电网行业深度：柔直渗透率加速提升，把握特高压新技术大机遇

新一代直流输电技术，提升电网输送能力和安全水平。柔直系统通过两端的换流站实现两个交流网络之间的相互传送，具有控制灵活方便、扩展性好等优点，是提升可再生能源接纳能力、增强电网稳定性和灵活性、支撑电网变革的重要手段。柔性直流系统构成的核心设备包括柔性直流换流阀、电抗器、换流变压器、高压直流断路器、以及输电控制保护系统等，其中柔性直流换流阀的IGBT为最核心零部件，换流阀总价值量中占比40%-50%。 柔性直流是解决新能源消纳、长距离输送及电网安全的重要途径。优势：相较于常规直流输电有多项优势，（1）无需无功补偿，占地面积小；（2）无换相失败；（3）适用于多端系统；（4）无源网络供电。劣势：核心零部件成本高，国产替代降本空间大。核心零部件IGBT在换流阀总价值量中占比40%-50%，90%以上的IGBT器件依赖进口且价格较高，导致建设成本高昂。国产替代降本空间大。国电南瑞自主研发的4500V/3000A IGBT在张北延庆换流站一次性挂网成功，实现650V-4500V全电压等级IGBT器件自主研发；时代电气在新能源发电领域的风电变流器产品交付进度加快，在央企发电集团年度集采/框采中大部分实现入围，推动国产替代进程。 柔直应用场景多样，发展前景广阔。海外：预计2033年国外新增柔直输电工程项目将超过50个，新增容量超60GW，欧洲已提出“超级电网”计划旨在提高欧洲电网对于可再生能源的消纳与利用；国内：柔性直流输电技术已在风电送出、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，南方电网已明确提出“新建直流受端以柔性直流为主，存量直流逐步实施柔性直流改造”。由此可见，柔性直流输电是新能源并网消纳、电网互联和远距离输电的重要方式，应用场景包括陆上柔直、海风外送柔直和背靠背电网柔直互联等，发展前景十分广阔 柔直渗透率提升为换流阀厂商带来高业绩弹性。传统直流输电中，变压器的损耗和投资额占比较高，分别达到51.6%和54%，换流阀的损耗和投资额占比为36.7%和27%；柔性直流输电中，换流阀的损耗和投资额中占比较高，达到70.6%和57%，变压器的设备损耗和投资额占比为23.5%和29%。根据我们测算，以昆柳龙工程为例，柔直换流阀的价值量约是常直换流阀的5倍，有望为换流阀厂商带来更高的业绩弹性。 投资建议：新型电力系统背景下，特高压是解决风光资源禀赋&用电需求逆向分布的最优解之一，国网十四五规划“24交14直”保障特高压建设平稳推进，柔性直流技术可解决常规直流、交流特高压技术面临的多项难题，价值量有较大提升，关注受益的核心环节及标的：二次设备领先企业【国电南瑞】、变配网和直流业务弹性标的【许继电气】、特高压GIS龙头【平高电气】等。此外，核心元件国产化进程近年来也正在加快，建议重点关注【时代电气】、【派瑞股份】、【法拉电子】等。 风险提示：电网投资推进不及预期；原材料价格波动幅度超预期；柔直新技术推广进程不及预期等。 1新一代直流输电技术，提升电网输送能力和安全水平 柔性直流输电（VSC-HVDC）是一种继交流输电、常规直流输电后的新型直流输电方式。柔直系统通过两端的换流站实现两个交流网络之间的相互传送，具有控制灵活方便、扩展性好等优点，是提升可再生能源接纳能力、增强电网稳定性和灵活性、支撑电网变革的重要手段。柔性直流输电采用电压源换流器(VSC)，是柔性直流输电区别于常规直流输电的关键部分。电压源换流器在桥臂中用可控电力电子管（IGBT、IGCT）取代传统直流的晶闸管，通过可关断器件和脉宽调制技术，精确控制换流站输出的电压幅值和相位，有效提升电网输送能力和安全稳定水平。 图1：柔性直流拓扑结构 换流站是柔性直流输电系统最主要的部分。根据运行状态可以分为整流站和逆变站，运行原理是将交流电转换成直流电从整流站送出，在受电端将直流电再转为交流电，最终形成电网的“接入阀门“和”电源“，可以有效地控制其上通过的电能，隔离电网故障的扩散，而且还能根据电网需求快速、灵活、可调地发出或者吸收一部分能量，从而优化电网的潮流分布、增强电网稳定性、提升电网的智能化和可控性。 图2：柔性直流输电系统原理示意图 柔性直流系统构成的核心设备包括柔性直流换流阀、电抗器、换流变压器、高压直流断路器、以及输电控制保护系统等。目前我国绝大部分柔性直流输电工程均采用半桥式子模块的模块化多电平换流器拓扑结构，单个换流器一般由三个相单元即六个桥臂组成，每个桥臂由阀组件及桥臂电抗器组成，每个相单元由两个桥臂构成，两个桥臂的连接点通过柔直变压器与交流系统联接。 图3：模块化多电平换流器拓扑结构 柔性直流换流阀：根据观研天下的统计，IGBT为最核心零部件，在换流阀总价值量中占比40%-50%，其次为电容器，占比25%-30%，其他为旁路开关、阀控系统、阀冷却系统、结构件、绝缘件等。与传统直流输电工程所用的半控晶闸管不同，柔性直流工程中的换流阀通常采用全控型的IGBT，通过极控、阀控以及子模块级控制实现各种功能。其中，极控系统根据直流系统控制目标生产调制波指令； 阀控系统接收指令后进行解析与下达,每个子模块的投切指令；子模块级控制系统控制IGBT器件的开通和关断,实现直流电容的投入或切除,拟合形成不同幅度和相角的交流电压。 图4：柔性直流换流阀的拓扑结构 图5：柔性直流输电控制系统架构 电抗器：电抗器主要用于换流阀的直流侧，将叠加在直流电流上的交流分量限定在某一规定值，从而保持整流电流的连续性，减小电流脉动值，改善输入功率因数，并抑制变流装置产生的谐波。柔直输电中使用的桥臂电抗器主要起到抑制桥臂间环流和抑制短路时上升过快的桥臂故障电流的作用，其在运行中需承受电流幅值相当的交直流复合大电流，因此既要考虑基于电感分布的交流电流分配特性，也要考虑基于电阻分布的直流电流分配特性。 图6：龙门换流站的桥臂电抗器 换流变压器：换流变压器能够将交流系统的电能送到换流阀，也可以从换流阀接收电能送到交流系统的变压器设备。应用于柔直输电的变压器可采用单极/双极等多种接线方式，在电压等级较高、传输功率较大的情况下为了避免受变压器容量的限制,可以采用柔直变压器并联或者柔直换流器串联的方式将传输功率分配给两组或多组变压器，实现在交流系统连接点与一个或多个电压源换流器单元之间传输电能。 图7：大容量柔性直流双极输电系统连接方式 图8：张北±500kV柔性直流输电工程的换流变压器 高压直流断路器：高压直流断路器作为直流换电站的核心电气保护组件，对保障直流系统安全、经济、灵活运行意义重大，可以在发生故障时迅速断开电路，能够有效隔离故障区域和故障点，实现线路的安全并离网。这一功能也是直流输电单条线路向多端的直流电网，乃至更为庞杂的直流系统的升级发展的关键。 图9：直流断路器示意图 柔性直流输电控制保护系统：直流控保系统为直流输电工程换流站提供起控与保护作用。换流阀接收直流控保系统的指令，通过IGBT驱动并转换为开关信号控制IGBT的导通关断，实现了两个换流站之间的直流电能的可控传输，独立保护每一重的测量回路、电源回路、出口跳闸回路及通信接口回路；同时，还可以根据需求提供电网的补偿支撑，通过网络安全监测装置采集换流站监控层的服务器、工作站、网络设备和安防设备自身感知的安全数据及网络安全事件，实现对网络安全事件的本地监视和管理。 2柔性直流是解决新能源消纳、长距离输送及电网安全的重要途径 2.1长距离输送带来新挑战，柔性直流优势凸显 风电、光伏发电占比呈现上升趋势，新能源发电已成新型电力系统的主动脉。 根据IEA在《WorldEnergyOutlook2022》中假设2035年OECD国家实现电力净零，2040年全球实现电力净零的情景。为了达到这一目标，到2030年，风能和太阳能占全球发电量的比例需要从2021年的10%增加到41%。煤炭发电量需要下降54%，天然气发电量需要下降24%。而到2040年，电力行业需要实现净零排放的目标，全球必须逐步淘汰煤电，仅存少量的天然气发电。 图10：2040年全球实现净零排放目标的推演 集中式光伏和海上风电的长距离输送带来新挑战。由于集中式光伏需要建设在人烟稀少地貌广阔且阳光资源充足的位置，国内大部分光伏基地集中于西北地区（新疆、甘肃、宁夏等），然而我国的经济重心在东南沿海地区，其用电需求远高于人烟稀少的西北地区，供需不匹配导致“弃光”现象严重。为了解决消纳问题，需要通过特高压长距离输送将电力送往东部的符合地区。 海上风电由于远海的风能资源丰富和风电场规模大型化对作业空间的刚性要求，深远海化将是未来趋势，更长的输电距离对于传输过程中的安全稳定性要求将会更严格。随着双碳战略的实施，西部大规模新能源仍需通过更多高压直流输送到东部负荷中心，直流落点将更加密集，多回直流换相失败引发的功率冲击将进一步增大。同时，东部新能源占比也日益增大，交流系统惯性和抗扰动能力进一步下降，多直流换相失败影响范围将更大，电网或面临更大的系统风险。 图11：新能源送出消纳示意图 换相失败是长距离常规直流输电最常见的故障之一。换相失败的主要原因是交流系统故障使得逆变侧换流母线电压下降，常规直流输电采用电网换相换流器(Line-Commutated converter，LCC)，由晶闸管串联构成，只能控制开通，须借助电网提供反向电压才能关断，当交流故障引起电压跌落时，致反向电压不足又重新导通，发生换相失败。换相失败发生后，换流器中同一相的另一个桥臂触发开通后则会导致上下两个桥臂同时导通形成直流短路，导致直流功率跌落至零。单条直流发生换相失败后，随着交流故障的清除，一般在200ms内恢复功率输送并稳定运行不会对电网造成危害。 多馈入直流系统中单一交流故障就能引发多回直流同时换相失败，故障期间多个换流站同时吸收大量无功，拉低受端电网交流电压，可引发区域性电压凹陷甚至失稳，进而影响跨区域电网间的联络。 图12：换相失败前后电压电流波形 图13：多回直流同时换相失败后引发区域性电压凹陷 柔性直流输电相较于常规直流输电有多项优势，不存在换相失败问题。 （1）无需无功补偿，占地面积小：柔性直流输电采用可关断器件，控制系统可以随时关断换流阀，无需交流侧提供换相电流和反向电压。得益于完整控制，柔性直流输电在交流侧无需大量无功支撑，无需常规直流输电交流滤波器场的用地，大大减少了征地范围。 （2）无换相失败：常规直流输电并网时难以避免换相失败现象，会对受端电网系统安全稳定带来一定冲击。柔性直流输电技术采用可关断器件，开通关断时间可控，与电流的方向无关，从原理上避免了换相失败问题，提升电网稳定性。 （3）适用于多端系统：柔性直流输电系统的电流可双向流动，便于构建多端直流输电系统。 （4）无源网络供电：常规直流系统依靠电网完成换相，需要较强的有源交流系统支撑。柔性直流输电技术能实现自换相，无需外加换相电压，因此受端系统可以是无源网络，为偏远地区供电提供技术支持。 表1：柔性直流与常规直流的对比 2.2核心零部件成本高，国产替代降本空间大 相比交流输电，柔直最大的问题为经济性不强，核心零部件成本高。核心零部件IGBT在换流阀总价值量中占比40%-50%，90%以上的IGBT器件依赖进口且价格较高，导致建设成本高昂。在蔡晖所著的《柔性直流输电技术在江苏电网的应用研究》中以扩建南京西环网系的500 kV秋藤变江南侧主变，新建秋藤—绿博园3回220 kV线路为例，调研了柔性直流输电技术在国内电网中现有工程的运行现状，最终结果显示，柔性直流相比常规交流更具有显著的技术优势，可以满足南京西环网饱和负荷的需求，同时通过控制策略的调整，不仅不会产生充电功率等无功需求，还可以根据需求向系统提供无功支撑，但从投资上比交流方案高出约8.85亿元的成本，在经济性上具有一定的劣势。 图14：交流/直流方案经济性比较 国产替代是降本关键。由于IGBT器件依赖进口且价格高昂，降本需求迫在眉睫，推动IGBT自供能力在不