电新行业：特高压直流“新心脏”，柔直换流阀

中 泰 证 券 研 究 所专 业 ｜ 领 先 ｜ 深 度 ｜ 诚 信2 0 2 4 . 0 1 . 0 2特高压直流“新心脏”——柔直换流阀｜证券研究报告｜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.cn2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4500V IGBT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。CONTENTS目录CCONTENTS专 业 ｜ 领 先 ｜ 深 度 ｜ 诚 信中 泰 证 券 研 究 所1什么是柔直？为什么要用柔直？4•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-HVDC transmission）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。什么是柔直？图表1：LCC、VSC直流输电示意图资料来源：大规模风电经LCC-HVDC送出电网的频率稳定控制策略研究，中泰证券研究所常直阀柔直阀5•根据直流输电换流阀技术类型，可以分为LCC（ Line-Commutated Converter，常直）、VSC（ Voltage Source Converter，柔直 ）、CLCC（controllable line commutated converter，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。直流的三种技术路线,LCC、VSC、CLCC图表2：LCC拓扑结构资料来源：《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》、中泰证券研究所图表3：VSC拓扑结构资料来源：《基于柔性直流的海上风电送出系统设计与研究》、中泰证券研究所晶闸管IGBT6•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。两类柔直技术路线中，目前VSC推广可能性大图表5：LCC、VSC、CLCC技术比较资料来源：《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LCC 技术VSC 技术CLCC 技术8000MW8000MW8000MW5000A2880 \28801000A\\28803000A\188161922000A\1881643200.70% ≥1.2%0.72%有无无1.3p.u.1.05p.u. 1.3p.u. ±1100kV±800kV±500kV目前在网运行最高电压等级关键指标损耗有无换相失败过负荷能力晶闸管IGBT器件数量输送容量7•常直的风险✓ 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。为什么要用柔直：主要解决换相失败问题图表6：常直和柔直技术特点比较资料来源：《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8•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。目前HVDC/UHVDC柔直项目梳理图表7：柔直项目梳理资料来源：《柔性直