柔直换流阀：特高压直流“新心脏”

中泰证券研究所专业｜领先｜深度｜诚信 ｜证券研究报告｜ 特高压直流“新心脏”——柔直换流阀 2024.01.02 分析师：曾彪 执业证书编号：S0740522020001Email：zengbiao@zts.com.cn 联系人：徐梦超 Email：xumc@zts.com.cn 核心观点 2024年是柔直元年，渗透率有望快速提升。“三交九直”特高压线路中，预计24年核准的甘肃-浙江、蒙西-京津冀、藏东南-大湾区明确采用全线柔直方案。因多馈入直流地区增多，同时换相失败导致大面积停电风险增大，为保证送受两端电网安全稳定运行，未来线路有望均采用柔直技术。柔直更加适配高比例新能源基地送出，理论上可以输送100%新能源。国电南瑞柔直换流阀核心零部件4500VIGBT研制挂网运行，有望推动柔直换流阀环节降本。 柔直换流阀环节价值量相比常直约3-4倍。当前柔直技术路线中，VSC技术最为成熟，CLCC还未有特高压运行业绩，近期核准线路预计均采用VSC技术路线。根据历史中标数据，换算成±800kV/8GW单线价值量，柔直阀超过60亿元，是常规阀的4-5倍，考虑到换流阀技术成熟度和标准化提升，以及IGBT等核心零部件国产化后，价值量下降，预计为常直的3-4倍。 2025-2027年是柔直业绩集中兑现期。柔直线路和常直线路建设周期相似，预计2025-2027年是柔直阀业绩集中兑现期，预测空间为44/108/136亿元。 格局稳定，国电南瑞、许继电气、荣信汇科、中国西电有望保持较高份额。根据历史中标数据，国电南瑞/荣信汇科/许继电气中标率为38.31%/29.68%/17.67%,结合24年常直中标情况以及各公司股东背景，预计国电南瑞有望占据一半份额，其余由许继电气、荣信汇科、中国西电、特变电工共享。 特高压柔直产业链公司受益显著，中性场景下，预计25年许继/南瑞/西电柔直贡献的利润弹性分别为43%/18%/11%。重点关注：许继电气、中国西电、国电南瑞。 风险提示：特高压规划和建设不及预期；技术路线变更；电力投资不及预期；上游器件涨价；行业规模测算偏差风险；研究报 告中使用的公开资料可能存在信息滞后或更新不及时的风险。 2 目录 CONTENTSONTE 中泰所 ｜领先｜深度 1什么是柔直？为什么要用柔直？ 什么是柔直？ •直流输电：将发电厂发出的交流电，经整流器变换成直流电输送至受电端，再用逆变器将直流电变换成交流电送到受端交流电网的一种输电方式。主要由换流站、直流线路、交流侧和直流侧的电力滤波器、无功补偿装置、换流变压器、直流电抗器以及保护控制装置等构成。其中换流站是直流输电系统的核心，它完成交流和直流之间的变换。 •柔性直流输电技术（VSC-HVDCtransmission）是指基于电压源换流器的直流输电技术。柔性直流输电系统由两个或多个柔性直流换流站和连接它们的直流线路组成的柔性直流输电系统。核心区别在于换流阀是否是电压源换流器。 图表1：LCC、VSC直流输电示意图 常直阀 柔直阀 资料来源：大规模风电经LCC-HVDC送出电网的频率稳定控制策略研究，中泰证券研究所4 直流的三种技术路线,LCC、VSC、CLCC •根据直流输电换流阀技术类型，可以分为LCC（Line-CommutatedConverter，常直）、VSC（VoltageSourceConverter， 柔直）、CLCC（controllablelinecommutatedconverter，可控常直）三类。 •LCC采用晶闸管作为交直流转换的主要元件，VSC采用IGBT作为交直流转换的主要元件，CLCC采用晶闸管加旁路电路的方式进行交直流转换。 图表2：LCC拓扑结构 晶闸管 资料来源：《高压直流输电系统换相失败研究综述》、中泰证券研究所 图表3：VSC拓扑结构 IGBT 资料来源：《基于柔性直流的海上风电送出系统设计与研究》、中泰证券研究所 图表4：CLCC拓扑结构 资料来源：《新型可控电网换相换流器拓扑及其控制方法》、中泰证券研5究所 两类柔直技术路线中，目前VSC推广可能性大 •两类柔直输电技术比较：VSC推广可能性大 (1)VSC技术和CLCC技术均可以弥补LCC技术换相失败的风险。 (2)VSC技术在器件用量上更多，以昆柳龙特高压混合直流工程为例，共使用18816*2个IGBT，远高于LCC和CLCC技术，因此成本会更高。 (3)相对CLCC技术，LCC和VSC技术更加成熟，目前LCC技术在运线路最高电压等级为±1100kV（吉昌-古泉特高压直流输电，输送容量为12GW），VSC技术在运线路最高电压等级为±800kV，而CLCC技术在运线路最高电压等级为±500kV，尚不满足当前陆上直流±800kV的电压等级要求。 图表5：LCC、VSC、CLCC技术比较 关键指标 LCC技术 VSC技术 CLCC技术 输送容量 8000MW 8000MW 8000MW 器件数量 晶闸管 5000A 2880 \ 2880 1000A \ \ 2880 IGBT 3000A \ 18816 192 2000A \ 18816 4320 损耗 0.70% ≥1.2% 0.72% 有无换相失败 有 无 无 过负荷能力 1.3p.u. 1.05p.u. 1.3p.u. 目前在网运行最高电压等级 ±1100kV ±800kV ±500kV 资料来源：《新型可控电网换相换流器拓扑及其控制方法》、中泰证券研究所 6 •常直的风险 为什么要用柔直：主要解决换相失败问题 只能工作在有源逆变状态，且受端系统必须有足够大的短路容量，否则容易发生换相失败。 换流器运行时要产生大量低次谐波。 换流器需吸收大量无功功率，需要大量的滤波和无功补偿装置。 换流站占地面积大、投资大。 •什么是换相失败？ 换相失败是指由于电路故障导致晶闸管未按规定顺序开断，连续发生两次以上换相失败会导致换流阀闭锁，中断直流系统输电通道，导致线路停运。 •柔直可以解决换相失败问题，还有理论上可以100%输送新能源、无需无功补偿、减少滤波装置、占地面积小、容易实现多端等优点，但成本相对直流较高。 图表6：常直和柔直技术特点比较 比较内容 常规直流 柔性直流 核心电力电子器件 晶闸管，半控型 IGBT器件，全控型 送端电网 必须有同步机电源支撑 可以为新能源提供并网所需的电压和频率支撑 受端电网 必须是有源电网 可以是无源电网 有无换相失败风险 有 无 是否需要无功补偿 需要辅助无功补偿装置 不需要，可四象限运行 谐波装置 需要，设备多 设备少或者不需要 有功和无功功率控制 有功无功不能独立控制 有功无功可以独立控制 潮流翻转 换流站需要推出运行时，改变运行策略 可以快捷实现，无需改变控制策略 模块化程度 低 高 设备成本 低 高 占地面积 大 小 资料来源：《特高压柔性直流输电系统过电压及绝缘配合》、中泰证券研究所7 目前HVDC/UHVDC柔直项目梳理 •昆柳龙（乌东德）采用三端柔直技术，送端云南昆北站采用常直方案，受端广西柳北和广东龙门站采用柔直方案，实 现±800kV/5(3)GW输送能力，2020年投运。 •白鹤滩-江苏采用1/4柔直技术，在受端换流站低端阀厅使用了VSC技术，其余采用LCC技术，2022年投运。 图表7：柔直项目梳理 序号 工程名称 投运年份 容量/MW 直流电压/kV 接线形式 器件类型 电缆/架空线 距离/km 应用场景 1 上海南汇 2011 20 士30 对称单极 3300VIGBT 直流电缆 8 新能源并网 2 南澳多端 2013 200、100、50 士160 对称单极 3301VIGBT 架空线十直流电缆 20.6+20.2 新能源并网 3 舟山五端 2014 400、300、100×3 士200 对称单极 4500VIGBT 直流电缆 140.4 新能源并网 4 厦门工程 2015 1000 ±320 对称双极金属回线 3300VIGBT 直流电缆 10.7 城市高密度负荷中心供电 5 鲁西背靠背 2016 1000 ±350 对称单极 3300VIGBT、4500VIEGT - - 电网柔性互联 6 渝鄂背靠背 2019 1250×4 ±420 对称单极 4300VIGBT、4500VIEGT - - 电网柔性互联 7 张北直流电网工程 2020 3000 ±500 对称双极金属回线 4500VIGBT、4500VIEGT 架空线 648.2 新能源并网、无源网络供电 8 昆柳龙直流工程 2020 5000/3000 ±800 对称双极大地回线 4501VIGBT、4500VIEGT 架空线 1452 远距离架空线输电 9 如东海上风电工程 2021 1100 ±400 对称单极 4502VIGBT、4500VIEGT 海底电缆 103 新能源并网 10 广东背靠背工程 2022 1500×4 ±300 对称单极 4503VIGBT、4500VIEGT - - 电网柔性互联 11 白鹤滩工程 2022 8000 ±800 对称双极大地回线、高端换流器采用LCC、低端换流器采用VSC 4504VIGBT、4500VIEGT 架空线 2088 远距离架空线输电 12 青州海上风电送出工程 2024（预计） 2000 ±525 对称单极 4500VIGBT 海底电缆 86 新能源并网 资料来源：《柔性直流输电技术的工程应用和发展展望》、中泰证券研究所 8 目录 CONTENTSONTE 中泰所 ｜领先｜深度 1为什么24年柔直渗透率有望提升？ 多馈入直流地区增多，同时换相失败导致大面积停电风险增大 •什么是多馈入直流系统？一个地区同时接入多条直流线路，即包括送端电网也包括受端电网。 •为什么多馈入直流地区容易同时换相失败？交流系统故障是导致LCC系统换相失败的主要原因，因多条直流同时连接在 同一个交流主网上，容易受到同一交流故障影响，从而导致同时换相失败。 •同时换相失败的危害：极端情况下，导致同一地区丢失电源过多，危害电网稳定运行，甚至造成大面积停电事故。 •以华东地区为例：华东电网已接入12回（规划2回）直流特高压线路，其中，作为外来电通道的直流项目（除了舟山和厦门柔直）总输送容量达110GW（其中已建成94GW），2023年华东最高负荷接近400GW，特高压直流理论负荷占比约1/4。2019年，华东全社会用电量为1.72万亿千瓦时（20/21/22，全国全社会用电量增速分别为4%/10.7%/3.9%），假设华东和全国增速相同，估计2022年华东全社会用电量2.06万亿千瓦时，对应平均负荷235GW，特高压直流理论负荷占比超过1/3。可见，同时换相失败若造成多条“电力大动脉”停运，损失不可估量。 图表9：受端为华东地区的直流项目梳理 序号 项目名称 项目类型 项目状态 投资额 （亿元） 线路长度（公里） 输送能力 （GW） 电压等级（kV) 1 向家坝-上海 常直 已投运 233 1907 6 800 2 锦屏-苏南 常直 已投运 220 2100 7 800 3 溪洛渡-浙江金华 常直 已投运 239 2210 8 800 4 舟山五端柔直工程 柔直 已投运 42 142 1 200 5 宁东（灵州）-浙江（绍兴） 常直 已投运 237 1711 16 800 6 厦门柔直 柔直 已投运 35 11 1 320 7 晋北-江苏南京 常直 已投运 162 1119 8 800 8 锡盟-泰州 常直 已投运 254 1620 10 800 9 上海庙-山东 常直 已投运 221 1230 10 800 10 昌吉-古泉 常直 已投运 407 3305 12 1100 11 白鹤滩-江苏 混合柔直 已投运 307 2088 8 800 12 白鹤滩-浙江 常直 已