研究报告 直流技术是构建新型电网物理结构形态和运行机制的重要支撑技术。高度可控的电力电子化直流设备拥有良好的应用前景、广阔的市场空间和很高的制造壁垒。我们认为中长期内,直流设备制造业存在重大投资机遇:直流设备应用场景丰富 大容量远距离点对点送电、0.4-500kV等级交流电网互联、直流组网、直流配电、远海风电送出等均是直流设备技术的应用场合,其不仅可以帮助庞大的存量交流电网更加安全稳定运行,而且可以在源荷两端发挥灵活接入的作用,还是实现多层次电力市场的基础技术。 行业研究 直流设备市场空间巨大 至2021年底,直流输送容量总计2.5亿kW,而2020年底35kV及以上交流变压容量已达76亿kVA,与“交直流混合电网”相去甚远,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。 直流核心设备竞争格局优良 直流核心设备包括换流阀、直流变压器、直流断路器,国际上仅日立ABB、西门子、GE等3家具备直流系统建设能力。国内仅有国电南瑞、许继电气、中国西电、荣信汇科、特变电工等5家具备高压直流设备制造能力。中低压直流还包括四方股份、中国能建和极少数民营企业,竞争格局同样优良。 投资建议 1)国电南瑞:作为直流输配电、调度、继保、信通的绝对龙头,我们预计公司2021-2023年营业收入分别为424/506/584亿元,归母净利润分别为55.9/67.9/83.6亿元,对应EPS分别为1/1.22/1.5元/股,对应PE分别为31x/26x/21x。首次覆盖给予“增持”评级,目标价39.18元。 2)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,我们预计公司2021-2023年营业收入分别为120/140/161亿元,归母净利润分别为7.96/10.11/12.07亿元,对应EPS分别为0.79/1.00/1.20元/股,对应PE分别为25x/20x/16x。首次覆盖给予“增持”评级,目标价24.95元。 3)积极关注上游大功率半导体与直流电容产业链,如派瑞股份、时代电气、赛晶科技、铜峰电子等。 风险提示 1)功率半导体产业持续卡脖子;2)能源革命进程受阻;3)电网基建投资放缓。 投资聚焦 研究背景: 为实现“双碳”国际承诺,2021年3月15日,习近平主席在中央财经委第九次会议上指出“要深化电力体制改革,构建以新能源为主体的新型电力系统”。新型电力系统从体制机制、物理结构、主流技术等方面均面临重大边际变化。直流技术是构建新型电网物理结构形态和运行机制的重要支撑技术,不论国内还是国际,均对直流技术产业化应用需求迫切,未来10-20年,直流装备迎来规模化发展的重大机遇。 不同于市场观点: 受到历史发展带来的思维禁锢,市场认为直流约等于特高压直流,“并网”即指交流电网。这不仅误解了直流广阔应用前景,也过于强化了交流系统的地位。 我们认为,虽然中短期内,交流系统的绝对体量和地位不可动摇,能源的安全供给也必须围绕存量资产合理规划,但是,从增量与投资机会来看,直流技术的广阔成长空间无法忽视。实际上,直流与交流一样,可以成为发输配用全环节的主要能源形式,并将深刻改变电力的运行方式,尤其是随着直流变压器技术的进步,未来有望形成局部纯直流电网。 核心结论: 直流技术的发展与电力电子技术的发展息息相关,高度可控的电力电子化直流设备拥有良好的应用前景、广阔的市场空间和很高的制造壁垒,主要有以下逻辑: 直流完美适应未来能源体系:发电端风光(直流)与水火核(交流)将分庭抗礼,输配端直流将组建立体网格化的灵活能源运输体系,用电端可无缝接入直流负荷与非50Hz交流变频负荷。 直流潜在市场空间巨大:至2021年底,直流输送容量总计2.5亿kW,而2020年底35kV及以上交流变压容量已达76亿kVA,与“交直流混合电网”相去甚远,核心设备未来10年市场规模超千亿。 直流设备壁垒高筑:不同于传统交流大多使用被动设备,直流设备高度融合电力与电子技术,堪称“超大功率计算机CPU”,是构建“能源互联网”的核心基础设施,国内市场CR5>90%。 重点推荐: 国电南瑞:柔性输电领域的国产化先锋,IGBT产业化全面提升综合实力,调度信通等业务持续发展。 许继电气:直流输配电业务贡献利润增长,并入新集团打开业务优化想象空间。 积极关注大功率半导体与直流电容产业链。 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。 图表1:交流电与“旋转”紧密相连 图表2:交流电利用线圈匝数不同方便变压 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。 图表3:交直流变换过程 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。 图表4:三相全桥二极管整流电路将交流电变为直流电 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。 图表5:基于晶闸管的三相全桥整流逆变电路(逆变在右) 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,比如上图中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。 图表6:基于IGBT和模块化多电平结构的的三相换流器 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) 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