中國(guó)虛擬同步機(jī)專利情況及相關(guān)行業(yè)現(xiàn)狀分析一、虛擬同步機(jī)綜述虛擬同步機(jī)技術(shù)通常是指電力電子變流器的控制環(huán)節(jié)采用同步電機(jī)的機(jī)電暫態(tài)方程，使采用該技術(shù)的裝置并網(wǎng)運(yùn)行，具有同步機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行的慣性、阻尼特性、有功調(diào)頻、無功調(diào)壓特性等運(yùn)行外特性的技術(shù)。一般有虛擬同步發(fā)電機(jī)和虛擬同步電動(dòng)機(jī)兩種形態(tài)。其基本組成包括變流器、儲(chǔ)能單元和控制部件三大部分。從分類情況來看，虛擬同步機(jī)分為清潔能源虛擬同步機(jī)與負(fù)荷虛擬同步機(jī)。清潔能源虛擬同步機(jī)包括風(fēng)機(jī)虛擬同步發(fā)電機(jī)、光伏虛擬同步發(fā)電機(jī)和儲(chǔ)能虛擬同步機(jī)，兩種技術(shù)路線。單元式主要指光伏、風(fēng)機(jī)等分布式接入場(chǎng)景；電站式虛擬同步機(jī)在電站并網(wǎng)點(diǎn)接入電力系統(tǒng)，能夠提升整站同步外特性，從目前應(yīng)用場(chǎng)景來看特指儲(chǔ)能虛擬同步機(jī)。虛擬同步機(jī)技術(shù)分類虛擬同步機(jī)技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用與挑戰(zhàn)，二、虛擬同步電機(jī)架構(gòu)傳統(tǒng)電力系統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)的可通過轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)速度的變化吸收或釋放能量來維持系統(tǒng)頻率穩(wěn)定。系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量越大，頻率變化越緩慢，慣量是系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的重要保障。風(fēng)電、光伏逐步取代傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)成為主要的能量來源會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)動(dòng)慣量降低，同時(shí)風(fēng)電、光伏的出力具有較為明顯的間歇性和波動(dòng)性，使得電力系統(tǒng)穩(wěn)定性下降。電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可通過儲(chǔ)能單元模擬傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)的方式增加。電化學(xué)儲(chǔ)能通過虛擬同步發(fā)電機(jī)（VSG）即充放電模擬轉(zhuǎn)子動(dòng)能變化的方式可以使逆變器具有與同步發(fā)電機(jī)相似的外特性，為電力系統(tǒng)提供轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。但電池反復(fù)充放電帶來的損耗會(huì)增加成本。虛擬同步發(fā)電機(jī)拓?fù)錂C(jī)構(gòu)與等效模型三、虛擬同步電機(jī)行業(yè)現(xiàn)狀1、風(fēng)光發(fā)電裝機(jī)現(xiàn)狀清潔能源發(fā)電領(lǐng)域是虛擬同步電機(jī)主要應(yīng)用場(chǎng)景，主要提升發(fā)電并網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性。從風(fēng)電裝機(jī)情況來看，據(jù)國(guó)家能源局，2021年中國(guó)風(fēng)電裝機(jī)累計(jì)容量達(dá)到328。48GW，同比增長(zhǎng)16。68%。2016-2021年中國(guó)風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量及增速情況國(guó)家能源局，從光伏裝機(jī)情況來看，據(jù)國(guó)家能源局?jǐn)?shù)據(jù)，2021年中國(guó)光伏發(fā)電累計(jì)裝機(jī)容量為316GW，其中集中式光伏累計(jì)裝機(jī)容量為198。5GW，分布式光伏累計(jì)裝機(jī)容量為107。5GW，分布式光伏裝機(jī)占比持續(xù)提升。據(jù)CPIA數(shù)據(jù)，2021年分布式光伏裝機(jī)新增29。3GW，其中用戶側(cè)（戶用）新增21。6GW，工商用新增7。7GW。2016-2021年中國(guó)光伏發(fā)電累計(jì)裝機(jī)容量情況國(guó)家能源局，CPIA，2、電化學(xué)儲(chǔ)能裝機(jī)情況電化學(xué)儲(chǔ)能通過虛擬同步發(fā)電機(jī)（VSG）即充放電模擬轉(zhuǎn)子動(dòng)能變化的方式可以使逆變器具有與同步發(fā)電機(jī)相似的外特性，為電力系統(tǒng)提供轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。從電化學(xué)儲(chǔ)能裝機(jī)容量來看，據(jù)CNESA數(shù)據(jù)，2021年中國(guó)電化學(xué)儲(chǔ)能累計(jì)裝機(jī)容量為5。51GW，同比增長(zhǎng)68。5%。2014-2021年中國(guó)電化學(xué)儲(chǔ)能累計(jì)裝機(jī)容量及增速CNESA，3、微電網(wǎng)行業(yè)現(xiàn)狀虛擬同步電機(jī)在微電網(wǎng)中應(yīng)用同樣重要。現(xiàn)階段，微電網(wǎng)的技術(shù)推廣已從起步階段步入快速發(fā)展階段。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2018年中國(guó)微電網(wǎng)市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到43。7億元，同比增長(zhǎng)9。8%。隨著國(guó)家行業(yè)扶持政策的推進(jìn)、核心技術(shù)的進(jìn)步與下游應(yīng)用領(lǐng)域的拓展，預(yù)計(jì)中國(guó)微電網(wǎng)行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模將會(huì)在2023年突破70億元，市場(chǎng)潛力巨大。2017-2023年中國(guó)微電網(wǎng)行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模及增速情況4、發(fā)電機(jī)組現(xiàn)狀中國(guó)發(fā)電機(jī)組產(chǎn)量波動(dòng)性變動(dòng)。據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)，2020年中國(guó)發(fā)電機(jī)組產(chǎn)量為14168。2萬千瓦，同比增長(zhǎng)52。8%，2021年中國(guó)發(fā)電機(jī)組產(chǎn)量為15954。6萬千瓦，同比增長(zhǎng)12。6%。2016-2021年中國(guó)發(fā)電機(jī)組產(chǎn)量及增速情況國(guó)家統(tǒng)計(jì)局，5、虛擬同步電機(jī)專利情況近年來虛擬同步機(jī)專利申請(qǐng)和公開數(shù)量持續(xù)增長(zhǎng)，行業(yè)發(fā)展向好。據(jù)佰騰網(wǎng)數(shù)據(jù)，2021年中國(guó)虛擬同步機(jī)專利公開數(shù)量為97項(xiàng)，申請(qǐng)數(shù)量為68項(xiàng)。2022年公開專利數(shù)量為23項(xiàng)，申請(qǐng)數(shù)量為0項(xiàng)。2014-2022年中國(guó)虛擬同步機(jī)專利公開及申請(qǐng)數(shù)量注：時(shí)間截止至2022年4月11日。佰騰網(wǎng)，從申請(qǐng)人專利量排行來看，國(guó)家電網(wǎng)共計(jì)90項(xiàng)專利排行第一，其次為華北電力大學(xué)累計(jì)53項(xiàng)專利，中國(guó)電力科學(xué)研究院27項(xiàng)排名第三。排名前列的學(xué)校還有浙江大學(xué)17項(xiàng)，東南大學(xué)15項(xiàng)。電力企業(yè)有國(guó)電南瑞16項(xiàng)，許繼電氣15項(xiàng)。2022年中國(guó)虛擬同步機(jī)累計(jì)專利申請(qǐng)人排行情況注：時(shí)間截止至2022年4月11日。佰騰網(wǎng)，四、虛擬同步電機(jī)行業(yè)未來發(fā)展前景虛擬同步機(jī)技術(shù)當(dāng)前還存在不少問題，但在傳統(tǒng)機(jī)組仍占主導(dǎo)地位的電力系統(tǒng)中，清潔能源并網(wǎng)在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)仍需追蹤“同步”電網(wǎng)，所以虛擬同步機(jī)技術(shù)仍有較大應(yīng)用和提升空間，特別是伴隨電力系統(tǒng)的電力電子化程度不斷提高，虛擬同步機(jī)技術(shù)有效解決慣量缺乏、阻尼下降和電網(wǎng)安全穩(wěn)定裕度減小等問題。針對(duì)當(dāng)前虛擬同步電機(jī)技術(shù)推進(jìn)中的問題，建議進(jìn)一步開展虛擬同步機(jī)相關(guān)產(chǎn)品化工作，開展虛擬同步機(jī)虛擬同步機(jī)并聯(lián)均分，并網(wǎng)穩(wěn)定性分析關(guān)鍵技術(shù)研究，開展集群和整站并網(wǎng)仿真，掌握復(fù)雜電力電子環(huán)境條件下對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定的支撐作用機(jī)理，進(jìn)一步明確虛擬同步機(jī)技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)范圍，加快技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)制定，推動(dòng)清潔能源參與電力系統(tǒng)調(diào)頻、調(diào)壓技術(shù)