風電機組變槳系統專利申請態勢分析

文 | 應一鳴，衛紅

風電機組變槳系統專利申請態勢分析

文 | 應一鳴，衛紅

統計分析發現，在風電機組變槳技術的專利申請方面，中國企業還與國外存在較大差距，把握技術熱點的能力也偏弱。尤其是在作為變槳系統未來發展趨勢的獨立變槳技術的研發上，還需要國內企業與各大高校共同合作，加強基礎學科的研究。

在風電機組中，變槳系統的主要作用包括：根據風速的大小自動調整葉片與風向之間的夾角，從而實現風輪對風力發電機有一個恒定轉速；利用空氣動力學原理可以使槳葉順槳90度，與風向平行，使機組停機。變槳系統的工作原理為：通過控制葉片的角度來控制風輪的轉速，進而控制機組的輸出功率，并能夠通過空氣動力制動的方式使機組安全停機。風電機組正常運行期間，當風速超過額定風速時，通過控制葉片的角度使風輪的轉速保持恒定，任何情況引起的停機都會使葉片順槳到90度位置。變槳系統主要包括：變槳軸承，機組的葉片（根部）通過變槳軸承與輪轂相連；變槳電機，其通過一個小齒輪與變槳軸承內齒嚙合聯動。此外，變槳系統有時需要由備用電池供電進行變槳操作，因此，變槳系統必須配備備用電池以確保機組發生嚴重故障或重大事故時可以安全停機；并且還需要一個冗余限位開關，在主限位開關失效時確保變槳電機的安全制動。

本文從全球專利申請態勢、中國專利申請態勢兩個方面對變槳系統的專利申請情況進行分析，從而對比國內外技術的差距。其中全球專利申請態勢分析的樣本來源于世界專利索引（WPI）數據庫，中國專利申請態勢分析的樣本來源于中國專利數據庫（CPRS）。

變槳系統全球專利申請態勢分析

為分析變槳系統全球專利申請態勢，本節重點關注全球專利申請趨勢和重要申請人排名兩個方面。

一、申請趨勢

圖1顯示了風電機組變槳系統專利全球申請量的走勢，大致可分為三個階段：

（一）技術積累期（1970年—2005年）

1970年，出現了首件關于變槳系統的專利申請，但從1970年至2005年，申請量總體上處于增長緩慢的狀態。1978年—1988年，申請量達到了一個小的峰值，這得益于美國眾議院和參議院于1978年通過的風能政策法，確定1978年—1988年國家風能開發計劃。在此期間，美國企業提出了大量專利申請，使得這段時期的專利申請量出現了一次峰值。然而在1988年—1999年這十年的期間，變槳系統的申請不僅沒有增長，反而小幅回落。到了2000年—2005年，變槳系統才開始重新得到了關注，專利申請量也有了小幅度增長。

（二）快速發展期（2006年—2011年）

從2006年至今，變槳系統技術得到了快速的發展，特別是在2006年—2011年期間，申請量增長了數倍。這主要得益于2006年1月1日中國開始實施的《可再生能源法》，國家鼓勵和支持可再生能源并網發電，從而使得中國的申請量出現了井噴式增長。這期間，中國申請人提交了大量相關申請。

（三）技術穩定期（2012年至今）

不久前，中國地質調查局北京探礦工程研究所利用自主研制的海域砂層取樣器TKS[CD*2]1，在三亞海域成功完成砂層取樣作業。

在經歷了快速的發展期后，到2012年后，風電機組市場出現短期飽和，專利申請量也出現了小幅回落，但每年仍保持了較高的申請量水平。而2014年后的申請量數據受到公開滯后的影響，并不能準確反映真實申請量。

二、主要申請人排名

圖2顯示了風電機組變槳系統專利的全球申請人排名。在變槳系統專利領域排名前十的申請人中，中國企業僅占到了3席，且總申請量也遠落后于國外企業。這顯示出中國企業在風電變槳系統的研發和保護上已有一定的成效，但與全球范圍內領先的企業相比仍有較大差距。此外，通用電氣、維斯塔斯分別名列第一、第二，在申請量上并駕齊驅，這兩家企業的申請量遠遠多于其他企業；西門子和三菱重工位列第三、第四。上述排名前十的申請人全部為公司，其余排名靠前的也均為公司或者研究機構，基本沒有個人申請?？梢娮儤到y是一個技術水平要求和產業化較高的領域，個人很難進入。

圖1 變槳系統全球專利申請量走勢

圖2 變槳系統全球主要申請人

變槳系統中國專利申請態勢分析

為分析變槳系統中國專利申請態勢，本節重點研究了變槳系統中國專利申請趨勢、申請技術分布、國內外技術對比三個方面。

一、申請趨勢

圖3顯示了風電機組變槳系統領域中國專利申請量的發展趨勢。

1990年，中國出現了首件變槳系統的專利申請。但從1990年開始至2005年，申請量總體上處于增長緩慢的狀態，15年間僅有26件。在這15年時間內，變槳系統的整體研發水平較低，成果較少。2006年后，申請量出現了快速增長，尤其是2011年、2012年達到200件以上專利申請的頂峰，之后的幾年也都一直保持著100件以上的申請量。這同樣也主要得益于2006年1月1日中國開始實施的《可再生能源法》。2012年后，這種趨勢有所放緩。2013年—2015年，申請量出現了一定下滑。

圖4是變槳系統中國專利申請的技術分布及申請量走勢。從圖中可以看出，在中國申請的變槳系統專利中，以變槳裝置總成和變槳控制方法居多，分別占29%和25%，其次為變槳電控結構、安全和可靠性。從申請量走勢來看，2004年及以前，各大技術分支的申請量均較少。早期的申請大部分涉及變槳裝置總成，并且自2005年以來，變槳裝置總成和變槳控制方法的申請量出現了較快增長。然而在2011年達到頂峰之后，變槳裝置總成的申請量出現了大幅下滑，而變槳控制方法的申請量仍然保持了較高的水平；變槳電控結構、變槳軸承齒輪的專利申請量則在2009年開始增長，之后一直保持穩定；涉及安全及可靠性方面的專利申請在早期就有少量，而在2007年開始出現井噴，2011年后至今更是成為重點關注的技術分支之一。

三、國內外技術分布對比

圖5顯示了變槳系統國內外專利申請的技術分布對比雷達圖，其中申請量按照百分計算。從圖中可以看出，在變槳系統的七大技術分支中，國內外最關注的技術點不同。首先，國內申請人較為關注變槳裝置總成，占總申請量的26%；而國外申請人對變槳控制方法的關注遠遠超出了其他技術分支，占到總申請量的43%。進一步對這些申請進行詳細分析后可以看出，上述國內申請主要涉及變槳裝置總體結構的改進，而國外申請更加關注獨立變槳控制方法、根據信號執行變槳控制的方法等。其次，國外申請非常關注變槳系統在安全和可靠性方面的改進，涉及該方面的申請量所占比重很大，達到21%；而國內對這方面的關注較少，僅占總申請量的6%。另一方面，國內申請人較為關注的電控、液壓變槳系統則少有國外申請。

綜上所述，我們認為在此類專利申請上，目前國內與國外還存在一定差距。通過對變槳系統專利申請的技術分布走勢進行分析可知，目前變槳系統的熱點在于變槳控制方法以及安全和可靠性。國外申請人把握住了熱點，十分注重對這兩項技術分支的申請。而國內申請人則過于注重對于變槳裝置結構的改進，對上述技術熱點關注不足，特別是在安全和可靠性方面，國內申請人對這些技術分支的專利申請更是遠遠落后于國外。

獨立變槳技術專利申請分析

圖3 變槳系統中國專利申請量走勢

圖4 變槳系統中國專利申請的技術分布及申請量走勢

圖5 變槳系統國內外專利申請的技術分布對比

隨著風電技術的發展，機組容量越來越大，風輪直徑也持續增大。由于風切變、湍流、擾動效應，塔筒的塔影效應，葉片的重力、離心力等因素使葉片載荷發生不規則變化的影響也隨之加劇，葉片、輪轂、主軸、塔筒等部件的疲勞載荷增加，降低了這些部件的壽命和機組的可靠性。另一方面，隨著載荷測量傳感器技術的發展，能夠長期可靠測量機組上的載荷。通過獨立變槳控制，以減小大型風電機組各主要部件的疲勞載荷，比通過增加機械結構強度來提高設備的可靠性和壽命更經濟實惠。2005年后，獨立變槳技術的專利申請量有了顯著增長。本節選取了變槳系統專利申請量在全球范圍內排名前四的通用電器、維斯塔斯、西門子以及三菱重工，來具體分析它們的獨立變槳技術專利申請情況。

從圖6中可以看到，這四家公司均申請了獨立變槳技術專利。特別是維斯塔斯公司，作為專門致力于風能利用研究的一家公司，以32件與獨立變槳技術相關的專利申請量遙遙領先于其他公司。這主要是由于維斯塔斯公司供應的產品大部分為單機容量在兆瓦級以上的大型風電機組，而目前絕大多數大型機組均采用了獨立變槳技術。

圖6 四大公司在全球關于獨立變槳技術專利的申請量

圖7 四大公司獨立變槳專利申請的技術分支情況

圖7顯示了四大公司獨立變槳專利申請的技術分支情況。經過對比分析發現，這些申請主要涉及三個方面：

1. 載荷計算。技術的主要作用是，在保證功率輸出的前提下，降低運行過程中機組各部件的疲勞載荷。因此，對于各部件載荷的測量計算（或估算）是獨立變槳技術的基礎。通用電氣、維斯塔斯和西門子公司均有9項與載荷計算相關的申請，可見這些公司十分注重對這方面專利的保護。

2. 環境監測。各槳葉所受風速、風向不同是引起載荷不平衡的主要因素，因此，對風速、風向進行實時監測，以及更加準確、有效地測定這些參數是獨立變槳技術研究的重點方向。另外，對風電機組周圍的噪聲、槳葉的振動、塔架的側擺、甚至是葉片上的結冰等環境因素進行監測，并通過獨立變槳技術控制相應地消除這些不利因素也是獨立變槳技術的一些具體應用方向。在環境監測方面，維斯塔斯、通用電氣分別以11件、10件申請量名列前茅，而西門子和三菱重工在這方面的技術研發明顯較為薄弱。

3. 控制策略。在獲得風速、風向、載荷等參數后，還必須利用這些參數建立有效的模型，并通過相應的控制策略才能夠實現更優化的控制。目前常用的模型中，線性模型相對簡單，但是通常忽略了機組的部分特性；非線性模型則通常較為復雜，難以分析計算。而控制策略主要有基于模糊控制的智能控制策略以及基于葉片疲勞載荷的控制策略等。在這方面，維斯塔斯公司以12件申請量排在第一位，而三菱重工的大部分申請也均集中在控制策略上。

從各大公司的申請方向來看，通用電氣主要關注載荷計算和環境監測兩個方面，并且具有較強的競爭力；而維斯塔斯在三個方面的申請量十分均衡，并且均為第一或并列第一；西門子主要致力于載荷計算方面的研發，另外在控制策略方面也有少量布局；三菱重工則在控制策略方面有一定優勢，對載荷計算、環境監測的研發涉足甚少。

結論

隨著風電機組的整體結構、各部件結構增大，導致其承受的負載增大，因此，能夠實現降低不平衡載荷的變槳系統的應用也會更加受到如通用電氣、維斯塔斯、西門子等全球各大風電廠商的重視，并在世界范圍內申請了大量的相關專利。這些全球最強的風電廠商也不約而同地進入中國申請了大量變槳系統專利，構筑了一道道“壁壘”。而中國企業對變槳系統的研究還不夠深入，僅僅停留在對變槳裝置結構、部件的改進上，對變槳控制方法以及采用變槳系統提高機組安全性和可靠性等方面的成果仍然較少。獨立變槳技術是變槳系統未來發展的一個必然趨勢，想在獨立變槳技術占有一席之地，對于各部件載荷測量與計算，風速、風向等環境因素的檢測，以及基于線性非線性模型的模糊控制策略方面的基礎研發都必不可少。而在這三個方面中，國內企業雖然與國外差距較大，但是國外企業也是近些年才獲得了一些成果。特別是對于控制策略方面，由于其相比載荷計算以及環境監測更接近于技術理論與算法的研究，建議國內企業與各大高校共同合作，加強基礎學科的研究，以期在獨立變槳控制策略方面能夠有所突破。

（作者單位：國家知識產權局專利局機械部風力機械處）