原標題：從專利看“限電”困境
2023年很奇幻，進入12月后湖南、浙江、江西等省份相繼發布限電措施。根據《中國電力行業年度發展報告2020》數據顯示，2023年全國新增發電裝機容量10500萬千瓦，其中新增并網風電和太陽能發電裝機容量分別為2572萬千瓦和2652萬千瓦，合計新增占全國新增發電裝機容量的49.75%。說到這里大家會發現，我們無論傳統火力發電還是新能源發電已經發展的很快了，為何在2023年的冬天依然會缺電呢？筆者認為，我國發電區域與用電區域高度不匹配，是其中一個很大的原因。
近10年來，隨著電力基礎設施建設越來越完善已經很少有限電現象發生，而2023年很奇幻，進入12月后湖南、浙江、江西等省份相繼發布限電措施，坊間傳聞與電煤儲運不佳相關，相關部門對此進行了回應，回應主要集中在以下幾點：1、湖南、江西、浙江等地的工業生產規模增速均高于全國平均水平；2、近日較強冷空氣影響我國大部分地區，尤其提高了不集中供暖的南方地區的用電負荷；3、限電是為了響應節能減排。同時，國家發改委很快作出了要求，要求各地確保電力供應總體平穩有序。
12月份義烏市工業用電停電計劃表截圖
電力現狀
目前，火電仍然是我國主要電力來源，其受電煤的影響較大，同時由于火電在生產的過程中會產生大量的二氧化碳，根據習近平主席在第七十五屆聯合國大會一般性辯論上發表的承諾：中國努力爭取2060年前實現碳中和，可以預見的是新能源發電的比重將會加速提升。然而，根據《中國電力行業年度發展報告2020》數據顯示，2023年全國新增發電裝機容量10500萬千瓦，其中新增并網風電和太陽能發電裝機容量分別為2572萬千瓦和2652萬千瓦，合計新增占全國新增發電裝機容量的49.75%。說到這里大家會發現，我們無論傳統火力發電還是新能源發電已經發展的很快了，為何在2023年的冬天依然會缺電呢？
筆者認為，我國發電區域與用電區域高度不匹配，是其中一個很大的原因。眾所周知，我國風能、太陽能資源遠離負荷中心且分散多處，如何有效匯集、高效傳輸、穩定并網至關重要。而特高壓輸電技術與較低電壓輸電方式相比具有長距離、大容量、低損耗、節約土地資源的優勢，同時，我們一般認為直流輸電與交流輸電相比具有線路造價低、功率和能量損耗小、通信干擾小、穩定性高的優勢。因此，聰明的中國人從特高壓技術尤其是特高壓直流輸電技術上實現了彎道超車，扭轉了我國電力工業長期跟隨西方發達國家發展的被動局面。
解決困境的鑰匙
高壓直流輸電技術分為常規高壓直流輸電技術和柔性直流輸電技術，兩者均包括送端換流站和受端換流站，兩端換流站結構對稱，換流站的設備投資占了整個直流輸電投資的50%以上，但兩者的換流站核心電力電子器件及控制原理不同。【1】
ABB公司是直流輸電技術的鼻祖，擁有大量直流輸電相關專利，下面這件專利是ABB公司于1969年申請的直流電力傳輸系統，其通過在交流電源和負載之間構建整流橋、逆變橋實現直流電力傳輸，而橋電路應用的是可控半導體器件晶閘管。
ABB公司早期直流輸電系統專利
柔性直流輸電作為新一代直流輸電技術，其為基于電壓源換流器的高壓直流輸電（Voltage Source Converter based High Voltage Direct Current Transmission，VSC-HVDC），是一種以電壓源換流器、自關斷器件和脈寬調制（PWM）技術為基礎的新型輸電技術，該輸電技術具有可向無源網絡供電、不會出現換相失敗、換流站間無需通信以及易于構成多端直流系統等優點。一般認為，柔性直流輸電的基本概念是1990年由加拿大McGill大學的Boon-TeckOoi等人聯合提出的【2】。通過簡單檢索可以發現，McGill大學并沒有忘記將該技術申請為專利技術，如下圖，眼尖的讀者可以看到該專利的申請日為1988年，不得不對他們的專利意識表示敬佩。該專利不僅公開了柔性直流輸電系統，還公開了對應的脈寬調制（PWM）技術，其同族專利US4941079A被引用次數達到了85次，是典型的高價值基礎專利。
早期的柔性直流輸電技術基本都掌握在國外同行手中，“卡脖子”現象比較嚴重，柔性直流輸電系統的建造技術也主要依賴引進輸入。由下圖可以看出，早期柔性直流專利技術由ABB、西門子、通用、阿爾斯通瓜分，國內公司如國家電網、南方電網、南瑞繼保等在08年后開始發力。
柔直相關專利百分比堆積圖
國內發展狀況
得益于改革開放后工業的快速發展，我國電力行業發展迅猛，到2014年末，我國高壓直流輸電工程累計輸送容量達12470MW，輸電線路長度累計達4840km，超過美國位列世界第一。2023年12月27日世界首個特高壓多端柔性直流示范工程（昆柳龍直流工程）正式啟動投產送電，在此之前，世界上柔性直流的最高電壓等級為±500千伏，而該工程則提升到前所未有的±800千伏。
昆柳龍直流工程送端昆北換流站【3】
而通過檢索中國專利獎的獲得情況可以發現，多篇與柔性直流相關的專利曾獲得該獎。
中國專利獎情況（柔直相關）
由此，也能看出社會對該領域發展的期待。同時，中國國家能源局在2023年12月1號發布了關于第一批能源領域首臺（套）重大技術裝備項目的公示，其中可以看出對于換流閥成套裝置、柔直變壓器、電抗器等核心部件已經完成了國產化。
第一批能源領域首臺（套）重大技術裝備項目
下圖為專利優秀獎之一，專利權人為南京南瑞繼保，該專利涉及一種多端柔性直流輸電系統的協調控制方法，與昆柳龍工程一樣都是多端、柔性、直流系統，專利所述直流輸電系統包括一個直流電壓主控站、至少一個直流電壓控制從站和至少一個普通換流站，簡單說就是主站+從站+普通站的配置，從站在主站正常工作時，與普通站一樣運行有功功率控制方式，在主站不正常時，從站通過一定的判斷規則接管主站的調節功能，并將控制方式切換為直流電壓控制方式，由此減小系統直流電壓振蕩。
第十九屆中國專利獎優秀獎之一
除此之外，國內對于柔性直流相關技術專利申請量也是逐年上升，慢慢在世界范圍內擁有了一定的話語權。
中國柔性直流專利申請趨勢
愿景
筆者相信，在專利技術和工程建造技術的雙重加持下，我國柔性直流輸電產業必將蓬勃發展，用以解決我國電力跨區域遠距離輸送的問題，并為大規模開發西部風、光、水可再生能源創造條件，在下一波寒潮來臨時不再因為限電而瑟瑟發抖。
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】微信公眾號“南網50Hz”，“南方電網舉行烏東德電站送電廣東廣西特高壓多端柔性直流示范工程投產儀式”。
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