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2022年新型电力系统行业专题报告(附下载)

2022-11-24分类:电力新闻 / 电力科技来源:
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来源:国联证券,贺朝晖

报告下载链接:2022年新型电力系统行业研究报告




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1. 历经百余年,直流踏上规模化征途

1.1.十九世纪末,交流赢得电气化时代主导权

十九世纪末,以尼古拉·特斯拉为代表的交流输电阵营和以托马斯·阿尔瓦·爱 迪生为代表的直流输电阵营对开启电气化时代的技术路线进行了激烈的争论。特斯拉 利用交流电制作两相交流发电机,并使得尼亚拉水电站发出的 3750kW 功率,一直送到 40km 以外,而同期的直流发电机最大仅有 500kW 的出力,供电半径只在 30km 以内。交流输电技术率先赢得了电气化时代的主导权。

交流电为何能赢?

1)交流电可以变压:在当时,直流电被认为是无法变压的,因此 110V 小型低压 直流电的输送距离仅为 2km 以内,随后便损耗殆尽。而交流电利用电磁感应定律,仅 仅依靠铁块和匝数不同的线圈便可实现变压,获得了高电压远距离输电能力,免 去了建造大量直流发电站的困扰。2)交流电成本优势巨大:不仅免去建造大量直流发电站,交流发电机、交流变 压器、交流电动机还打通了发输用全环节,核心器件仅为导体和铁块,制造难度低, 原材料获取容易。

以当时的情形看,交流电已经能够完全胜任电气化时代发展的需要,各种终端电 器都按交流电的原则设计,庞大的交流电力系统逐渐形成,直流电接近退出历史的舞 台。

1.2.电力电子技术问世保留直流用电小天地

1904 年,正在交流电大放异彩之时,第一只利用灯泡制作的真空二极管由 约翰·安布罗斯·弗莱明发明问世,开启了电力电子技术的先河。

电力电子技术的出现使得交流电与直流电互相转换成为可能。一般称交流变直流的过程为整流、直流变交流的过程为逆变。


最早被应用的是二极管整流电路,三相全桥式的基础原理一直被沿用至今。随后 1930 年代,更大功率的水银整流器(汞弧阀)也出现了,它被广泛地应用于电解、 电车、电气轨道、直流电动机等原有场合,直流负荷也出现一些增长。但在彼时,直 流电基本只占负荷端的一小部分,交流电占据绝对统治地位。

二极管和常规的汞弧阀只要电压差为正,便可导通,因此只能用于整流,无法用 于逆变。

1.3.晶闸管开启直流输电新篇章:逆变时代

1943 年,虽然也出现了带栅极控制的汞弧阀,制成了可用于直流输电的逆变器, 但汞弧阀存在逆弧、熄弧、温控复杂、启动需预热、参数低等缺点,无法大规模应用。

直到 1957 年,美国通用电气公司研制出第一只晶闸管,逆变器才真正诞生。晶 闸管与二极管的主要区别在于多了个门极:当有正向电压差时,二极管立即导通,晶 闸管还需要门极的触发电流才能导通。

用于逆变器时,只要控制晶闸管在出现正向压差时按次序导通,便可实现输出三 相交变电流,是典型的电流源换流装置。

逆变器的出现,极大地推动了直流输电的发展。1960 年,太阳能通过逆变器第 一次并网发电,使得以可再生能源为基础的能源变革有了可能。1972 年-2000 年,世 界共有 56 项基于晶闸管的直流输电工程投入运行,电压等级最高达±600kV,输电距 离长达 1700km,直到现在,基于晶闸管的换流装置依然是高压直流输电领域的主流 技术之一。

显然,由于晶闸管只能控制导通,不能控制关断,基于它的整流逆变系统也有一 些缺点:

1)依赖强交流系统提供换相电压:晶闸管关断只能依靠反向压差自然关断,所 以交流系统必须有稳定的电压,因此只能向相对强壮的有源交流网络供电,这也叫做 有源逆变或电网换相换流器(LCC);

2)可能出现换相失败:晶闸管恢复阻断状态需要时间,如果某桥臂不能在下一 次正向压差出现前恢复阻断,那么下一次正向压差来了该桥臂就不受控制直接导通, 出现换相失败的情况。交流系统故障后,桥臂电流加大尤其容易导致连续换相失败, 使得直流系统必须关停重启;


3)功率反转只能反转电压极性:由于晶闸管反向阻断的特点,电流流向是固定 的,电流只能顺时针流转,因此,反转功率只能反正电压极性,只能关停 系统改变晶闸管触发时序后再重启,引起功率临时中断。

4)感性换流器需配置无功补偿:晶闸管阀段含饱和电抗器,呈感性换流器特性, 建立电流需从交流系统吸收大量无功功率,因此还得为交流系统配置大量无功补偿。

5)交直流波形质量较差:晶闸管开关频率只能与交流频率相同,发出的电流电 压谐波含量较大,因此得为系统配置大量交直流滤波器。

基于上述考虑,晶闸管直流输电一般只用于点到点两端大容量远距离输电用途, 无法独立存在,仅为交流主系统的有益补充。

1.4.可控关断器件大幅提升换流性能

为应对晶闸管不可关断的问题,1970-1980 年代,门极可关断晶闸管(GTO)、集 成门极换相晶闸管(IGCT)、双极型晶体管(BTJ)、场效应晶体管(MOSFET)等全控 型器件相继问世。

1980 年代后期,绝缘栅极双极型晶体管(IGBT)结合了 MOSFET 的驱动功率小、 开关速度快和 BJT 通态压降小、载流能力大等优点,成为现代电力电子技术的主要器 件。1990 年代,基于可控关断器件的电压源换流器和脉冲宽度调制技术开始用于直 流输电,我国于 2006 年将其统一命名为柔性直流输电。随着电力电子技术的不断 进步,器件性能逐渐提升,2010 年 11 月,第一个基于模块化多电平换流器(MMC) 的柔性直流输电工程于美国投运,标志着柔性直流输电技术趋于成熟。

基于 IGBT 和模块化多电平的柔直输电技术几乎解决了传统晶闸管直流的所有缺 点:

1)电压源换流器运行不依赖于交流系统:只要能给子模块电容充上电,它的运 行与交流系统电能质量无关,因此既可以向无源系统供电,也可以送不稳定的新能源, 还可以执行虚拟同步电机的控制策略。


2)可关断器件不存在换相失败的问题:自身的运行不受交流系统故障的影响。

3)支持功率即时反转:半桥结构的子模块存在多种电流通路,因此无需停电便 可依靠调整功率模块开关节奏实现功率反转。

4)容性换流器可以支撑交流高质量运行:子模块中含有大量电容,本身可以通 过改变控制策略实现收发无功,对交流系统进行调节。

5)多电平高频率(几 kHz)运作:输出波形无限接近目标值,几乎没有谐波。

当然,柔性直流输电也存在一些阶段性问题,除了损耗、成本以外,主要有以下 两个:

1)直流侧短路故障无法自清除:半桥结构的 MMC 换流器依赖子模块电容提供直 流电压,当系统直流侧发生短路故障时,无法阻止短路电流流经功率模块,为保护功 率模块,只能闭锁直流系统,开断交流系统断路器抵御故障。

2)器件承压通流能力有限:IGBT 元件电压等级和容量暂时不大,用于高压大容量输电时,只能通过更多的串并联来解决,这会带来成本大幅增加、器件一致性难以 保障、控制复杂度上升等问题。

针对第一个问题,目前已经可以通过高速直流断路器、全桥子模块、钳位双子模 块或交叉型子模块来解决问题。

针对第二个问题,需要通过大力发展压接式 IGBT、提升半导体制造工艺等途径 持续予以解决。本质上,上述问题均为成本问题。

1.5.下个百年,能源革命全面打开直流规模化空间

在国际技术路线的引导下,我国的电力发展从开始就建立了以火电和交流电为主 的用能方式。直到 1987 年,第一回 100kV 的常规直流工程才在舟山投运,1990 年, ±500kV 的葛洲坝-上海常规直流工程投运,随后,2000 年以后才有新的直流输电工 程投运。


能源革命与再电气化时代的趋势,无疑将加速直流技术的应用。从新时代的视角 来看,直流与交流技术之间也出现一些新的变化,主要体现在以下几方面:

交流隐忧浮现 1)交流存在规模化瓶颈:短路电流是电力设备最重要的耐受指标,交流电网规 模越大,短路电流越大,所有设备都会面临短路电流超标问题;另外闭环运行的交流 故障容易互相传导,从而有引发大面积故障的风险,还有电磁环网的问题。这就导致 交流电网通常会闭环设计、开环运行,仅在需要时进行开关操作重构拓扑结构。

2)交流潮流按自然阻抗分布,设备利用效率低下:传统交流设备是典型的被动 设备,可控性低,仅依靠开关进行 0-1 操作,这就导致系统阻抗特性几乎固定,潮流 分布基本依赖于负荷和电源分布。但是随着电力系统的发展,负荷的分布呈现出空间 不均、时间上也不均的特点,而未来风光电源大量进场又会引起电源在时间空间上的 分布也开始不可控。潮流分布不均引起交流设备呈现严重过载、效率低下并存的问题。

3)直流电源和直流负荷并网效率低下,影响交流系统安全:能源革命背景下, 大量直流电源如风电、光伏、电池储能等,大量直流负荷如数据中心、电动交通工具、 变频负荷等,不断涌现。直接对交流系统并网需经 2 级变换,且一般并脱网频繁,每 次并网均需相位同步,并网效率低下。大量直流装置并网同时还削弱了交流系统自身 的惯量,威胁交流系统的安全运行。为解决这个问题,要么使用更大更强的交流系统, 要么直接使用直流系统。

4)交流升降压绑定功率流向:交流变压器无法频繁、满容量换方向运行,它在 接线组别、分接开关、线圈匝数位置、保护配置均存在一些问题,频繁换方向不仅影 响变压器使用寿命,也会对交流系统造成冲击。能源革命背景下,配电网源网荷储 一体化特征明显,分布式电源在未来集中大发的可能性加大,如何收集配电网盈余电 力进行外送,实现更高层次、更加灵活的电力市场,是未来值得探究的方向。

5)交流电网稳定难度加大:交流需要电压、频率、相位、波形四重稳定性,过 去依赖于系统惯性,未来惯性削弱、规模化大电网的背景下,稳定难度越来越大。

直流优势显现


1)直流互联解决交流规模化问题:利用基于直流技术的合环装置,可以帮助交 流系统进行闭环运行。这不仅不会引起短路电流超标等问题,而且还可以实现交流电 网之间互联互济互为热备用,实现网格化的能源运输体系。

2)直流电源和直流负荷可无缝接入:大量直流电源和直流负荷直接接入直流系 统,仅需 DC/DC 一级变换,真正实现即插即用。这可以把原本分散的直流装置整合为 等效的大规模直流装置,不仅大大减少了交流与直流并网点位,而且大规模直流装置 有助于执行更多种控制策略,进而帮助交流系统稳定运行,其内部也可以实现更加灵 活稳定的运行。

3)双向直流变压器实现空间上立体化的网络架构:直流变压器可实现功率双向 运行,某区域配电网盈余电力可经直流变压器频繁地、满容量地向上级电网送电,从 而经更高电压等级的电网送至远方。结合储能与直流变压器,未来电力在时间和空间 上都可以更加平衡,实现立体网格化能源运输体系。

4)直流稳定仅需电压稳定:直流系统没有无功、频率为零,只要功率平衡电压 即可稳定,电力电子化装置控制迅速,稳定机制相对简单。

5)直流输电距离没有上限:直流不存在电感和电容,与周围的环境没有耦合影 响,架空、地下、水下输电一视同仁,只要提升电压等级,其输电距离没有理论上限。我国目前最长直流线路长达 3300km,已完全满足国内需求。

6)直流的无线电干扰、电晕、噪声等电磁环境问题均小于交流。

综合以上观点,我们认为,过去的 100 多年全球建设了以交流同步电网、水火核 等旋转电源、电动机等旋转负荷为主的电力系统。而未来的增量,将更加可能以直流 电力电子电网、风光静止电源、电池等产消负荷为主的电力系统。最终形成交直流 混合电力系统,直流技术面临很大的发展空间。(报告来源:未来智库)

2. 直流应用场景丰富,市场空间巨大

按电压等级,我们将直流初步分为高压直流(35kV 及以上)与中低压直流(10kV 及以下)。其功能与应用场景有相同也有不同。


2.1.高压直流助力远距离大容量分区互联送电

高压直流主要可用于 1)大容量点对点送电;2)电网分区互联;3)直流多端组 网;4)海上风电送出。高压直流包括特高压直流,特高压直流受制于全控型功率器 件 IGBT 的制造水平,目前几乎全部采用了基于晶闸管的常规直流技术,几乎全部用 于点对点单向送电,以及不常换方向运行的电网互联(如云贵、灵宝、高岭、黑河、 闽粤互联等)。截止至2022年3月底,我国已经或即将建成的高压直流工程如下所示:

高压直流用于大容量点对点送电

1)市场空间:我国能源分布不均,西电东送需求迫切。根据国家发改委和能源 局《以沙漠、戈壁、荒漠地区为重点的大型风电光伏基地规划布局方案》,十四五期 间将新增电力外送需求 15000 万 kW,十五五期间将新增 16500 万 kW,而现存外送通 道送电能力总计 9400 万 kW,其中仅剩约 4000 万 kW 尚未利用,因此,两个五年外送 通道缺口达 27500 万 kW,折合 800 万 kW 特高压通道约 34 条。这还没有计算东北、 西南等地送出需要,实际需求可能更高。

2)技术选择:过去高压直流尤其是特高压直流在点对点送电均采用了常规直流 技术方案。由于常规直流存在换相失败的风险,因此在多条直流馈入受端交流电网的 情况下,故障易引发连续换相失败导致多条直流连续闭锁,从而引发大级别电网事故。

另外送端也存在交流电网薄弱、无功支撑不足,大量新能源并网,更加容易引起 当地交流系统电压波动,从而导致送端换相失败。

采用全柔直当然是技术上的更优选择,但目前功率器件尚未达到 800kV、800MW 的实用要求。因此中短期内将更多采用水火风光打捆送出、常柔混合技术、受端分 区、多配 SVG 和调相机等电压和惯性支撑设备,来抵御和缓和换相失败带来的不利 结果。器件和成本达标后,可直接采用全柔直技术根治此问题。


高压直流用于电网分区互联

未来,电网之间互济的需求会愈发强烈,且功率将频繁转向,因此这个场景几乎 会全部采用柔性直流技术,并适用于 35kV-500kV 的交流电网。

过去的典型案例包括渝鄂背靠背、鲁西背靠背、广东背靠背等。未来例如北京、 江苏、以及区域电网之间,均存在柔直分区互联的设想。

高压直流用于直流多端组网

分区互联可视为两端组网,直流多端组网是电网分区联运的高级形态,借助直流 远距离、低损耗输电的特点,可实现更远分区、更大范围之间的互联互济。

多端直流系统的高效运行依赖于直流断路器技术的发展。我国 2016 年底由联研 院自主研发的 200kV 高压直流断路器应用于舟山五端柔直系统,实现了带电投退、故 障快速隔离与恢复的功能,工程可用率从 87%提升至 99%。2020 年投运的张北多端柔 直工程不仅将系统电压等级提升至 500kV,同时实现了 500kV 直流断路器的研制与投 运,代表我国的柔性直流技术站上世界前列。

未来在柔直技术和成本越发成熟的条件下,多端柔直工程在地区级电网中有望得 到更多应用。

高压直流用于海上风电送出

由于交流海缆与海水之间的电容效应,使得系统首末端面临严重的过电压,需要 加装并联电抗器予以抵消。但随着海缆长度加大,并联电抗器的成本也随之上升。由 于电容效应与系统频率有关,频率越低,容性效应越小,因此可采用低频交流或直流 (零频率)以实现更远的海上风电输电距离。

以 50Hz 交流与直流进行对比,一般 70km 可作为输电经济性的分界点,大于 70km 采用直流输电更具性价比。由于海上没有交流系统,风机本身无法提供常规直流所需 的换相电压,因此只能采用柔性直流技术。我国目前已经实施±160kV 南澳、±400kV 如东海风柔直工程,未来,射阳、青州等海上风电场均存在柔直并网的需要。


2.2.中低压直流支撑配电网高效智能运行

中低压直流主要用于 10kV 及以下的配电网,是中低压配电网实现清洁低碳、 安全可控、灵活高效、智能友好、开放互动的重要基础性技术和装置。由于电压等 级较低,功率器件限制较小,且中低压配电网源网荷储一体化使得功率流向更加 复杂,因此柔直技术是中低压直流的不二选择。

中低压直流的主要应用形态包括:1)单端整流逆变;2)交流合环运行;3)交 直流多端混合运行。

中低压直流显著改善配电网的运行效率

1)实现直流源荷储灵活接入

中低压直流系统可带直流母线和直流出线,系统附近的直流装置如分布式光伏、 电池储能、充电桩、数据中心等可以无缝接入,免去 DC/AC 变换以及并网过程。集中 起来通过柔直装置与交流连接,不仅平滑了直流功率波动,而且减小了反复并脱网对 交流系统的冲击。

2)实现交流闭环运行

交流配电网闭环运行是个难题,既要发挥交流功率自由流动的作用,又要限制短 路电流,避免故障传导引起大面积停电。利用柔直合环装置,可以实现交流系统互为 热备用,由于功率连续可调,该装置相当于是一个 0-1 连续可变的状态开关。如果是 多端系统,则可实现更大范围的互相备用,实现能源路由的功能。

3)实现负载均衡

传统交流配电网的线路和变压器利用率基本都不均匀,资产利用效率低下。利用 柔直装置,实现多台变压器向一个片区联合供电,可避免无限制地扩大交流容量,最 大化地发挥了存量交流设备资产的价值。


4)实现事故紧急支援

当某侧交流系统上级电源故障,功率大减时,其他交流或直流系统通过柔直装置 可实现毫秒级快速功率支援,往往还不到半个周波,供电质量与可靠性得到极大提升。

5)实现对交流系统无功补偿

由于柔直装置为容性装置,且可以进行有功无功解耦独立控制,因此,当控制有 功为零,无功为正值或负值时,就相当于一个 SVG,帮助交流系统稳定电压。

6)实现隔墙售电与电力零售市场的功能

由于交流系统与直流源荷互相之间都是热连接、功率连续可控的,这对于配电网 内部、配电网之间实现电力交易有重要意义。

中低压直流正逐渐成为配电网常规技术方案

我国中低压直流装备研发地较早,2018 年已实现一批项目落地。目前中低压直 流技术正不断地向基层技术部门渗透,优良的技术特点、合理的性价比有望使其得到 更多的采纳与应用。

目前国内已实施及正在实施的项目统计如下,进入 2022 年后,不 少项目已经没有示范或试点的字样,正逐渐成为一种常规技术方案。

中低压直流项目形态多样

根据项目的规模及定位,可能以多个站点、多个预制舱或单个集装箱的形式存在。如珠海唐家湾与苏州同里的项目均有站点建设,而杭州大江东和宁波北仑均建成预制 舱或集装箱。另外由于是中低压项目,许多项目并不全部由电网企业投资,园区、企 业等其他主体也会利用直流技术优化内部配网结构。


2.3.新型电力系统政策助力实现交直流混合电网

2016 年,国家发改委国家能源局印发《能源技术革命创新行动计划(2016-2030 年)》(发改能源[2016]513 号),其中:

(第十三条)现代电网关键技术创新提出掌握柔性直流输配电技术、新型大容 量高压电力电子元器件技术;开展直流电网技术、未来电网电力传输技术的研究和试 验示范;

(第十四条)能源互联网技术创新提出加强能源智能传输技术创新,重点研究 多能协同综合能源网络、智能网络的协同控制等技术,以及能源路由器、能源交换机 等核心装备。

2022 年 3 月 22 日,国家发改委国家能源局印发《十四五现代能源体系规划》 (发改能源〔2022〕210 号),其中提出完善区域电网主网架结构,推动电网之间 柔性可控互联,构建规模合理、分层分区、安全可靠的电力系统,提升电网适应新 能源的动态稳定水平。…稳步推广柔性直流输电。

国家电网公司在 2021 年 4 月发布的《国家电网公司能源互联网规划》中提出充 分利用柔性配电、虚拟电厂、电化学储能、有序充电等技术,加强配电网互联互通和 智能控制。

国家电网公司又在 2021 年 7 月发布的《构建以新能源为主体的新型电力系统行 动方案(2021-2030)》中提出交流与直流、大电网与微电网协调发展、推进…柔 性输电技术进步和规模化应用,试验示范直流组网等技术。

南方电网公司在 2021 年 5 月发布的《南方电网公司建设新型电力系统行动方案 (2021-2030 年)》中提出建设‘合理分区、柔性互联、安全可控、开放互济’的主 网架,…,适时通过柔性直流互联技术构建 2 到 4 个分区电网、推进新型电力系统 先进电气装备研究,重点开展柔性直流海上换流平台、直流配用电装备、…。

2022 年 4 月 2 日,国家能源局科学技术部印发《十四五能源领域科技创新规 划》(国能发科技〔2021〕58 号),直流技术将作为支撑建设适应大规模可再生能 源和分布式电源友好并网、源网荷双向互动、智能高效的先进电网;突破能量型、功率型等储能本体及系统集成关键技术和核心装备的关键。

从国家政策与两网公司的表述看、从直流技术自身的特点看,未来有望建成交 直流混合电网。


2.4.交直流混合电网打开直流装备市场空间

依据国家相关规划以及 2020 年底的交流电网规模,我们测算两个五年期间, 直流装机新增容量可达约 14 亿 kW,产生约 857 亿功率模块市场,产生约 2526 亿换 流阀市场,撬动直流站点基建投资规模达 11632 亿元。(报告来源:未来智库)

3. 直流核心设备壁垒高筑、格局优良

直流核心设备为电力电子化的设备,主要包括换流阀、直流变压器、直流断路器、 以及配网柔直成套设备。直流工程还需要一些与交流系统不同的关键设备,如换流变 压器、直流电抗器、直流穿墙套管、直流消能装置等。无论是核心设备还是关键辅助 设备,其制造壁垒均很高,目前仅有少数厂家参与竞争。

3.1.换流阀是实现交直流转换的核心设备

由于交流系统存量规模庞大,新增直流系统必然要与现存交流系统进行连接,换 流阀将是最先受益的设备品种。

一个三相全桥的换流阀有 6 个桥臂,每个桥臂有若干个阀塔,每个阀塔由若干层 阀模块组成,每个阀模块由若干个子模块组成。子模块是换流阀的核心单元,除此之 外,阀塔的结构尺寸、绝缘、均压、屏蔽、导体回路、冷却回路和光纤通信回路等方 面均需特别考虑。

为节约制造成本,目前子模块普遍采用半桥结构,一次部分包括 2 个 IGBT 模块、 2 个反并联二极管、直流电容、均压电阻、旁路开关、旁路晶闸管以及作为导体连接 的母排,二次部分包括子模块控制板、IGBT 驱动板和电源板。

根据我们的估算,换流阀成本中,IGBT 模块约占 35%,直流电容约占 35%,是成 本中心,其余如晶闸管、二极管、旁路开关、均压电阻、二次板卡等合计约占 15%,子模块以外的其他部分约占 15%。

中低压配网柔直中采用的换流阀为成套屏柜布置,但其基本单元仍为子模块。


3.2.直流变压器可打通直流通道

相对应换流阀实现交流与直流的连接,直流变压器则是实现不同电压等级的直流 系统互相接连的核心设备。受制于器件发展水平以及直流变压器的制造能力,目前已 经实用化的直流变压器仅为 10kV/375V 的变压器,只用于配电网。

较为典型的拓扑结构为基于双有源全桥(DAB)的变压单元。变压单元是由高压 与低压侧的电力电子模块以连接高低压的高频隔离交流变压器构成。当进行大变比变 压时,可将 DAB 变压单元的一侧并联一侧串联,从而形成 ISOP 结构。

10kV 直流变压器主要元器件为 IGBT/SiCMOS、二极管、电容、电感、高频隔离 变压器等,随着技术进步,未来有望出现更高电压等级的直流变压器。

3.3.直流断路器同为高度电力电子化装置

由于直流没有过零点,其开断难度比交流大许多,断路器基本原理也不同。ABB 于 2012 年才研制出世界首台直流断路器,国家电网公司于 2014 也攻克此项难题,并 于 2020 年提升至世界最高的 500kV 电压等级并投运于张北柔直工程,彰显了我国柔 直输电技术世界领先的地位。

目前的主流方案是采用混合型直流断路器,它由主支路、转移支路和吸收支路 构成。主支路由许多 IGBT 全桥子模块串并联和若干个高速机械开关串联而成,主要 作用是正常通流,并在故障时及时闭锁 IGBT 全桥子模块,迫使电流去转移支路,并 在电流足够小时,将高速机械开关开至绝缘位置。

转移支路由许多二极管全桥子模块串联而成,主要作用是当主支路机械开关完成 开断后,将本支路子模块中的 IGBT 闭锁,形成电容瞬时暂态过电压。

吸收支路由许多金属氧化物避雷器(MOV)构成,电容暂态过电压将触发吸收支 路避雷器导通,故障电流转移至吸收支路,暂态过电压消失后,避雷器快速恢复绝缘, 故障电流降低至零。

可见,混合型直流断路器的核心器件包括 IGBT、高速开关、二极管、直流电容、 MOV 等。


3.4.直流设备竞争格局优良,上游潜力十足

直流设备参与企业极少,竞争格局优良

由于直流设备结构复杂,国际上仅有日立 ABB、西门子、GE 三家有系统建设能力, 产能紧张,目前只有 ABB 还在做国内项目。常直换流阀国内仅有国电南瑞(南瑞继保、 中电普瑞)、许继电气、中国西电三家参与招标,柔直换流阀除上述三家外,还有荣 信汇科、特变电工参与网内市场竞争。

我们统计了目前已建的±300kV 及以上的 8 个柔直工程的换流阀供货情况,其中 国电南瑞、荣信汇科、许继电气合计份额占比 89%,是国内柔直换流阀市场的三大龙 头。

中低压柔直领域,除了上述企业外,还有四方股份、中国能建旗下的北京电力设 备总厂、和极少数民营企业,目前竞争格局也十分良好。

直流设备产业链较长,上游潜力十足

直流设备下游需求单位除了两网公司外,目前配网领域以低碳园区为代表的买家 对直流设备需求同样旺盛。直流设备中游即设备集成制造本身,目前全球不超过 10 家有高压直流的建设能 力。直流设备上游器件较多,其中最为核心的是 IGBT 和晶闸管等功率器件,以及直 流电容等被动器件。目前 3.3kV 及以下的 IGBT 国产化进度喜人,广东柔直背靠背工 程国产化比例已提升至 50%。晶闸管目前已基本实现国产替代,主要由时代电气与派 瑞股份供应。直流电容国产化比例很低,基本被国外垄断,国产替代空间较大。

4. 投资分析

4.1.公司弹性与行业趋势分析

三大直流设备龙头直流业务对利润弹性不一

三大直流设备龙头公司为国电南瑞、荣信汇科、许继电气,其中国电南瑞、许继 电气均为上市公司,截至目前,荣信汇科正在科创板 IPO 申报阶段。弹性由大至小依 次为荣信汇科、许继电气、国电南瑞。


过去两年国家电网招标采购放量支撑行业今明年业绩

根据国家电网招标采购公告次数,我们发现过去两年,招标采购次数明显上升, 尤其是 2021 年国家提出要建设以新能源为主体的新型电力系统后,招标再次走量。预计 2020Q4-2021Q4 的招标采购放量将对全行业未来两年的业绩构成支撑。

4.2.国电南瑞:直流输配电、调度、继保、信通的绝对龙头

柔性输电领域的国产化先锋 依托南瑞继保和中电普瑞,公司拥有低压至高压全部的换流阀设备制造技术,拥 有直流断路器、直流变压器等最先进的品种。公司深度参与各项示范工程建设,市场 地位和份额遥遥领先。公司与国网智研院、美国 McDermott 组成的联合体,将担任 BorWin6 海上风电柔性直流输电工程的 EPC 总包商,是国产设备走出去的重要代表。

IGBT 产业化快速发展提升综合实力

依托南瑞联研半导体,公司成为国家电网 IGBT 产业化的核心平台。公司将持续 推广 1.2-3.3kV 等级 IGBT 规模化应用,大力推进高电压大电流 IGBT 器件研发,加快 攻关压接式 IGBT 封装技术,预计 2022 年自主器件将会进行批量出货,提升公司柔性 输电业务的综合实力。

新一代调度系统迎来替换周期

调度系统随电网规模的发展会产生升级的需求,公司上一代 D5000 系统自 2010 年试点、推广,至今已过去 12 年。随着新型电力系统和电力市场的建设,调度系统面临更复杂的应用场景与更快速的响应需求,升级需求强烈。同时,配电网源网荷 储协调控制将产生新增调度系统需求,预计公司调度业务将维持高景气度。

电网信息与通信业务受益于数字化建设

公司在网内信通业务市场占有率较高,未来受到硬件需求稍有放缓,软件需求增 加的影响,公司该板块业务呈现增速下降毛利抬升的趋势,预计将持续贡献正向增长。


4.3.许继电气:集团股权变更完成,直流输配电业务释放业绩弹性

并入中国电气装备集团有望优化上市公司业务格局

2022 年 3 月 29 日,公司发布《简式权益变动报告书》公告,正式并入中国电气 装备集团。此举将优化管理体制机制,改善企业资产结构,提高产品和技术适用度, 有力推动产业链融合发展,增强国有资本竞争力、创新力、影响力及抗风险能力。

根据公司《收购报告书》,重组的中国电气装备集团旗下的上市公司平台包括中 国西电、许继电气、平高电气,综合长期资本负债率不足 8%。总集团旗下还包括实 力强劲的山东电工电气集团,拥有规模庞大的电气装备制造业务。

目前中国电气装备集团旗下各公司业务重合度较高、同业竞争情形复杂,为规 范及消除同业竞争,总集团正在研究论证电气装备业务相关企业的整合方案,未来 或将优化竞争格局,实现业务剥离、整合、与关联业务整体上市。许继电气作为集 团旗下的重要上市公司,有望从中受益。

直流输电引领业绩快速增长

公司是国内直流装备主要制造企业之一,公司在现存电压等级最高的昆柳龙、张北、渝鄂、如东等柔性直流工程中均实现换流阀中标,彰显技术实力,公司全面渗透 直流控保、直流消能、直流配网等各项直流业务。直流输电作为公司毛利最高的业务 线,未来有望拉动业绩快速成长。

智能变配电板块亮点十足

公司拥有各种一二次融合装备、智能物联终端、预制舱产品,利用先进的信息技 术为电网、新能源场站、园区等场景提供智能变配电系统解决方案,预计将持续保持 增长。


新一代智能电表迎来替换周期

智能电表大约8-10年一个周期。公司于2020年收购中电装备山东电子有限公司, 加强智能电表制造能力,景气周期下有望获得一些业绩增速。

新基建拉动充电桩业务持续发展

公司是国家电网电动汽车服务公司充换电设备的核心供应商,市场占有率稳定。充换电作为新基建内容之一,将助力公司业绩成长。

4.4.积极关注上游功率器件与直流电容行业机会

大功率 IGBT、大电流晶闸管、直流输电用金属化薄膜电容器价值含量较高,我 们预计未来 10 年功率器件和直流电容将分别形成约 800 亿的市场规模,其中十四五 期间有望分别形成约 250 亿的市场规模。

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