直流输电行业专题研究：“十四五”开启直流输电黄金时代

来源：中信建投
发布时间：2021/12/17
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直流输电是新型电力系统的主线之一，将成为“十四五”电网重点投资方向。相较交流输电，（特高压）直流输电具备经济、技术优势（无电容升压效应），尤其适合风光大基地电能送出。缺电叠加新能源送出，直流输电成为刚性需求。我们认为目前制约新能源发展和消纳的关键因素不在于负荷水平而在于送出能力。全国统一电力市场的形成既需要市场机制，也需要跨省跨区输电通道作为物理机制来保障，而多能互补电源体系+直流输电送出通道，是新型电力系统针对新能源的主流解决方案。

1 直流工程回顾：进入特高压时期后建设加速

进入特高压时代后，直流工程建设加速。2009年，我国第一条特高压直流工程——云南~广东特高压直流工程（楚穗直流）投运，此后我国直流工程建设呈现加速态势。我国特高压直流已走过两轮周期：第一轮是2014-2015年《大气污染防治行动计划》集中批复12条特高压交直流线路；第二轮是《输变电重点工作项目表》提出2018Q4到2019年年底前核准12条特高压线路。但第二轮直到今年7月方才全部核准完毕（白鹤滩~浙江）。

2 大势研判：直流输电是新型电力系统背景下的结构性机会

背景：南方电网“十四五”规划出台，加快建设新型电力系统

南方电网日前发布“十四五”电网规划，总投资额约6700亿元，较“十三五”总投资增长约22%。目前国家电网“十四五”规划尚未公布，预计总投资较“十三五”增长约10%，两网合计增长约15%左右。由于我国电网网架日趋完善，供电可靠性普遍较高，电力供应呈现整体宽松态势，从投资额总量看，重现两位数的年化增长率已无可能。在此前提下，应放弃总量仍将大幅度增长的幻想，重视新型电力系统背景下的结构性机会。

新能源消纳与并网——新型电力系统需要解决的两个问题

新能源具有出力波动性大，不可调度的特点，使得出力曲线与负荷曲线失配，导致消纳问题。解决办法是配置灵活性资源以“填补”负荷曲线与出力曲线之间的缺口，具体手段有火电灵活性改造、燃气发电、光热发电、抽水蓄能、新型储能等。新能源功率密度低，利用小时低，要取代传统电源的主体地位，需要的装机容量远多于传统电源。且大型集中式新能源场站多位于偏远地区，电网薄弱。带来汇集、并网、送出问题。解决办法是建设足够多的新能源汇集站以提供接入点和足够的变电容量，同时加强网架建设，尤其是跨省跨区通道，以匹配电源和负荷。

新型电力系统的解决方案——多能互补+直流外送

“十二五”曾提出建设陕西、鄂尔多斯盆地、蒙东、西南、新疆五大能源基地，以煤炭、石油或水电等单一品种为主。 “十四五”规划纲要提出建设九大陆上清洁能源基地和五大海上风电基地。能源形式为风、光、水、火、储等。多能互补能够提高送出电量中清洁能源占比，还能发挥各自出力特性，得到平滑、可调度、高利用小时的稳定电源。

目前，新能源消纳问题实质上要归结于并网与送出问题

新能源弃电率在2016H1达到高峰，该年我国电力总装机16.5亿千瓦，其中风电、太阳能发电装机占比为13.5%、电量占比为5.11%，比例较小，出现弃电问题实质上是网架建设不够。特高压和跨省跨区输电工程大规模启动后，新能源消纳问题缓解，目前弃电率已低于5%。截至2021年10月，我国发电装机容量达到23.0亿kW，其中风电、太阳能占总装机比例25.2%。2020年风电、太阳能发电量占比为9.54%。比例均远超2016年，然而弃风弃光率却大大下降。

送端大基地+受端电力缺口共同推进直流输电发展

据不完全统计，新能源大基地项目已开工约46GW，其中约37.65GW采用打捆存量/规划直流线路方式送出。能源供给方面：随着新能源大基地的进一步推进，存量直流线路逐渐打捆完毕，我们预计“十四五”期间特高压直流线路将围绕着大基地建设。

3 市场空间：“十四五”柔性直流渗透，助力直流发展再上台阶

常规直流输电技术存在诸多缺陷与不足

常规直流采用线性整流型换流器（LCC），换流过程通过控制导通角实现，需要消耗大量无功。带来三个问题：（1）受端电网动态无功支撑不足：直流大量替代本地电源开机，面对电压扰动，直流系统暂态响应与常规机组相反，恶化电压稳定性。（2）送端短路容量不足：未来多能互补基地以风、光电力电子装置并网为主，无法提供短路容量支撑，在无功扰动下电压波动巨大。（3）高比例受电地区电压支撑不足：随着大城市等负荷中心火电逐步关停，对外来电依赖加大，负荷高峰期电压稳定问题突出。以上可通过配置调相机、SVG等动态无功补偿设备予以部分解决，但成本高、运维难度大。（报告来源：未来智库）

柔性直流+常规直流，彼此优势互补，且克服了各自的问题

通过采用基于全控型电力电子器件（如IGBT、GTO）的电压源型换流器（VSC），柔性直流输电克服了常规直流技术的缺陷：（1）可向孤岛供电（2）无换相失败问题（3）不需要无功支撑（4）有功、无功可独立控制（5）可实现多端直流电网。

因此，柔性直流特别适合海岛供电、海上风电送出等场景。若采用柔性直流技术建设特高压直流受端换流站，或对存量换流站进行改造，便可降低对受端电网电压支撑能力的需求，减小换相失败的概率，提升电网安全稳定性。目前，由于柔性直流核心IGBT器件额定电流较小（目前最高3000A，晶闸管可达6000A），故障电流耐受能力弱（最大关断电流 6kA/1ms），耐受时间短，相较于常规直流核心晶闸管器件10倍于额定电流的故障耐受能力相差甚远。因此在工程实际中，多采用送端常规直流、受端柔性直流（或常规/柔性混合级联）的方案，以充分发挥常规直流输送能力强、柔性直流对受端电网要求低、灵活性高的优势。

“十四五”直流项目亮点：高比例可再生能源+柔直渗透

南网两条特高压直流十分具有代表性：电源配置方面，利用水电、储能等的调节作用，汇集了远多于1000万kW装机容量的新能源，同时大大提高通道的利用小时数，多能互补清洁能源基地形成对常规电源的有效替代。首次明确在送端使用柔直，以解决缺乏同步电机支撑下大规模电力电子装置并网的问题；受端使用柔直，以解决城市电厂退役后电压支撑问题。

4 直流关键设备拆分：重点关注换流阀与功率半导体

直流关键设备——换流阀及其零部件IGBT、晶闸管

直流输电工程建设可以分为换流站建设和中间线路建设两部分。以张北柔性直流电网示范工程为例，该工程该工程总投资125亿元，输电线路长度666km，单位km造价近1900万元。系统电压±500kV，建设张北、康保、丰宁和北京4座换流站，工程全部采用架空输电线路，额定输电能力450万千瓦。从直流工程投资额构成来看，换流站价值量占比较高。直流工程投资中换流站成本约占50-60%，其中换流阀、换流变、GIS、控制保护系统等构成了设备采购的主要部分。其余包括直流场设备如平波电抗器、直流断路器、直流滤波器等；交流场设备如交流电抗器、滤波器、电容器等，起到无功补偿作用。柔性直流换流站布置结构特殊，制造难度大，成本高于普通的特高压直流换流站，张北柔性直流电网示范工程单位km造价近1900万元。

柔性直流换流阀造价远高于常规换流阀，且IGBT价值量占比也更高

功率半导体组件是换流阀最基本的功能单元。功率半导体组件由功率管元件及其所需的触发、保护及监控电子电路、阻尼回路组成。晶闸管约占常规换流阀价值量的15%。对于柔直阀，由于IGBT模块制造难度较高，价值量可占到柔直阀的30%以上。晶闸管在柔直阀中仍不可缺少。对于柔直阀，IGBT组件是起到换流功能的核心，但晶闸管作为一种重要的柔直旁路保护器件将会有广泛的需求。张北柔直工程、昆柳龙柔直工程均使用了晶闸管作为旁路保护器件。

5 投资机会：订单较业绩更重要，看好换流阀与晶闸管、IGBT环节

直流工程“十四五”投资额接近4000亿

我们将直流工程分为特高压直流（常规/柔直）、柔直背靠背、海上风电送出三个应用场景。特高压直流：根据目前国网、南网“十四五”规划情况，我们判断2021-2025年将有10条左右的特高压直流线路开工。柔直背靠背：南网正在积极推进的中通道、南通道柔性互联工程将成为一批柔直背靠背工程的样板，在南网其他区域和国网中得到推进。海上风电：我们预计深远海上风电的开发将极大地拉动柔直工程市场，考虑柔直降本空间，该技术将迅速在海上风电项目中得到铺开。直流工程整体市场空间：接近4000亿元。

复盘：直流工程历史上投资机会主要分为两个阶段

特高压工程建设规律：单个项目的总周期在通常在2-2.5年，一年内通常上半年启动特高压招标，下半年特高压投产 +供应商确认营收。我们观察出以下规律：一季度由于春节因素，电网以招标为主；二季度电网招标依然是主旋律，另外37%的特高压项目选择在Q2开工；三季度是44%特高压项目投运的季度；四季度特高压设备供应商开始确认收入，政府开始进行下一年的特高压核准。

直流工程行情规律：特高压周期期间相关企业股价表现并非一步到位

由于特高压直流建设周期较长，特高压周期期间相关企业股价表现并非一步到位。参考2014年特高压周期期间南瑞、许继、平高股价表现，特高压周期中主要有两轮行情：第一轮为特高压建设计划出来时，第二轮为特高压进入收入确认高峰期后营收大量兑现时。

投资方向：重视换流阀、功率半导体

（1）派瑞股份：高压直流阀用晶闸管龙头派瑞股份，受益于直流建设加速弹性巨大。公司实控人西电所为我国电力半导体器件的发源地，我国第一只整流管、晶闸管、快速晶闸管、双向晶闸管、逆导晶闸管、可关断晶闸管（GTO）、光控晶闸管等电力半导体器件均由西电所研发。公司是我国仅有的两家能够满足输变电工程技术要求的高压直流阀用晶闸管生产企业。公司的高压直流阀用晶闸管在国内市占率约50%。公司生产的晶闸管在常规/柔直工程中仍将占据重要地位，柔直丰富的应用场景将给公司带来极大的业绩弹性。（报告来源：未来智库）

（2）许继电气：电力装备领先企业许继电气，受益于电网投资提速，直流输电业务增亮点。公司业务涵盖直流输电、继电保护、变配电、智能电表、中压供用电、电动汽车充换电等业务，受益于此次电网投资提速，将带来明显收入增长。公司在常规直流、柔性直流领域具备极强的竞争力，提供了国内首个海风柔直送出工程——三峡如东柔直工程的柔直换流阀、直流耗能成套装置、控制保护系统等核心装备。看好柔直业务为公司带来结构性增长。

（3）国电南瑞：电力二次、保护、直流设备龙头，全面受益于新型电力系统建设。公司多项业务保持业内领先地位，直流换流阀、控制保护系统等设备在电网系统有着良好的口碑，并正与国网联研院合作研发高压直流阀用IGBT器件，预计在“十四五”新型电力系统建设下仍维持行业龙头地位。