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電力電子變壓器

電子電力變壓器（powerelectronictransformer，PET）是一種新型智能電能變換設(shè)備，融合了電力電子變換技術(shù)，采用高頻隔離的中間直流環(huán)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)原邊和副邊的靈活控制。與傳統(tǒng)電力變壓器相比，其突出的特點(diǎn)是輸入電流、輸出電壓可調(diào)，功率因數(shù)可控。電子電力變壓器可用于電力系統(tǒng)以提高系統(tǒng)的可控性和改善電能質(zhì)量。PET一般應(yīng)用于中、高壓大功率的場(chǎng)合，在智能電網(wǎng)的建設(shè)中，PET將會(huì)在電能質(zhì)量、智能供電、新能源發(fā)電并網(wǎng)領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。為了全面分析國(guó)內(nèi)外電力電子變壓器技術(shù)的發(fā)展，研究利用incoPat科技創(chuàng)新情報(bào)平臺(tái)進(jìn)行專利檢索，共檢索到31556件專利，其中，中國(guó)專利5880件，檢索日期截止到2018年12月31日。通過(guò)全球電力電子變壓器相關(guān)專利的統(tǒng)計(jì)分析，重點(diǎn)分析技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)、國(guó)內(nèi)外技術(shù)側(cè)重差異、國(guó)家或地區(qū)技術(shù)優(yōu)勢(shì)，以及全球主要?jiǎng)?chuàng)新主體的專利申請(qǐng)情況，有助于把握世界電力電子變壓器技術(shù)的熱點(diǎn)領(lǐng)域和未來(lái)的發(fā)展方向，為我國(guó)電力電子變壓器技術(shù)的研究開發(fā)決策提供支持和依據(jù)。全球?qū)＠暾?qǐng)趨勢(shì)分析

電力電子變壓器的專利申請(qǐng)趨勢(shì)如圖1所示，電力電子變壓器基礎(chǔ)元器件的相關(guān)專利申請(qǐng)始于1909年，電力電子變壓器的發(fā)展可以分為萌芽期、第一發(fā)展階段、技術(shù)調(diào)整期、第二次發(fā)展階段四個(gè)階段。萌芽期（1909~1970年），這一時(shí)期的專利申請(qǐng)主要集中在整流器上，其次是逆變器，斬波器也有少量涉及。1958年首次出現(xiàn)的商用晶閘管，標(biāo)志著電力電子技術(shù)的誕生。1970年，美國(guó)通用公司的W.McMurray首先提出的一種具有高頻鏈接AC/AC的變換電路，為電力電子變壓器的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。第一發(fā)展階段（1970~1990年），這一階段多數(shù)專利是針對(duì)AC/AC變換器的不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入的研究，專利申請(qǐng)量迅速上漲，研究重點(diǎn)為電力電子變壓器的實(shí)現(xiàn)方案及電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。技術(shù)調(diào)整期（1990~2000年），這一時(shí)期大功率電力電子器件和高壓大功率變換技術(shù)的發(fā)展遇到了瓶頸，早期提出的電力電子變壓器的相關(guān)設(shè)計(jì)方案均不能進(jìn)入實(shí)用化，導(dǎo)致專利申請(qǐng)數(shù)量出現(xiàn)了一定程度的下降。第二發(fā)展階段（2000~2018年），針對(duì)工業(yè)配電系統(tǒng)的電力電子變壓器有了新的研究進(jìn)展，不斷提出了新的技術(shù)方案，并制作出了與配電系統(tǒng)電壓等級(jí)相當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)樣機(jī)。2000年以后，專利申請(qǐng)出現(xiàn)了新的熱潮，特別是2010~2015年之間高速增長(zhǎng)。這一時(shí)期，國(guó)外在該領(lǐng)域取得了一些新突破，提出了新的技術(shù)方案，如美國(guó)ABB公司與各科研高校合作完成了10kVA，7200V/240V的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。之后的研究集中于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積較小的AC/AC變換結(jié)構(gòu)的PET。目前，交－直－交－直－交型雙直流環(huán)拓?fù)涫菄?guó)內(nèi)外研究最具代表性的電力電子變壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

國(guó)內(nèi)外技術(shù)構(gòu)成對(duì)比分析

技術(shù)分解

電力電子變壓器主要包括電力電子變換器、高頻變壓器和柜體等組成部分。為了實(shí)現(xiàn)電力電子變壓器的穩(wěn)態(tài)控制、可靠運(yùn)行，起到輔助功能的自保護(hù)、故障診斷越來(lái)越受到重視。隨著目前市場(chǎng)對(duì)電網(wǎng)的安全可靠性要求越來(lái)越高，本領(lǐng)域?qū)τ陔娔苜|(zhì)量控制技術(shù)關(guān)注度不斷增加，因此將電能質(zhì)量控制技術(shù)、自保護(hù)、故障診斷一起列為二級(jí)分支。其中，因?yàn)楣耋w只是起到保護(hù)的作用，相關(guān)研究較少，不做分析；高頻變壓器不是決定電力電子變壓器技術(shù)先進(jìn)程度的主要因素，故本文沒有對(duì)其展開詳細(xì)分析。三級(jí)分支電力電子變換器和電能質(zhì)量控制技術(shù)，做了進(jìn)一步的分解，將電力電子變換器分為整流器、交流—交流變換器、逆變器、濾波器、直流斬波器、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)六個(gè)組成部分；將電能質(zhì)量控制技術(shù)分為柔性交流輸電系統(tǒng)（FACTS）和配電交流輸電系統(tǒng)（DFACTS），技術(shù)分解表詳見圖2。國(guó)內(nèi)外技術(shù)構(gòu)成對(duì)比全球范圍內(nèi)，電力電子變換器方面的專利比重最大（72.6%），申請(qǐng)量為23630件，是本領(lǐng)域研究的重點(diǎn)；其次是電能質(zhì)量控制技術(shù)，專利申請(qǐng)為7516件，占全球?qū)＠暾?qǐng)總量的22.3%。故障檢測(cè)、自保護(hù)技術(shù)兩方面的專利申請(qǐng)分別約占申請(qǐng)總量的2.2%、2.27%。中國(guó)專利申請(qǐng)中，電能質(zhì)量控制技術(shù)專利申請(qǐng)量最大，為3346件，占中國(guó)專利申請(qǐng)總量的56.90%，特別是DFACTS的占比具有明顯優(yōu)勢(shì)；電力電子變換器方面的專利申請(qǐng)量位于第二位，為2074件，占中國(guó)專利申請(qǐng)總量的35.27%；其次，中國(guó)在故障診斷方面占國(guó)內(nèi)申請(qǐng)總量的10.97%，相比全球來(lái)說(shuō)，中國(guó)更加注重故障檢測(cè)方面的研究。中國(guó)在自保護(hù)方面與全球的比較接近，說(shuō)明中國(guó)在自保護(hù)方面的發(fā)展也相對(duì)緩慢。綜合分析來(lái)看，中國(guó)和全球均比較關(guān)注電力電子變換器和電能質(zhì)量控制技術(shù)，但是從進(jìn)一步的分支領(lǐng)域來(lái)看，全球更關(guān)注的是電力電子變壓器中的整流器、逆變器等電子元器件的研發(fā)，而中國(guó)更關(guān)注在DFACTS技術(shù)方面的應(yīng)用。中國(guó)與全球的技術(shù)側(cè)重的區(qū)別，一方面是因?yàn)槿蚍秶鷥?nèi)電力電子變換器的研究起步較早，前期已經(jīng)積累了大量的專利；另一方面與中國(guó)出臺(tái)的產(chǎn)業(yè)政策有關(guān)，國(guó)務(wù)院（2006～2020年）《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》將“超大規(guī)模輸配電和電網(wǎng)安全保障”列為重點(diǎn)領(lǐng)域與優(yōu)先主題之一，并強(qiáng)調(diào)要“重點(diǎn)研究開發(fā)大容量遠(yuǎn)距離直流輸電技術(shù)和特高壓交流輸電技術(shù)與裝備”，在政策的引導(dǎo)下中國(guó)在電能質(zhì)量控制方面的專利最多，也說(shuō)明隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展及負(fù)荷的增大，大規(guī)模電力網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定安全運(yùn)行成為中國(guó)近年來(lái)研究的熱點(diǎn)之一。

全球?qū)＠植技凹夹g(shù)流向

某一國(guó)家或地區(qū)的專利申請(qǐng)，可由本土申請(qǐng)人在本國(guó)申請(qǐng)的專利構(gòu)成，也可由其他國(guó)家的申請(qǐng)人在該國(guó)家或地區(qū)布局的海外專利。因此，某一國(guó)家的專利申請(qǐng)量，一方面能夠體現(xiàn)該國(guó)家或地區(qū)的技術(shù)發(fā)展程度，另一方面，結(jié)合專利申請(qǐng)的技術(shù)流向數(shù)據(jù)，能夠體現(xiàn)該國(guó)家或區(qū)域在本行業(yè)中的市場(chǎng)地位。

技術(shù)優(yōu)勢(shì)國(guó)家分布

為了解各國(guó)家或地區(qū)的技術(shù)創(chuàng)新實(shí)力，統(tǒng)計(jì)分析了各國(guó)家或地區(qū)的專利技術(shù)產(chǎn)出量，結(jié)果如圖3所示。從圖中可以看出，電力電子變壓器技術(shù)領(lǐng)域的專利申請(qǐng)主要來(lái)源于日本、中國(guó)、美國(guó)和德國(guó)。進(jìn)一步分析申請(qǐng)量排名前四位的國(guó)家，專利申請(qǐng)趨勢(shì)如圖4所示，從圖中可以看出中國(guó)自1985年建立專利制度以來(lái)，到2008年申請(qǐng)量都比較少（年平均申請(qǐng)量80件左右），2008年之后，申請(qǐng)量迅速上升，2016年申請(qǐng)量接近1000件，說(shuō)明中國(guó)越來(lái)越重視PET技術(shù)的研究和開發(fā)；日本從70年代開始大量申請(qǐng)專利，申請(qǐng)量在1990達(dá)到高峰（486件），在早期就已經(jīng)形成了雄厚的技術(shù)積累，日本的三菱電機(jī)在大容量變壓器的設(shè)計(jì)和制造領(lǐng)域位居世界前列，擁有75多年的變壓器生產(chǎn)歷史，其產(chǎn)品獲得很高的聲譽(yù)和廣泛的接受度。美國(guó)和德國(guó)的趨勢(shì)是類似的，起步很早，其專利申請(qǐng)量穩(wěn)步增加，2010年之后增速很快。全球?qū)＠暾?qǐng)的技術(shù)流向?qū)＠暾?qǐng)流向是指相同的技術(shù)方案除了在申請(qǐng)人本國(guó)進(jìn)行申請(qǐng)之外，同時(shí)向其他國(guó)家或地區(qū)進(jìn)行專利申請(qǐng)。專利申請(qǐng)的流向國(guó)表明了申請(qǐng)人在哪些國(guó)家進(jìn)行了專利布局，從專利流向的數(shù)量可以看出申請(qǐng)人的技術(shù)數(shù)量以及在該國(guó)家或地區(qū)的重視程度。分析專利技術(shù)流向，可以了解該國(guó)申請(qǐng)人的專利布局概況。根據(jù)電力電子變壓器主要生產(chǎn)企業(yè)的分布，將電力電子變壓器的技術(shù)流向地區(qū)分為日本、中國(guó)、美國(guó)、德國(guó)、韓國(guó)及瑞士六個(gè)國(guó)家，如圖5所示。各國(guó)申請(qǐng)人均首先在本國(guó)進(jìn)行專利布局，排名首位的日本80%以上專利在本國(guó)申請(qǐng)；中國(guó)海外布局不足5%，海外布局意識(shí)薄弱；美國(guó)、德國(guó)海外布局50%~70%，主要在EPO、WIPO；各國(guó)在海外的布局中，美國(guó)最多，說(shuō)明美國(guó)的競(jìng)爭(zhēng)市場(chǎng)相對(duì)較強(qiáng)；瑞士比較注重海外布局，海外布局接近70%

國(guó)內(nèi)外主要申請(qǐng)人

全球主要申請(qǐng)人

通過(guò)統(tǒng)計(jì)全球電力電子變壓器方面的專利申請(qǐng)量，得出全球前十位申請(qǐng)人，如圖6所示，分別是三菱、西門子、東芝、富士電機(jī)、日立、通用電氣、松下、國(guó)家電網(wǎng)、施耐德電氣和明電舍，均為世界范圍內(nèi)著名的電子電氣工程企業(yè)，其中6家企業(yè)屬于日本，且排在首位的三菱也為日本企業(yè)，由此可知，日本在電力電子變壓器領(lǐng)域的技術(shù)實(shí)力在全球范圍內(nèi)處于領(lǐng)先水平。

中國(guó)主要申請(qǐng)人

圖7為中國(guó)電力電子變壓器領(lǐng)域主要申請(qǐng)人排名，可以分為企業(yè)、大專院校和科研機(jī)構(gòu)三類，其中企業(yè)型申請(qǐng)人有五位，分別為國(guó)家電網(wǎng)公司、艾默生、國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司、南瑞集團(tuán)和廣東易事特電源股份有限公司，高校和科研院所的申請(qǐng)人有五位，分別為中國(guó)電力科學(xué)研究院、東南大學(xué)、華北電力大學(xué)、湖南大學(xué)和上海交通大學(xué)。從圖中可以看出、排名第一的國(guó)家電網(wǎng)公司總數(shù)為606件，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其他申請(qǐng)人，其專利申請(qǐng)主要集中在電能質(zhì)量控制技術(shù)、電力電子變換器和故障診斷技術(shù)，說(shuō)明國(guó)家電網(wǎng)公司在電力電力變壓器技術(shù)領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位；排名第二位的美國(guó)的艾默生公司也是在華布局?jǐn)?shù)量最多的國(guó)外企業(yè)。

結(jié)語(yǔ)

全球PET的整體申請(qǐng)呈現(xiàn)穩(wěn)定增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)，2000年之后增長(zhǎng)迅速，全球尚未形成明顯的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)。日本專利申請(qǐng)量位于全球首位，全球前十位申請(qǐng)人中日本企業(yè)占6個(gè)。中國(guó)申請(qǐng)量位居第二位，目前尚處于研究示范階段，國(guó)內(nèi)沒有形成激烈市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。全球的研究熱點(diǎn)為整流器、斬波器、逆變器、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和DFACTS；中國(guó)的研究熱點(diǎn)為DFACTS技術(shù)、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。特別是，近兩年發(fā)現(xiàn)DFACTS分支申請(qǐng)量遙遙領(lǐng)先于其他分支，故障診斷作為新興的技術(shù)發(fā)展方向，國(guó)內(nèi)形成一定的技術(shù)積累。我國(guó)電力發(fā)展“十三五”規(guī)劃，將“升級(jí)改造配電網(wǎng)，推進(jìn)智能電網(wǎng)建設(shè)”作為重要任務(wù)，PET在分布式電源并網(wǎng)、改善配電網(wǎng)供電質(zhì)量、改善電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性以及在柔性交流輸電系統(tǒng)中的應(yīng)用，將會(huì)對(duì)整個(gè)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供有力保障。中國(guó)的申請(qǐng)人應(yīng)利用自身的優(yōu)勢(shì)資源，持續(xù)加大對(duì)FACTS、DFACTS技術(shù)的研究開發(fā)，利用自身已取得的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，保持在這一方面的技術(shù)優(yōu)勢(shì)；另外，電力電子變換器是電力電力變壓器的核心，是電力電子變壓器發(fā)展的基石，我國(guó)電力企業(yè)行業(yè)還需要拓寬產(chǎn)業(yè)鏈，開發(fā)耐受電壓高，開關(guān)頻率大以及載流能力強(qiáng)的電子器件，擺脫國(guó)外企業(yè)利用核心電子元器件制約中國(guó)企業(yè)發(fā)展的困境。

作者：尹麗梅 唐恒 單位：江蘇匯智知識(shí)產(chǎn)權(quán)服務(wù)有限公司