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浅谈电力电子变压器技术专利

2019/12/17 阅读:

电力电子变压器

电子电力变压器(powerelectronictransformer,PET)是一种新型智能电能变换设备,融合了电力电子变换技术,采用高频隔离的中间直流环节,可实现原边和副边的灵活控制。与传统电力变压器相比,其突出的特点是输入电流、输出电压可调,功率因数可控。电子电力变压器可用于电力系统以提高系统的可控性和改善电能质量。PET一般应用于中、高压大功率的场合,在智能电网的建设中,PET将会在电能质量、智能供电、新能源发电并网领域发挥重要作用。为了全面分析国内外电力电子变压器技术的发展,研究利用incoPat科技创新情报平台进行专利检索,共检索到31556件专利,其中,中国专利5880件,检索日期截止到2018年12月31日。通过全球电力电子变压器相关专利的统计分析,重点分析技术发展趋势、国内外技术侧重差异、国家或地区技术优势,以及全球主要创新主体的专利申请情况,有助于把握世界电力电子变压器技术的热点领域和未来的发展方向,为我国电力电子变压器技术的研究开发决策提供支持和依据。全球专利申请趋势分析

电力电子变压器的专利申请趋势如图1所示,电力电子变压器基础元器件的相关专利申请始于1909年,电力电子变压器的发展可以分为萌芽期、第一发展阶段、技术调整期、第二次发展阶段四个阶段。萌芽期(1909~1970年),这一时期的专利申请主要集中在整流器上,其次是逆变器,斩波器也有少量涉及。1958年首次出现的商用晶闸管,标志着电力电子技术的诞生。1970年,美国通用公司的W.McMurray首先提出的一种具有高频链接AC/AC的变换电路,为电力电子变压器的发展奠定了基础。第一发展阶段(1970~1990年),这一阶段多数专利是针对AC/AC变换器的不同拓扑结构进行了深入的研究,专利申请量迅速上涨,研究重点为电力电子变压器的实现方案及电路的拓扑结构。技术调整期(1990~2000年),这一时期大功率电力电子器件和高压大功率变换技术的发展遇到了瓶颈,早期提出的电力电子变压器的相关设计方案均不能进入实用化,导致专利申请数量出现了一定程度的下降。第二发展阶段(2000~2018年),针对工业配电系统的电力电子变压器有了新的研究进展,不断提出了新的技术方案,并制作出了与配电系统电压等级相当的实验样机。2000年以后,专利申请出现了新的热潮,特别是2010~2015年之间高速增长。这一时期,国外在该领域取得了一些新突破,提出了新的技术方案,如美国ABB公司与各科研高校合作完成了10kVA,7200V/240V的实验样机。之后的研究集中于结构简单、体积较小的AC/AC变换结构的PET。目前,交-直-交-直-交型双直流环拓扑是国内外研究最具代表性的电力电子变压器拓扑结构。

国内外技术构成对比分析

技术分解

电力电子变压器主要包括电力电子变换器、高频变压器和柜体等组成部分。为了实现电力电子变压器的稳态控制、可靠运行,起到辅助功能的自保护、故障诊断越来越受到重视。随着目前市场对电网的安全可靠性要求越来越高,本领域对于电能质量控制技术关注度不断增加,因此将电能质量控制技术、自保护、故障诊断一起列为二级分支。其中,因为柜体只是起到保护的作用,相关研究较少,不做分析;高频变压器不是决定电力电子变压器技术先进程度的主要因素,故本文没有对其展开详细分析。三级分支电力电子变换器和电能质量控制技术,做了进一步的分解,将电力电子变换器分为整流器、交流—交流变换器、逆变器、滤波器、直流斩波器、拓扑结构六个组成部分;将电能质量控制技术分为柔性交流输电系统(FACTS)和配电交流输电系统(DFACTS),技术分解表详见图2。国内外技术构成对比全球范围内,电力电子变换器方面的专利比重最大(72.6%),申请量为23630件,是本领域研究的重点;其次是电能质量控制技术,专利申请为7516件,占全球专利申请总量的22.3%。故障检测、自保护技术两方面的专利申请分别约占申请总量的2.2%、2.27%。中国专利申请中,电能质量控制技术专利申请量最大,为3346件,占中国专利申请总量的56.90%,特别是DFACTS的占比具有明显优势;电力电子变换器方面的专利申请量位于第二位,为2074件,占中国专利申请总量的35.27%;其次,中国在故障诊断方面占国内申请总量的10.97%,相比全球来说,中国更加注重故障检测方面的研究。中国在自保护方面与全球的比较接近,说明中国在自保护方面的发展也相对缓慢。综合分析来看,中国和全球均比较关注电力电子变换器和电能质量控制技术,但是从进一步的分支领域来看,全球更关注的是电力电子变压器中的整流器、逆变器等电子元器件的研发,而中国更关注在DFACTS技术方面的应用。中国与全球的技术侧重的区别,一方面是因为全球范围内电力电子变换器的研究起步较早,前期已经积累了大量的专利;另一方面与中国出台的产业政策有关,国务院(2006~2020年)《国家中长期科学和技术发展规划纲要》将“超大规模输配电和电网安全保障”列为重点领域与优先主题之一,并强调要“重点研究开发大容量远距离直流输电技术和特高压交流输电技术与装备”,在政策的引导下中国在电能质量控制方面的专利最多,也说明随着电力系统的发展及负荷的增大,大规模电力网络稳定安全运行成为中国近年来研究的热点之一。

全球专利分布及技术流向

某一国家或地区的专利申请,可由本土申请人在本国申请的专利构成,也可由其他国家的申请人在该国家或地区布局的海外专利。因此,某一国家的专利申请量,一方面能够体现该国家或地区的技术发展程度,另一方面,结合专利申请的技术流向数据,能够体现该国家或区域在本行业中的市场地位。

技术优势国家分布

为了解各国家或地区的技术创新实力,统计分析了各国家或地区的专利技术产出量,结果如图3所示。从图中可以看出,电力电子变压器技术领域的专利申请主要来源于日本、中国、美国和德国。进一步分析申请量排名前四位的国家,专利申请趋势如图4所示,从图中可以看出中国自1985年建立专利制度以来,到2008年申请量都比较少(年平均申请量80件左右),2008年之后,申请量迅速上升,2016年申请量接近1000件,说明中国越来越重视PET技术的研究和开发;日本从70年代开始大量申请专利,申请量在1990达到高峰(486件),在早期就已经形成了雄厚的技术积累,日本的三菱电机在大容量变压器的设计和制造领域位居世界前列,拥有75多年的变压器生产历史,其产品获得很高的声誉和广泛的接受度。美国和德国的趋势是类似的,起步很早,其专利申请量稳步增加,2010年之后增速很快。全球专利申请的技术流向专利申请流向是指相同的技术方案除了在申请人本国进行申请之外,同时向其他国家或地区进行专利申请。专利申请的流向国表明了申请人在哪些国家进行了专利布局,从专利流向的数量可以看出申请人的技术数量以及在该国家或地区的重视程度。分析专利技术流向,可以了解该国申请人的专利布局概况。根据电力电子变压器主要生产企业的分布,将电力电子变压器的技术流向地区分为日本、中国、美国、德国、韩国及瑞士六个国家,如图5所示。各国申请人均首先在本国进行专利布局,排名首位的日本80%以上专利在本国申请;中国海外布局不足5%,海外布局意识薄弱;美国、德国海外布局50%~70%,主要在EPO、WIPO;各国在海外的布局中,美国最多,说明美国的竞争市场相对较强;瑞士比较注重海外布局,海外布局接近70%

国内外主要申请人

全球主要申请人

通过统计全球电力电子变压器方面的专利申请量,得出全球前十位申请人,如图6所示,分别是三菱、西门子、东芝、富士电机、日立、通用电气、松下、国家电网、施耐德电气和明电舍,均为世界范围内著名的电子电气工程企业,其中6家企业属于日本,且排在首位的三菱也为日本企业,由此可知,日本在电力电子变压器领域的技术实力在全球范围内处于领先水平。

中国主要申请人

图7为中国电力电子变压器领域主要申请人排名,可以分为企业、大专院校和科研机构三类,其中企业型申请人有五位,分别为国家电网公司、艾默生、国网江苏省电力公司、南瑞集团和广东易事特电源股份有限公司,高校和科研院所的申请人有五位,分别为中国电力科学研究院、东南大学、华北电力大学、湖南大学和上海交通大学。从图中可以看出、排名第一的国家电网公司总数为606件,远远超过其他申请人,其专利申请主要集中在电能质量控制技术、电力电子变换器和故障诊断技术,说明国家电网公司在电力电力变压器技术领域处于领先地位;排名第二位的美国的艾默生公司也是在华布局数量最多的国外企业。

结语

全球PET的整体申请呈现稳定增长的态势,2000年之后增长迅速,全球尚未形成明显的市场竞争态势。日本专利申请量位于全球首位,全球前十位申请人中日本企业占6个。中国申请量位居第二位,目前尚处于研究示范阶段,国内没有形成激烈市场竞争。全球的研究热点为整流器、斩波器、逆变器、拓扑结构和DFACTS;中国的研究热点为DFACTS技术、拓扑结构。特别是,近两年发现DFACTS分支申请量遥遥领先于其他分支,故障诊断作为新兴的技术发展方向,国内形成一定的技术积累。我国电力发展“十三五”规划,将“升级改造配电网,推进智能电网建设”作为重要任务,PET在分布式电源并网、改善配电网供电质量、改善电力系统动态特性以及在柔性交流输电系统中的应用,将会对整个电网的安全稳定运行提供有力保障。中国的申请人应利用自身的优势资源,持续加大对FACTS、DFACTS技术的研究开发,利用自身已取得的技术优势,保持在这一方面的技术优势;另外,电力电子变换器是电力电力变压器的核心,是电力电子变压器发展的基石,我国电力企业行业还需要拓宽产业链,开发耐受电压高,开关频率大以及载流能力强的电子器件,摆脱国外企业利用核心电子元器件制约中国企业发展的困境。

作者:尹丽梅 唐恒 单位:江苏汇智知识产权服务有限公司

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