直流输电行业专题报告.docx

直流输电行业专题报告：特高压与柔直共振，直流项目加速落地直流输电技术简介：服务大容量、长距离输送需求直流输电技术：大容量、长距离输电的需求成为高压直流输电技术发展的契机电力发展初期，直流输电由于无法直接升压，输电距离受到较大限制，线路损耗随着输电距离增加和容量增大而急剧上升，难以满足需求。自19世纪80年代末三相交流发电机以及交流变压器的发明以来，交流电可以通过电磁感应就行升压和降压操作，从而以高压小电流的方式实现电力的输送，减小损耗，因而获得快速的发展，迄今仍是电力系统的基础。随着电网范围的扩大，交流输电的局限性也逐渐显现：交流输电需要电网同步、大量的无功补偿设备，随着输电距离的增加而产生较大的压降，长距离输电线路损耗大，系统复杂。与此同时，随着电力电子技术的进步，尤其是大功率换流器的成功商用，高压直流输电成为了可能。高压直流输电也再一次进入人们的视野，迎来了新的发展机会。高压直流输电的系统主要由送端换流站（整流站）、直流输电线路、受端换流站（逆变站）组成。电能从一侧的交流电网导出，经整流站转化为直流，架空线或电缆传送至受端，在逆变站转化为交流，并进一步进入受端交流电网。其中，直流输电的核心设备集中于换流站，具体包括换流阀、换流变压器、控制保护系统、平波电抗器、无功补偿设备和交流滤波器等。相比于交流输电，高压直流输电具备以下的优点：1）理论上无输送容量限制；2）直流输电线路无对地电容，无需无功补偿装置；3）两端交流电网可以异步运行，无电网同步性问题。第一条商业化的高压直流输电线路于1954年在瑞典建成，目前世界各地尤其是欧洲、美洲以及中国已有多条建成的直流输电项目。在电力系统中，直流输电工程的主要应用场景包括：点对点长距离传输（特高压直流）、海底电缆（海风柔直）、大电网联接与隔绝（直流联网）等其中，结合当下我国推进新型电力系统的建设进程，西部区域的陆上复合型能源大基地（风光水、风光火储、风光水储等）分批次滚动推进，与东部方向的远海风电项目规模化开发带来的大容量、长距离输电需求，我们预计特高压直流项目（含直流混合项目）与海风柔直项目有望迎来批量建设的高景气周期。特高压直流及直流混合项目特高压直流输电（UHVDC）是指±80OkV（±750kV）及以上电压等级的直流输电及相关技术。特高压直流输电的主要特点是输送容量大、输电距离远、电压等级高，可用于电力系统非同步联网。2017年8月中国第一条清洁能源外送工程，青海至河南特高压直流输电工程启动,由此标志着特高压直流工程服务以风光水储为主体的能源基地项目经验得以实现。特高压直流是大规模能源转移的重要通道，是解决跨区输电的最佳解决方案。在中国电力需求长期增长的背景下，能源与负荷的逆向分布特性凸显：根据国家电网统计数据，我国80%以上的能源资源分布在西部、北部，但75%电力消费集中在东部、中部，供需相距800-300Okm,能源在空间上的大范围优化配置势在必行。直流特高压定位于西部水电基地、大煤电基地和风光大基地的远距离、大容量外送，凭借三大优势：1）远距离输电的经济性（远距离场景成本低于交流），2）可以用于非同步电网互联，3）有利于电网事故隔离并控制风险，成为解决跨区输电的最佳解决方案，且伴随我国较早地推进特高压大规模建设，而具备了丰富的项目开发经验和基本实现国产化的特高压产业链，可以有力支撑我国持续推进特高压建设以服务能源转型战略及能源安全要求。多直流馈入为长三角及珠三角地区带来风险，威胁电网运行安全。根据南瑞继保统计，截至2023年11月，我国已投运和在建的直流输电工程达到50条以上，居世界首位，形成复杂的大型交直流并联电网。长三角及珠三角地区已成为多直流密集馈入的受端电网，带来的风险在于：1）负荷中心普遍存在动态无功支撑不足问题；2）多回常规直流同时换相失败严重威胁电网运行安全。混合直流输电系统是解决动态无功支撑、换相问题的有效手段，目前逐步投入使用。为了解决上述问题，混合直流输电系统被投入使用，其主要由送端采用的LCC电流源换流器，及受端采用的VSC电压源换流器共同构成，兼具常规直流输电和柔性直流输电两者的优点：1）传输容量大，支撑我国电力大范围转移战略；2）无功动态支撑强，无连锁换相失败风险，解决多落点地区稳定性问题。在实际投运案例中，乌东德昆柳龙输电工程采用特高压三端混合直流输电方案，白鹤滩-江苏输电工程采用了混合级联特高压直流输电方案，此二者是目前混合直流输电方案的标志性案例。考虑到混合直流输电方案不仅可有效解决多直流馈入问题，而且可实现新能源的高效接入，我们预计该技术前景广阔，在西电东送项目中渗透率有望进一步提升。柔性直流项目：柔直直流技术介绍柔性直流技术（VSG-HVDC）是一种以自关断器件和脉宽调制（PWM）技术为基础的新型输电技术。其主要由送端换流站（整流站）、直流输电线路、受端换流站（逆变站）构成。传统高压直流输电所采用的换流器以晶闸管为基础，成本高且消耗大量无功功率。晶闸管属于半控型元件，无自关断能力且换相过程需要借助于外部交流电压，只能在有源逆变状态下工作。首先，该技术要求受端系统有足够大的短路容量，以免换相失败导致输电中断，甚至电网崩溃；其次，换相过程产生大量低频谐波，需要额外的滤波装置；最后，换流器需要吸收大量无功功率，因此换流站需要建设与之相匹配的无功补偿装置。相比之下，柔性直流技术的优势体现在：1）直流输电线路损耗小；2）无电网同步性问题；3）具备自关断能力；4）在不改变电压极性的前提下改变潮流方向；5）独立控制有功/无功功率。表1：常规直流输电与柔性直流修电技术的设备对比器件常规亶流,电柔性直流，电换流阀设备晶闸管,非可关断元件，依靠交流母线IGBT,可关断元件，通过PWM控制通断.电压过零实现关断无需换向电流稳流设备平波电抗器、直流滤波器直流电容器通信系统需要不霭要功率控制不能独立控制无功，需要无功补偿设备有功、无功独立控制，无需无功补偿设备自上世纪90年代以来，电力电子技术的发展给直流输电技术带来了新的变革。具备自关断能力的全控型半导体元件，如绝缘栅双极晶体管（IGBT）,成为了传统半控型晶闸管的有力竞争者。基于IGBT的换流器以脉冲宽度调制（PWM）技术为理论基础，可以独立调节有功和无功功率，换流过程中不产生低频谐波。采用基于IGBT的电压源换流阀的柔性直流输电技术（VSC-HVDC）应运而生。柔性直流输电系统的换流站主要包括电压源换流器、电抗器、控制保护系统等。柔性直流主要应用场景分布式能源并网针对分布式能源系统中常见的风能、太阳能等可再生能源具备间歇性、出力不稳定的特性，柔性直流输电技术在分布式能源并网中有着得天独厚的优势。直流输电技术本身具备着无需考虑电网同步的特性，而柔性直流技术相比于常规直流输电技术又具备着潮流控制迅速、不改变极性的前提下可以改变潮流流向的特点。柔性直流输电技术具备进行动态无功补偿的能力，可以提高系统的电压稳定性，并且多条柔性直流可以同时运行。发展分布式能源是2030年前碳达峰行动方案的重要内容之一，风电、太阳能发电的发展将秉承集中式与分布式并举、陆海并重、风光互补的原则，我们预计到2030年，风电、太阳能的装机容量达到12亿千瓦以上。方案明确提出，提升电力系统的综合调节能力，加快灵活电网建设，积极发展储能，支持分布式能源合理配置储能等。可以预见，在未来几年我国分布式能源的规模将有着广阔的发展空间，柔性直流输电技术因其潮流控制灵活，可提高系统稳定性而在分布式能源并网的大背景下有着广阔的应用前景。城市供电在大城市供电方面，柔性直流输电最大的优势是可以实现故障隔离。城市负荷密度很高，且以交流电网为主，有较大的短路容量，当主干线路短路时，很可能超出短路电流的限制。采用柔性直流输电技术构建主干线路的场景下，当一侧交流电网发生故障时不会通过直流电路提供短路电流，从而实现了故障隔离。另一方面，与交流输电相比，直流线缆方便维护，传输距离长，中心城区甚至无需变电站，节约城市用地。另一方面，根据微信公众号直流输电的数据显示，柔性直流技术的换流站相比于常规直流输电，无需无功补偿装置，占地面积同等容量下小20%o交流电网背靠背工程，实现交流电力系统的异步连接背靠背输电系统是指输电线路长度为零，整流侧和逆变侧的同一个换流站内的两端直流输电系统。其意义在于异步连接两个交流电力系统，实现电网的解列。相比于常规直流输电，一方面，柔性直流输电可以独立调节有功和无功功率，不需要额外的无功补偿，能够提供更高的电能质量，换流站占地面积小；另一方面，柔性直流输电基于PWM技术实现换流，原理上不存在换相失败的问题，发生闭锁故障的风险很小。2016年8月，鲁西背靠背直流工程柔直单元建成投运，鲁西工程是首次采用大容量柔直和常规直流组合的背靠背直流工程，为大容量、高电压的背靠背直流工程发展提供了参考。孤岛系统供电柔直输电的换流阀采用IGBT,具备自关断能力，可实现电能的灵活双向调配，直接向无源系统供电。对于采用分布式电源的孤岛系统，为了提升孤岛系统的供电可靠性，以及考虑风能、太阳能等分布式能源的接入，常需要采用多端直流技术，以此实现多个交流系统的不同步连接。在出现潮流反转时，柔性直流输电技术不需要电压极性的改变，仅通过换流器的控制便可以改变功率的传输方向，方便分布式能源的多余电能反馈给配网系统。2014年7月，我国的舟山五端柔性直流输电工程建成投产，验证了多端柔性直流用于海岛供电的可靠性和灵活性，为后续发展提供了样本。海上风电并网相比于高压交流输电，柔性直流输电具备占地小、结构紧凑、模块化结构、易于施工建设、控制灵活、不受输送距离制约等优势。对于离岸距离较远、规模较大的海上风电场，柔性直流输电技术有着明显的优势。柔性直流输电是目前实现海上风电并网最友好的技术手段。风电场以直流形式接入电网，实现了电源与电网的隔离，防止故障传导，进而可以防止出现系统电压震荡、攻角失稳以及风电场失速等现象。柔性直流输电技术具备控制无功功率的能力，可以提高并网系统稳定性，同时避免无功补偿装置的投资。另外，柔性直流输电可以实现多端直流输电系统，提高风能利用率，减少线路走廊施工环节等，并为风电场的扩建预留了空间。柔性直流发展历程柔性直流输电最初由ABB公司于1997年在瑞典建成首个工业性试验系统，输电功率为3MW,电压等级为±10kV,输电距离为10km。柔性直流技术的发展可以划分为两个阶段：第一阶段是上世纪90年代至2010年，这一阶段所采用的换流器是二电平或三电平电压源换流器（VSC）,其基本理论是PWM理论，柔直技术在此期间基本上被ABB公司垄断;第二阶段是2010年至今,其基本标志是2010年在美国旧金山投运的TransBayCable柔直输电工程，由西门子公司承建，其所采用的换流器是模块化多电平换流器（MMC）,基本理论是阶梯波逼近。我国对于柔性直流输电工程技术方面的研究可以追溯到2006年左右，国网智研院指定柔性直流输电系统关键技术研究框架，标志着柔性直流技术研究的正式启动。2011年我国首条柔性直流输电示范工程在上海南汇投运，标志着我国柔性直流输电技术高速发展的开端。行业分析：大基地开启特高压空间，海风催化柔直发展大基地滚动开发，特高压持续落地随着“双碳”目标的提出和新型电力系统建设的不断深入，在支持原有能源大基地建设、服务“西电东送”大方针的基础上，以风光为主体、辅以调峰电源的由多种类型电源构成的复合型能源大基地建设进入滚动开发阶段；在此基础上，形成了我国特高压持续建设的产业背景。本轮特高压建设提速自2022年8月始据上海证券报报道，彼时国家电网宣布全力推进重大项目建设，并明确了分阶段特高压项目实施节奏：1）开工建设“四交四直”特高压工程（金上一湖北、陇东一山东、宁夏一湖南、哈密一重庆直流以及武汉一南昌、张北一胜利、川渝和黄石交流），总投资超过1500亿元；2）加快推进“一交五直”等特高压工程前期工作（大同一天津南交流以及陕西一安徽、陕西一河南、蒙西一京津冀、甘肃一浙江、藏电送粤直流），总投资约1100亿元；3）全力做好沙漠戈壁荒漠大型风光电基地5个送出通道方案研究，超前谋划项目储备，为进一步扩大有效投资奠定基础。自进入2023年以来，国家电网已经实现四条特高压直流项目的开工以及相应设备招标工作；结合国家电网招标计划，陕北安徽、陕西河南等项目在2023年上半年逐步开启可研、勘探工作，有望于2024年完成可研，进入开工阶段。同时，特高压直流项目与柔性直流技术融合的特高压直流混合项目加速落地蒙西京津冀、甘肃浙江两条线路在可研招标文件中披露将采用上述技术路线。目前我国以国家规划为主的沙戈荒风光大基地已经启动了三批，根据光伏们网站对全国各地风光大基地建设规划的统计，全国22省已明确规划的大基地规模约495GW；其中，新疆、甘肃、青海、内蒙古、山西、山东、黑龙江、陕西等地其大基地规划规模均超30GW,山东、内蒙古超过50GWo结合光伏们网站已统计的能源基地建设规划，考虑到目前建成、在建、待建的特高压项目外送能力与实际建设节奏，我们预计“十五五”期间特高压工程仍存在较强的建设需求。特高压招标显著增长，主网投资持续上行。截至2023年10月底，国家电网共计公布2023年前五次特高压设备中标候选人情况,合计招标规模达到383亿元。本年度仅前两批设备采购规模已经超过去年全部特高压设备采购规模；根据国家电网电子商务平台公布的中标情况显示，其中，第三批次招标金额（149.53亿元）、第五批次招标金额（88.21亿元）继续保持较高采购规模，叠加2023年国网共有八个批次的特高压招标采购计划，我们预计全年特高压相关招标规模将显著增长。考虑到特高压设备的交付周期，预计上述特高压招标增长，将利好未来1-2年内特高压产业链设备企业业绩表现。图4：2022年特高压设备招标情况铁塔导地线IlOOoKV组合电器10OOkV变压器10OOkV电抗器电抗器其他组合电器柔直与远海海风相配，有望发展提速柔性直流技术与远海风电项目的大规模发展需求较为匹配。目前，海风输电成为我国柔性直流输电项目建设的主要驱动之一。若采用交流送出，由于电缆电容效应明显，末端电压显著抬升，超过设备安全极限,且装机容量越大、电压等级越高、海缆长度越长，电压超标问题越严重；若采用直流送出，则由于海上风电无附属交流电源，属于典型的孤岛电网，常规直流无法正常运行。柔性直流技术与海上风电的发展特性较为匹配，随着深远海风电场景增多，柔直海缆大容量长距离传输、输送灵活及扩展度高、线路及海域占用更少的特点将得到充分体现。各沿海省份“十四五”海上风电规划超60GW,有望带动柔性直流输电渗透率提高。2022年，各沿海省份集中响应中央“十四五”可再生能源发展规划，积极推出海上风电“十四五”建设规划。结合各地方政府官网公布的规划数据，目前国内海上风电规划装机容量已经超过60GW,其中，广东以17GW位居第一，海南、山东、江苏、浙江等紧随其后。我们预计柔性直流海缆将显著受益于深远海风电的开发，随着各地“十四五”海上风电装机的落实，柔直渗透率有望加速提高。柔性直流输电是解决消纳问题的重要手段之一，有望随着新能源渗透率提升而持续发展。柔性直流输电凭借其兼容并蓄地精准控制电能潮流的方向、大小，还可提供无功支持的特性，成为目前新能源并网、电网平衡的法宝。风光新能源发电的随机性、间歇性和波动性给电力系统带来消纳挑战，而柔性直流技术在承担电能输送的任务同时，不但不会给交流电网产生冲击，还可以参与电网平衡控制，接受调度指令参与调节。随着消纳问题日渐突出，我们预计未来柔性直流输电亦将成为解决新能源消纳的重要途径之一，未来渗透率有望进一步提升。产业链布局：围绕核心装备，关注国产化“查缺补漏”特高压直流产业链梳理：龙头地位稳固，国产化仍有新机遇竞争态势集中，细分龙头地位稳固。从2023年前五次特高压招标关键设备份额看，国电南瑞在换流阀及直流控制保护系统头部优势明显，同时换流阀领域主要三家供应商国电南瑞、许继电气及中国西电格局稳固。另外，平高电气、思源电气分别在组合电器、电容器领域占据优势。在变压器分项中，特高压IOoOkV交流变压器与柔直换流变压器分别由特变电工、中国西电占据领先地位。从前五次招标总中标金额上看，中国西电、特变电工、山东电工分别以75/43/37亿元占据前三，对应总中标份额20%11%10%,其余如保变电气、国电南瑞、平高电气、许继电气、思源电气等中标主要集中在各自擅长的细分领域。整体上看，特高压设备各领域格局集中态势明显，龙头企业优势有望持续。设备国产替代持续推进迎来新机遇，国产渗透率提高进一步释放业绩弹性。特高压直流穿墙套管以往主要依赖进口，是线路穿墙的载电通道,单体承载着整个系统的电压和电流，发挥绝缘和机械支撑作用。目前国内企业平高电气、中国西电均已实现直流穿墙套管国产化，其中，中国西电已为“昌吉一古泉”、“青海河南”等多条特高压线路提供相关产品，直流穿墙套管产品系列研发生产制造能力得到验证。此外，分接开关作为变压器的核心组件，起到调节负荷潮流、稳定电网电压以及增加电网调度灵活性的作用，在特高压线路中作用凸显，但此前长期依赖进口。华明装备是国内分接开关的细分龙头，2023年10月29日公司公告披露拟为陇东庆阳站换流变项目提供特高压产品，约定交付的产品数量为7台，这标志着国产品牌在分解开关领域打破了进口品牌长期以来的垄断。我们预计随着国产替代设备批量化生产落地，相关环节国产渗透率将有望进一步提升。柔性直流产业链梳理：结合具体项目，挖掘产业领先企业柔性直流技术在特高压直流混合项目、海风送出项目上逐步扩大应用，然目前整体项目数量相对有限，因此我们选取重点拆解近年来投运的主要代表性项目的规划与主要设备中标情况，以介绍目前我国柔性直流相关技术及核心设备的储备情况。图10：乌东图特高压多蜻（性*濠工程各项投费占比项目案例：乌东德昆柳龙工程柔性直流输电工程乌东德柔性直流输电工程采用±800千伏特高压三端混合直流系统，输送容量800万千瓦。工程总投资242.49亿元,线路起于昆北换流站,落点在广西柳北换流站和广东龙门换流站，途经云南、贵州、广西、广东四省区，其中昆北站为常规直流换流站，柳北和龙门站为柔性直流换流站。换流站主设备中标额为75亿元、线路材料为41.2亿元、线路建设为30.7亿元。从换流阀及阀冷却系统中标额看，荣信汇科、许继集团、国电南瑞排名前三，中标金额比例分别为24.4%24.1%20.7%,前四份额差别不大;从换流变压器和柔直变压器中标额看，特变电工及保定天威占据前二,中标金额比例分别为34.6%30.6%,较其他公司有明显领先。项目案例：三峡如东海上风电柔性直流工程三峡如东海上风电项目是亚洲首个采用柔性直流输电技术的海上风电项目。其中，三峡新能源H6、H1O海上风电项目装机容量均为400MW,中广核H8海上风电项目装机容量300MW,每个风电场内配套建造一座220kV海上升压站，H6、H10和H8三个风电场电能汇集于海上换流站后以一回±40OkV直流电缆送往陆上换流站，陆上换流站经逆变后送入江苏电网。其直流电压为±400kV,线路总长度100km,输电容量800MWo从换流阀中标额看，许继电气与荣信汇科二分天下；从变压器中标额看,中国西电以57.9%占据绝对比重，其余为特变电工所属。整体上，中标供应商情况相对分散，仅许继电气一家中标换流阀及直流耗能装置,中标金额4.27亿元排名第一，其他公司各中标一项。项目案例：白鹤滩江苏混合级联多端特高压直流输电工程我国最新投运的白鹤滩江苏±80OkV混合级联多端特高压直流输电工程整体采用常规直流技术，受端采用柔性直流技术，江苏虞城换流站是白鹤滩入苏工程的“终点站，与常规特高压换流站不同，虞城换流站低端部分采用了国际先进的柔性直流技术，高端部分则使用常规直流技术，两者结合可有效提升电网的安全稳定运行能力。工程起于四川省凉山州布拖县，止于江苏省苏州常熟市，途经四川、重庆、湖北、安徽、江苏5省（直辖市），线路全长2080公里，新建白鹤滩、虞城2座换流站。工程额定电压±800KV,总投资307亿元，于2020年11月获得国家发展改革委核准，同年12月开工建设。从中标情况上看，国电南瑞、中国西电及山东电工电气系中标项目数量及金额靠前，合计占比48.52%o从换流阀中标情况看，荣信汇科、中电普瑞（南瑞系）、南瑞继保（南瑞系）占比靠前，合计占比63.67%,其他供应商仍主要为中国西电、北京ABB、许继电气；其中，在柔直IGBT换流阀中标方面，上述三家公司三分天下。从换流变压器中标情况看，山东电力设备及特变电工位居前二，合计占比60.64%o柔性直流技术采用IGBT组成多电平换流模块，具备高可控性、灵活性、无换相失败问题、具备黑启动能力等优势，预计未来将成为远距离清洁能源送出消纳的主流选择。站内主要设备包含换流阀、换流变压器、控制保护系统、直流穿墙套管、直流避雷器、旁路开关和接地开关、直流电容器以及电抗器等；站外投资包含直流输电线路的材料、建设以及各类设计、检测等方面的投资。其中，IGBT是换流阀的核心部件，此前IGBT的供应商主要是国外厂商，包括ABB、英飞凌等；此外，国电南瑞的IGBT已经在厦门柔直鹭岛换流站项目得到挂网验证。