柔性直流输电行业深度报告：柔性直流输电规模化应用在即，产业趋势逐渐明确

证券研究报告 柔性直流输电规模化应用在即，产业趋势逐渐明确 ——柔性直流输电行业深度报告 证券分析师：曾朵红、谢哲栋 执业证书编号：S0600516080001、S0600523060001 联系邮箱：zengdh@dwzq.com.cn 联系电话：021-601997982023年12月10日 摘要 柔直输电技术是新型电力系统未来重要的输电方式。柔性直流输电（VSC-HVDC）基于电流源换流器的高压直流输电，是以IGBT等全控器件为核心功率器件的第三代直流输电技术。相比常规直流输电（LCC-HVDC），柔直输电在1）无功补偿能力、2）无需支撑电源、3）无换相失败、4）灵活的功率控制等方面具有很强的优势。 柔直技术逐渐成熟，海风柔直外送已成趋势。国内：从06年开始我国开始研究柔性直流输电技术，虽然工程实践方面国内起步较晚，但累计已建成11条柔直工程，输电容量、工程电压等级等已达到±800kV/5000MW，整体技术已经达到了国际领先。国外：欧洲海风发展较早，欧盟对海上新能源的规划达到了2050年317GW。因为欧洲远海风资源较为丰富，海上柔直输电技术起步较早，后续随着深远海风建设增加，柔直输电的渗透率有望进一步提高。 规模化应用在即，产业链市场空间弹性释放。“十四五”及“十五五”特高压规划主要围绕着清洁能源大基地的外送消纳为主，新能源的波动性+受端电网面临“强直弱交”的问题，柔性直流输电开始成为常规的特高压输电方式。随着蒙西-京津冀、甘肃-浙江这两条线路可研按照柔直方案启动编制，我们认为柔直输电技术到了规模化应用的阶段。根据我们的测算，乐观&中性预测下，23/24/25/26-30年特高压直流换流阀&海风柔直总市场空间分别为48/121/151/644&48/89/103/436亿元，市场空间弹性大。 投资建议：特高压柔性直流工程规划超预期，远海风电柔直外送趋势已定，柔直规模化建设应用有望快速启动 。柔直换流阀是单机价值量最高、技术壁垒最高的核心设备，我们看好国内柔直换流阀的头部供应商。柔直换流阀重点推荐：许继电气、国电南瑞；建议关注：荣信汇科（未上市）、中国西电。国产大容量IGBT渗透率提升，建议关注：时代电气；换流阀中直流支撑电容国产化进程加速，建议关注：白云电器、法拉电子、赛晶科技（港股）。 风险提示：特高压柔直线路规划建设不及预期、IGBT降本不及预期、竞争加剧 目录 1.柔性直流输电是新型电力系统重要工具 2.特高压柔直逐渐成熟，海风柔直外送趋势已定 3.规模化应用即将启动，产业链市场空间弹性释放 4.相关标的及投资建议 5.风险提示 什么是柔性直流输电？柔性直流输电（VSC-HVDC）主要是基于电压源换流器的高压直流输电，是以IGBT等全控器件为核心功率器件的第三代直流输电技术。柔性直流输电距今已有三十多年的发展历史，目前已在风电送出、电网互联、无源网络供电和远距离大容量输电等场景取得了充分发展和工程应用，其输电能力已经达到特高压等级。 柔性直流输电系统核心设备包括柔直换流阀、直流控保、柔直换流变。其中，换流阀是直流电和交流电相互 转化的桥梁，其核心是将IGBT驱动板卡、水熔板等压接在一起组合成的一个完整柔直模块。 图柔直技术示意图图鲁西柔直工程换流阀示意图 与常规直流输电相比，柔性直流输电有一系列突出优势：1）无需无功补偿，谐波水平低。柔性直流输电采用IGBT，无需交流侧提供换相电流和反向电压，从而避免了大量的无功消耗，并节省用地；2）无需依赖有源电网。柔性直流输电受端系统可以是无源网络，因此可以向孤岛供电 ，常规直流系统则需要依靠电网完成换相，需要较强的有源交流系统支撑；3）无换相失败的风险。开通和关断时间可控，与电流的方向无关；4）适合构成多端系统。柔性直流输电系统可以通过改变单端电流方向来改变潮流的方向，便捷而又快速；5）传输功率可独立控制。 图常直输电与柔直输电比较 伴随特高压交直流快速发展，“强直弱交”问题突出，电网安全面临挑战。“强直弱交”的特点会导致系统短路容量较低，电压稳定问题严重，为避免大规模新能源脱网，会采取限制直流输送功率及新能源出力水平的措施。 常规直流输电常常发生“换相失败”。“换相”是直流转换为交流的关键环节，由于交、直流系统间的交互影响，受端交流电网常规故障导致的直流换相失败，在对受端造成巨大有功、无功冲击的同时，会将能量冲击传递到送端，严重情况下甚至可能造成送端系统稳定破坏。 图全国跨区交直流混联网络 图换相失败机理分析图“强直弱交”威胁电网稳定性 直流输电建设可分为换流站建设和中间线路建设两部分，而换流站主设备中以换流阀最为关键。换流阀是换流站的核心设备之一，起到交流/直流转换的作用，在送端将交流电转化为直流电，在受端将直流电转换为交流电。 IGBT是柔直换流阀的核心换流元器件。常规换流阀以晶闸管等半控型电力电子元件为核心器件，柔直换流阀主要为MMC模块化多电平换流器，其以IGBT等全控型电力电子元件为核心功率器件，控制技术更加复杂，但运行特性更灵活，可实现”四象限运行“，适用于远海风电送出、孤岛供电、混合直流输电等场景。 图柔直换流阀拓扑及组成 图常直到柔直换流阀的演变 构建以新能源为主体的新型电力系统需要灵活的柔性直流输电技术支撑。柔性直流输电技术的可控性、灵活性更强，不需要交流系统支撑换相，甚至可不依赖交流电网，以孤岛方式实现100%新能源汇集，并可为交流电网提供动态支撑，其规模化应用将随着经济性的进一步改善大大加快，助力新能源接入电网比例大幅提升。 图新型电力系统对灵活性的要求 9 9 目录 1.柔性直流输电是新型电力系统重要工具 2.特高压柔直逐渐成熟，海风柔直外送趋势已定 3.规模化应用即将启动，产业链市场空间弹性释放 4.相关标的及投资建议 5.风险提示 源于2006年国网智研院牵头制定的技术框架，多项工程世界领先。我国柔直技术发展始于2006 年国网智研院，随后发展迅猛，创下多个“世界首个”工程，技术积淀雄厚。 图我国柔直技术发展历程 国内柔直工程起步较晚但发展较快，国内外均向特高压、大容量发展。海外柔直工程始于1997年，国内则始于2010年，但在电压和容量上国内后来居上，已经向±800kV/5GW级发展，海外工程也已向±600kV/2GW级迈进，特高压+大容量为国内外柔直发展的必然趋势。 图柔直发展趋势 电压等级/kV 乌东德-广西-广东多端混合直流 3000MW+5000MW 白鹤滩-江苏混合级联直流 ±800 ±600 ±400 输送容量：10MW—200MW—1000MW—3000MW—5000MW 4000MW 海外工程 中国工程 渝鄂背靠背 4*1250MW 张北工程 3000MW INEFLE 厦门 鲁西背靠背 1000MW 1000MW1000MW NordLink 1400MW CrosssoundcableTransbaycable 330MW Hellsjon10MW 400MW 南汇 20MW 海油平台供电 10MW CaithnessMoray1200MW 舟山多端工程 400MW 南澳多端工程 200MW ±200 0 1997 2002 2010 2013 2016 2020 十年磨一剑，我国特高压柔直输电技术已世界领先。自11年我国首个自主设计研发建设的柔直工程-上海南汇风电工程并网投运，代表着柔直技术开始向工程推广迈进。截至23年10月，我国已累计投运11条柔直输电工程，电压等级最高达到了±800kV，在新能源外送、电网互联互济、孤岛送电等场景实现应用。 序号 柔性直流项目 投运时间 电压等级/kV 最大单端容量/MW 应用场景 换流阀中标厂家/容量 1 上海南汇风电柔直工程 2011 ±30 20 新能源送出 中电普瑞：40MW中国西电：200MW 图我国已投运柔直工程 23 南澳多端柔性直流工程舟山多端柔直工程 20132014 ±160±200 200400 新能源送出南瑞继保：200MW 南瑞继保：800MW 孤岛供电 许继集团：200MW 4 厦门柔性直流工程 2015 ±320 1000 孤岛供电 中电普瑞：2000MW 5鲁西背靠背柔直工程2016±3501000电网互联互济中国西电：1000MW 荣信汇科：1000MW 6 渝鄂背靠背柔性直流工程 2019 ±420 4×1250 电网互联互济 许继集团：5000MW 荣信汇科：2500MW中电普瑞：2500MW 7张北柔性直流工程2020±5003000新能源送出 ABB四方：1500MW 8 乌东德柔直工程 2020 ±800 8000 西电东送 荣信汇科：2500MW 许继电气：2500MW南瑞继保：1500MW特变电工：1500MW 许继电气：1500MW南瑞继保：3000MW中电普瑞：3000MW 9如东海风柔直工程2021±4001100新能源送出荣信汇科：1100MW 许继电气：1100MW 10 广东电网背靠背柔直工程 2022 ±300 4×1500 电网互联互济 荣信汇科：6000MW 南瑞继保：6000MW 11白鹤滩-江苏特高压直流输电2022±8008000西电东送 荣信汇科：2000MW 中电普瑞：2000MW南瑞继保：2000MW 换流阀作为柔性直流输电的“心脏”，是单机价值量和技术水平最高的设备，格局更为集中。 国内主要的柔直换流阀供应商主要为：国电南瑞（中电普瑞、南瑞继保）、荣信汇科（未上市）、许继电气（许继集团、许继电气）、ABB四方、特变电工、中国西电。其中南瑞的柔直阀投运容量份额约44%，荣信汇科&许继均有深厚的积累。 图柔直阀的市场份额（按照已投运设备容量占比，截至2023年底） 特变电工中国西电 ABB四方3%2% 3% 许继电气 19% 国电南瑞 44% 荣信汇科 29% 乌东德直流是西电东送落点珠三角地区的第10回高压直流，输送西部清洁水电到珠三角负荷中心，2018年12月开工建设，于2020年12月投运。该工程首次采用±800kV高压三端混合直流系统，输送容量8000MW。 送端云南为±800kV/8000MW常规直流换流站，受端广西侧为 ±800kV/3000MW柔性直流换流站，受端广东侧为±800kV/5000MW柔性直流换流站。 乌东德工程柔直换流站柳北站、龙门站换流阀价值量分别为14.2亿元、17.1亿元，单阀价值量分别为4.73亿元、3.42亿元，柔直变价值量分别为6.2亿元、8.6亿元 图乌东德送广东广西特高压多端直流示范工程 图昆柳龙混合直流系统主接线图 张北柔性直流电网试验示范工程是汇集和输送大规模风电、光伏、储能、抽蓄等多种形态能源的四端柔性直流电网，是北京冬奥会的电网配套项目。2018年2月开工建设，于2020年6月正式投运。 张北、康保换流站共规划接入新能源装机达6478MW，系统电压±500kV，包括张北（3000MW）、康保（1500MW）两个送端换流站，北京受端换流站（3000MW）和丰宁（1500MW）调节换流站。该工程采用4500V/3000A压接式IGBT器件、额定电压±500kV、单阀组容量1500MW的柔直换流阀。 张北工程单个±500kV/3000MW换流站总投资约为27亿元，其中换流阀和换流变的价值量占比最高，分别达到24.8%（ 6.79亿元）和13.2%（3.61亿元）。 图张北新能源基地与丰宁抽蓄、北京负荷中心呈三角分布 图张北柔性直流电网试验示范工程 白鹤滩水电站位于金沙江下游，装机容量16GW，白鹤滩-江苏特高压混合级联直流工程于2020年12月开工建设，2022年正式投运，是“西电东送”的骨干输电线路点之一。 工程额定电压±800kV，额定功率8GW，额定电流5kA。送端采用常直结构，受端采用混合级联技术方案，高端电流