摘要：特高压直流输电适用于长距离、大容量的输电场合，近年来发展迅速[1-3]。本文对特高压直流输电的国内外专利申请数据进行分析，从相关专利的申请趋势、申请人分布以及特高压直流输电技术的技术演进路线概况等角度进行了深入的分析和研究，进一步认识特高压直流输电技术的现状及其发展趋势。
关键词： 特高压直流输电 换流阀 专利分析
1 特高压直流输电专利技术申请情况
首先，分析特高压直流输电技术的专利申请趋势，如图1所示，特高压直流输电技术的发展大致分为三个阶段。1979年-2000年这一阶段为技术萌芽期，特高压直流输电技术专利在国外已经出现，但是发展比较缓慢，这是由于该阶段的早期为了获得较高的直流电压，采用的是直流发电机串联技术，运行方式复杂，可靠性差；且感应交流电机的出现以及快速发展和应用使得交流电力占电力市场的绝对主导地位，直流输电技术的发展缓慢；而在晶闸管换流阀和以IGBT为开关管的新型半导体换流阀出现后，虽然提高了获取高压直流电的便捷性和可靠性，但由于晶闸管不具备关断能力、IGBT单管耐压能力有限等限制，特高压直流输电的发展仍然较缓慢。2000年-2008年为缓慢增长期，在此期间，由于电力电子器件技术的蓬勃发展，出现了诸如IGCT、大功率碳化硅组件等具有电压高、通流能力大、损耗低、体积小、可靠性高的电力电子器件，促进了特高压直流输电技术的发展。2008年-至今为快速发展期，由于全球经济发展带动电力需求的增长速度不断加快，大容量、远距离的输电需求也不断增长，在电力电子技术的发展已经做好良好铺垫的基础上，瑞士、德国、美国、中国、加拿大、韩国、印度等诸多国家开始大力发展特高压直流输电技术，促进了其快速发展。
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图1 特高压直流输电专利申请趋势
虽然我国对特高压直流输电技术的研究起步较晚，直至上世纪90年代才有相关技术的专利申请出现，但是在2006年后，得益于国家电力发展战略的大力支持和引导，我国在该领域的申请量显著增长，我国在特高压直流输电技术领域的专利申请量与国外申请量的差距逐年减小，并逐渐发展成该领域专利申请量最多的国家，这表明特高压直流输电领域是一个发展潜力非常大的领域，对该领域的进一步研究和发展是非常有益的。
2 技术原创国和目标国以及主要申请人分析
技术原创国/地区表征了一个国家/地区在该领域的技术储备和技术实力。从专利数据看，在特高压直流输电技术领域，我国的申请量最多，占58%，在原创专利申请量上以绝对优势占据第一名，其次是韩国、美国、瑞士、德国、日本，韩国和美国旗鼓相当，分别是8%和6%，瑞士、德国和日本次之，申请量相差无几，均占3%-4%。这说明，我国虽然在特高压直流输电技术领域起步晚，但是发展快，相关申请量多。技术目标国/地区表征了一个国家或地区的市场在该领域的重要程度。中国是特高压直流输电技术最主要的技术目标国，目标专利占43%，这是因为我国幅员辽阔，且发电资源和负荷中心的地理分布极不平衡，对特高压直流输电需求最大的缘故。其次是美国和欧洲，再次是韩国、德国、日本、瑞士和加拿大。
在国外，瑞士的ABB公司有关特高压直流输电的专利申请量高居榜首，并且该国阿尔斯通的申请量也排在第五，可见瑞士的两大相关企业对于特高压直流输电领域的专利十分重视。德国的西门子公司位居第二，其在电力电子器件领域的研究为其在特高压直流输电换流阀方面的研究做了良好的铺垫。韩国的LS公司和韩国电力也在特高压直流输电方面占据优势，分别占据第3名和第6名，而美国通用电气则位居第4。而在国内，国家电网以绝对优势位列第一，申请量达到近600件，而南方电网则位居第3，位居第2位的是中国电力工程顾问集团，有160多件申请，中国西电电气和中国电力科学研究院分别位居第4位和第5位，而在水电资源丰富的云南省，昆明理工大学的申请量位于国内高校的榜首。国内申请人主要集中在各大电网，这和国家电力发展战略布局息息相关，可以看出，国内的特高压直流输电技术虽然起步晚，但是发展速度快。然而，值得注意得是，我国民营企业对特高压直流输电技术的研究还比较少，有待进一步发展。
3.技术发展路线
通过对特高压直流输电技术各个时期的专利文献进行梳理和分析，可以得到该领域的专利技术演进路线，由于特高压直流输电技术包涵的内容很多，本文将从换流阀和潮流控制两个方面进行阐述。
对特高压直流输电中换流阀的研究最成熟。1970年，瑞士ABB公司在US3629687A提出了一种应用于750kV特高压直流输电的换流站，该换流站采用四个换流阀串联，并采用隔离变压器连接直流电压中点的技术减少了隔离变压器的电压等级。日本芝浦电气申请了多个UHVDC换流站AC/DC换流器及其相关控制方法的专利。2000年ABB公司在SE9901127 A中提出了一种电压源型变换器，同年，德国西门子公司在DE19847680 A1公开了一种12脉波换流阀的控制方法，并于2001年在DE10103031A 中提出了现已广泛应用和发展的模块化多电平换流器。2002年，ABB公司提出一种改进的VSC，其在变换器输出端与地直接按连接一个或多个电容，以抑制开关器件两端电压的变化率dV/dt，减小因高电压变化率而引起的容性电流。2010年前后，韩国和中国在特高压直流输电技术领域的研究也发展起来。2008年中国电力科学研究院在CN101162250 A中公开了一种特高压直流输电换流阀最大暂态试验方法，确保了换流阀的安全运行。韩国LS公司在2013年公布的专利KR101302942B 中，介绍了一种特高压直流输电系统中晶闸管阀消弧角测量装置，为换流阀消弧角的测量提出了一种改进方法，而韩国电气技术研究所则发明了一种用于UHVDC的MMC的新型子模块结构，在半桥子模块的基础上增加一个开关管，减小了开关管的导通损耗。
2001年ABB公司在 EP1069666 A1中公开了一种UHVDC系统有功功率控制方法，增加了系统有功调节的灵活性。韩国LS公司在2015年分别公开了一种测量UHVDC系统电压和电流的双工系统（KR20150108134 A）和一种UHVDC系统的控制方法（KR20150130860A）， 而ABB则针对中国市场，在2016年的公开的CN106169769A中提出了一种双极特高压直流输电系统及其控制系统和方法，通过对第一极或第二极单独控制，或对第一极和第二极协同控制，实现第一交流电网与第二交流电网之间功率交换的动态调节。
总结
本文从特高压直流输电的专利申请趋势出发，对该领域的专利申请趋势、重要申请人进行了详细介绍，并总结了特高压直流输电主要技术分支的专利演进发展路线。分析表明，特高压直流输电技术的申请在瑞士、德国、美国等国萌芽和发展，并继续在中国、韩国、日本、加拿大等国家发展壮大，近年来在中国则得到了更广泛的应用和更深入、更细化的研究。
参考文献
[1] 钟一俊. 特高压输电技术研究和应用综述[D]，浙江大学，2008
[2] 邓国良. 特高压直流输电系统发展综述[J]，山西科技，2013，28（2）：57-59
[3] 刘振亚. 特高压直流输电技术丛书 特高压直流输电理论[M]，中国电力出版社，2018