一，专利权人为南京南瑞继保，该专利涉及一种多端柔性直流输电系统的协调控制方法，与昆柳龙工程一样都是多端、柔性、直流系统，专利所述直流输电系统包括一个直流电压主控站、至少一个直流电压控制从站和至少一个普通换流站，简单说就是主站+从站+普通站的配置，从站在主站正常工作时，与普通站一样运行有功功率控制方式，在主站不正常时，从站通过一定的判断规则接管主站的调节功能，并将控制方式切换为直流电压控制方式，由此减小系统直流电压振荡。

第十九届中国专利奖优秀奖之一

除此之外，国内对于柔性直流相关技术专利申请量也是逐年上升，慢慢在世界范围内拥有了一定的话语权。

中国柔性直流专利申请趋势

愿景

笔者相信，在专利技术和工程建造技术的双重加持下，我国柔性直流输电产业必将蓬勃发展，用以解决我国电力跨区域远距离输送的问题，并为大规模开发西部风、光、水可再生能源创造条件，在下一波寒潮来临时不再因为限电而瑟瑟发抖。

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】微信公众号“南网50Hz”，“南方电网举行乌东德电站送电广东广西特高压多端柔性直流示范工程投产仪式”。