2022年直流装备行业深度分析报告

2022年直流装备行业深度分析报告正文目录TOC\o"1-5"\h\z投资聚焦 2\o"CurrentDocument"历经百余年,直流踏上规模化征途 5\o"CurrentDocument"十九世纪末，交流赢得电气化时代主导权 5\o"CurrentDocument"电力电子技术问世保留直流用电小天地 5\o"CurrentDocument"晶间管开启直流输电新篇章：逆变时代 6\o"CurrentDocument"可控关断器件大幅提升换流性能 7\o"CurrentDocument"下个百年，能源革命全面打开直流规模化空间 9\o"CurrentDocument"直流应用场景丰富,市场空间巨大 10\o"CurrentDocument"高压直流助力远距离大容量分区互联送电 10\o"CurrentDocument"中低压直流支撑配电网高效智能运行 15\o"CurrentDocument"新型电力系统政策助力实现交直流混合电网 19\o"CurrentDocument"交直流混合电网打开直流装备市场空间 20\o"CurrentDocument"直流核心设备壁垒高筑、格局优良 21\o"CurrentDocument"换流阀是实现交直流转换的核心设备 22\o"CurrentDocument"直流变压器可打通“直”流通道 23\o"CurrentDocument"直流断路器同为高度电力电子化装置 24\o"CurrentDocument"直流设备竞争格局优良，上游潜力十足 25\o"CurrentDocument"投资建议 26\o"CurrentDocument"公司弹性与行业趋势分析 26\o"CurrentDocument"国电南瑞：直流输配电、调度、继保、信通的绝对龙头 27\o"CurrentDocument"许继电气：集团股权变更完成，直流输配电业务释放业绩弹性 28\o"CurrentDocument"积极关注上游功率器件与直流电容行业机会 29\o"CurrentDocument"风险提示 29图表目录图表1：交流电与“旋转”'紧密相连 5图表2：交流电利用线圈匝数不同方便变压 5图表3:交直流变换过程 6图表4：三相全桥二极管整流电路将交流电变为直流电 6图表5:基于晶间管的三相全桥整流逆变电路（逆变在右） 7图表6:塞于IGBT和模块化多电平结构的的三相换流器 8图表7:直流合环解决交流电网规模化瓶颈. 10图表8:我国已经或即将速成的高压直流工程 11图表9:两个五年风光大基地装机规划 12图表10：江苏电网多直流情入短路比与引发换相失败短路故障比例 13图表11:重庆与华中电网柔直互联 13图表12：广东电网分区互联 13图表13：北京电网分区互联设想 14图表14:内蒙古与华北电网柔直互联设想 14图表15:舟山五端柔直工程 14图表16:张北四端柔直工程 14图表17：新疆-青海四端柔直工程设想 15图表18：南京四端柔直工程设想 15图表19：中低压直流用于单端整流逆变 15图表20：中低压直流用于柔性合环 15图表21:中低压直流用与交直流多端混合运行 16图表22：中低压“含直”项目趋势 17图表23:我国已经或即将走成的中低压“含直”项目 17图表24：苏州同里中低压直流配电网架构 18图表25:杭州市大江东柔性多状态开关站 19图表26:宁波北仑三台区柔直互联集装箱 19图表27:未来交直流混合电网的膨态 20图表28:2021-2030年换流阀相关市场规模预计 20图表29:2021-2030年换流阀相关市场增长预计 21图表30:直流核心电力电子化设备一览 21图表31:直流关键辅助设备一览 22图表32：换流阀塔结构 22图表33:换流阀子模块结构 22图表34:配网柔直换流阀实物图 23图表35:基于双有源全桥的直流变压单元 23图表36:基于ISOP-DAB的直流变压器拓扑结构与实物图 24图表37:混合型直流断路器拓扑结构与外观 25图表38:已速的±300kV及以上柔直换流阀市场份额占比 25图表39：直流设备产业链分布 26图表40:直流设备龙头公司利润弹性测算 26图表41:国家电网近两年招标采购公告次数明显抬升 27图表42：国电南瑞盈利预测 28图表43：许继电气盈利预测 29.历经百余年，直流踏上规模化征途十九世纪末，交流赢得电气化时代主导权十九世纪末，以尼古拉•特斯拉为代表的交流输电阵营和以托马斯•阿尔瓦•爱迪生为代表的直流输电阵营对开启电气化时代的技术路线进行了激烈的争论。特斯拉利用交流电制作两相交流发电机，并使得尼亚拉水电站发出的3750kW功率，一直送到40km以外，而同期的直流发电机最大仅有500kW的出力，供电半径只在30km以内。交流输电技术率先羸得了电气化时代的主导权。>交流电为何能赢？1）交流电可以变压：在当时，直流电被认为是无法变压的，因此110V小型低压直流电的输送距离仅为2km以内，随后便损耗殆尽。而交流电利用电磁感应定律，仅仅依靠铁块和匝数不同的线圈便可实现变压，获得了高电压“远距离”输电能力，免去了建造大量直流发电站的困扰。2）交流电成本优势巨大：不仅免去建造大量直流发电站，交流发电机、交流变压器、交流电动机还打通了发输用全环节，核心器件仅为导体和铁块，制造难度低，原材料获取容易。以当时的情形看，交流电已经能够完全胜任电气化时代发展的需要，各种终端电器都按交流电的原则设计，庞大的交流电力系统逐渐形成，直流电接近退出历史的舞台。图表1:交流电与“旋转”紧密相连来源：《电机•学》，国联证券研■究所原线圈副线圈闭合铁芯图表2:交流电利用线圈匝数不同方便变压图表1:交流电与“旋转”紧密相连来源：《电机•学》，国联证券研■究所原线圈副线圈闭合铁芯来源：特变电工，国联证卷研究所电力电子技术问世保留直流用电小天地1904年，正在交流电大放异彩之时，第一只利用灯泡制作的“真空二极管”由约翰•安布罗斯•弗莱明发明问世，开启了电力电子技术的先河。电力电子技术的出现使得交流电与直流电互相转换成为可能。一般称交流变直流的过程为整流、直流变交流的过程为逆变。图表3:交直流变换过槎输入/输出交流电直流电交流电AC/AC变换：交流变压、变顺、调相AC/DC变换：整流直流电DC/AC变换：逆变DC/DC变换：直流变压（buck/boost变压、隔离变压）来源：国联证券研究所最早被应用的是二极管整流电路，三相全桥式的基础原理一直被沿用至今。随后1930年代，更大功率的水银整流器（汞弧阀）也出现了，它被广泛地应用于电解、电车、电气轨道、直流电动机等原有场合，直流负荷也出现一些增长。但在彼时，直流电基本只占负荷端的一小部分，交流电占据绝对统治地位。二极管和常规的汞弧阀只要电压差为正，便可导通，因此只能用于整流，无法用于逆变。图表4:三相全桥二极管整流电路将交流电变为直流电来漉：国陕证券■研究所晶间管开启直流输电新篇章：逆变时代1943年，虽然也出现了带栅极控制的汞弧阀，制成了可用于直流输电的逆变器，但汞弧阀存在逆弧、熄菰、温控复杂、启动需预热、参数低等缺点，无法大规模应用。直到1957年，美国通用电气公司研制出第一只晶闸管，逆变器才真正诞生。晶闸管与二极管的主要区别在于多了个门极：当有正向电压差时，二极管立即导通，晶间管还需要门极的触发电流才能导通。用于逆变器时，只要控制晶闸管在出现正向压差时按次序导通，便可实现输出三相交变电流，是典型的电流源换流装置。逆变器的出现，极大地推动了直流输电的发展。1960年，太阳能通过逆变器第一次并网发电，使得以可再生能源为基础的能源变革有了可能。1972年-2000年，世界共有56项基于晶闸管的直流输电工程投入运行，电压等级最高达±600kV,输电距离长达1700km,直到现在，基于晶闸管的换流装置依然是高压直流输电领域的主流技术之一。

图表5:基于晶间管的三相全桥整流逆变电路（逆变在右）~——*~◊—㈣一++一~——*~◊—㈣一++一n.来源：国联证券研究所显然，由于晶闸管只能控制导通，不能控制关断，基于它的整流逆变系统也有一些缺点：1）依赖强交流系统提供换相电压：晶间管关断只能依靠反向压差自然关断，所以交流系统必须有稳定的电压，因此只能向相对强壮的有源交流网络供电，这也叫做有源逆变或电网换相换流器（LCC）;2）可能出现换相失败：晶闸管恢复阻断状态需要时间，如果某桥臂不能在下一次正向压差出现前恢复阻断，那么下一次正向压差来了该桥臂就不受控制直接导通，出现换相失败的情况。交流系统故障后，桥臂电流加大尤其容易导致连续换相失败，使得直流系统必须关停重启；3）功率反转只能反转电压极性：由于晶闸管反向阻断的特点，电流流向是固定的，比如上图中电流只能顺时针流转，因此，反转功率只能反正电压极性，只能关停系统改变晶间管触发时序后再重启，引起功率临时中断。4）感性换流器需配置无功补偿：晶闸管阀段含饱和电抗器，呈感性换流器特性，建立电流需从交流系统吸收大量无功功率，因此还得为交流系统配置大量无功补偿。5）交直流波彩质量较差：晶闸管开关频率只能与交流频率相同，发出的电流电压谐波含量较大，因此得为系统配置大量交直流滤波器。基于上述考虑，晶间管直流输电一般只用于点到点两端大容量远距离输电用途，无法独立存在，仅为交流主系统的有益补充。可控关断器件大幅提升换流性能为应对晶闸管不可关断的问题，1970-1980年代，门极可关断晶闸管（GTO）、集成门极换相晶闸管（IGCT）、双极型晶体管（BTJ）、场效应晶体管（MOSFET）等全控型器件相继问世。

1980年代后期，绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）结合了MOSFET的驱动功率小、开关速度快和BJT通态压降小、载流能力大等优点，成为现代电力电子技术的主要器件。1990年代，基于可控关断器件的电压源换流器和脉冲宽度调制技术开始用于直流输电，我国于2006年将其统一命名为“柔性直流输电”。随着电力电子技术的不断进步，器件性能逐渐提升，2010年11月，第一个基于模块化多电平换流器（MMC）的柔性直流输电工程于美国投运，标志着柔性直流输电技术趋于成熟。图表6:基于IGBT和模块化多电平结构的的三相换流器三相模块化多电平拓扑结构图子模块拓扑结构图来源：《柔性直流输电系统》第二版，国联证券研究所基于IGBT和模块化多电平的柔直输电技术几乎解决了传统晶间管直流的所有缺点：1）1）电压源换流器运行不依赖于交流系统：只要能给子模块电容充上电，它的运行与交流系统电能质量无关，因此既可以向无源系统供电，也可以送不稳定的新能源，还可以执行虚拟同步电机的控制策略。2）可关断器件不存在换相失败的问题：自身的运行不受交流系统故障的影响。3）支持功率即时反转：半桥结构的子模块存在多种电流通路，因此无需停电便可依靠调整功率模块开关节奏实现功率反转。4）容性换流器可以支撑交流高质量运行：子模块中含有大量电容，本身可以通过改变控制策略实现收发无功，对交流系统进行调节。5）多电平高频率（几kHz）运作：输出波形无限接近目标值，几乎没有谐波。当然，柔性直流输电也存在一些阶段性问题，除了损耗、成本以外，主要有以下两个：1）直流侧短路故障无法自清除：半桥结构的MMC换流器依赖子模块电容提供直流电压，当系统直流侧发生短路故障时，无法阻止短路电流流经功率模块，为保护功率模块，只能闭锁直流系统，开断交流系统断路器抵御故障。2）器件承压通流能力有限：IGBT元件电压等级和容量暂时不大，用于高压大容量输电时，只能通过更多的串并联来解决，这会带来成本大幅增加、器件一致性难以保障、控制复杂度上升等问题。针对第一个问题，目前已经可以通过高速直流断路器、全桥子模块、钳位双子模块或交叉型子模块来解决问题。针对第二个问题，需要通过大力发展压接式IGBT、提升半导体制造工艺等途径持续予以解决。本质上，上述问题均为成本问题。下个百年，能源革命全面打开直流规模化空间在国际技术路线的引导下，我国的电力发展从开始就建立了以火电和交流电为主的用能方式。直到1987年，第一回100kV的常规直流工程才在舟山投运，1990年，±500kV的葛洲坝-上海常规直流工程投运，随后，2000年以后才有新的直流输电工程投运。能源革命与再电气化时代的趋势，无疑将加速直流技术的应用。从新时代的视角来看，直流与交流技术之间也出现一些新的变化，主要体现在以下几方面：>交流障忧浮现1）交流存在规模化瓶颈：短路电流是电力设备最重要的耐受指标，交流电网规模越大，短路电流越大，所有设备都会面临短路电流超标问题；另外闭环运行的交流故障容易互相传导，从而有引发大面积故障的风险，还有电磁环网的问题。这就导致交流电网通常会闭环设计、开环运行，仅在需要时进行开关操作重构拓扑结构。2）交流潮流按自然阻抗分布，设备利用效率低下：传统交流设备是典型的被动设备，可控性低，仅依靠开关进行0-1操作，这就导致系统阻抗特性几乎固定，潮流分布基本依赖于负荷和电源分布。但是随着电力系统的发展，负荷的分布呈现出空间不均、时间上也不均的特点，而未来风光电源大量进场又会引起电源在时间空间上的分布也开始不可控。潮流分布不均引起交流设备呈现严重过载、效率低下并存的问题。3）直流电源和直流负荷并网效率低下，影响交流系统安全：能源革命背景下，大量直流电源如风电、光伏、电池储能等，大量直流负荷如数据中心、电动交通工具、变频负荷等，不断涌现。直接对交流系统并网需经2级变换，且一般并脱网频繁，每次并网均需相位同步，并网效率低下。大量直流装置并网同时还削弱了交流系统自身的惯量，威胁交流系统的安全运行。为解决这个问题，要么使用更大更强的交流系统，要么直接使用直流系统。4）交流升降压绑定功率流向：交流变压器无法频繁、满容量换方向运行，它在接线组别、分接开关、线圈匝数位置、保护配置均存在一些问题，频繁换方向不仅影响变压器使用寿命，也会对交流系统造成冲击。能源革命背景下，配电网“源网荷储”一体化特征明显，分布式电源在未来集中大发的可能性加大，如何收集配电网盈余电力进行外送，实现更高层次、更加灵活的电力市场，是未来值得探究的方向。5）交流电网稳定难度加大：交流需要电压、频率、相位、波形四重稳定性，过去依赖于系统惯性，未来惯性削弱、规模化大电网的背景下，稳定难度越来越大。> 直流优势显现1）直流互联解决交流规模化问题：利用基于直流技术的合环装置，可以帮助交流系统进行闭环运行。这不仅不会引起短路电流超标等问题，而且还可以实现交流电网之间互联互济互为热备用，实现网格化的能源运输体系。图表7:直流合环解决交流电网规模化瓶颈交流电压源 交流电压源 交流电压源 交流合环等效电珞■流台环等效电珞来源：国联证券研究所2）直流电源和直流负荷可无缝接入：大量直流电源和直流负荷直接接入直流系统，仅需DC/DC一级变换，真正实现即插即用。这可以把原本分散的直流装置整合为等效的大规模直流装置，不仅大大减少了交流与直流并网点位，而且大规模直流装置有助于执行更多种控制策略，进而帮助交流系统稳定运行，其内部也可以实现更加灵活稳定的运行。3）双向直流变压器实现空间上立体化的网络架构：直流变压器可实现功率双向运行，某区域配电网盈余电力可经直流变压器频繁地、满容量地向上级电网送电，从而经更高电压等级的电网送至远方。结合储能与直流变压器，未来电力在时间和空间上都可以更加平衡，实现立体网格化能源运输体系。4）直流稳定仅需电压稳定：直流系统没有无功、频率为零，只要功率平衡电压即可稳定，电力电子化装置控制迅速，稳定机制相对简单。5）直流输电距离没有上限：直流不存在电感和电容，与周围的环境没有耦合影响，架空、地下、水下输电一视同仁，只要提升电压等级，其输电距离没有理论上限。我国目前最长直流线路长达3300km,已完全满足国内需求。6）直流的无线电干扰、电晕、噪声等电磁环境问题均小于交流。综合以上观点，我们认为，过去的100多年全球建设了以交流同步电网、水火核等旋转电源、电动机等旋转负荷为主的电力系统。而未来的增量，将更加可能以直流电力电子电网、风光静止电源、电池等产消负荷为主的电力系统。最终形成“交直流混合电力系统”，直流技术面临很大的发展空间。2.直流应用场景丰富，市场空间巨大按电压等级，我们将直流初步分为高压直流（35kV及以上）与中低压直流（10kV及以下）。其功能与应用场景有相同也有不同。高压直流助力远距离大容量分区互联送电

高压直流主要可用于1）大容量点对点送电；2）电网分区互联：3）直流多端组网：4）海上风电送出。高压直流包括特高压直流，特高压直流受制于全控型功率器件IGBT的制造水平，目前几乎全部采用了基于晶闸管的常规直流技术，几乎全部用于点对点单向送电，以及不常换方向运行的电网互联（如云贵、灵宝、高岭、黑河、闽粤互联等）。截止至2022年3月底，我国已经或即将建成的高压直流工程如下所示：图表8:我国已经或即将速成的高压直流工程电压等级（kV）高压直流工程建成时间送电能力（万kw）线路长度（km）技术作用±1100吉泉直流：昌吉-古泉201912003324常直两端点对点送电云广直流I回：楚雄-穗东20095001373常直两端点对点送电复奉直流：向家坝一上海20106401907常直两端点对点送电锦苏直流：锦屏一苏南20127202059常直两端点对点送电云广直流11回：普洱-侨乡20145001413常直两端点对点送电天中直流：哈密南一郑州20148002192常直两端点对点送电宾金直流：溪洛渡左岸一浙江金华20148001653常直两端点对点送电糯扎渡直流：糯扎渡-广东20165001441常直两端点对点送电灵绍直流：灵武-绍兴20168001720常直两端点对点送电祁招直流：酒泉一湖南20178002383常直两端点对点送电雁泡直潦:晋北-江苏20178001119常直两端点对点送电±800鲁固直流：扎鲁特-青州201710001234常直两端点对点送电新东直流：滇西北-广东20185001953常直两端点对点送电锡泰直流：锡盟-泰州201810001620常直两端点对点送电昭沂直流：上海庙〜山东201910001238常直两端点对点送电青豫直流：海南州-郑州20208001587常直两端点对点送电昆柳龙直流：乌东德-广东广西20208001452送常受柔一端对两端送电受端互联支撑雅中-江西20218001711常直两端点对点送电陕北-湖北20228001137常直两端点对点送电白鹤滩-江苏20228002087送常受混两端点对点送电白鹤滩-浙江20228002140常直两端点对点送电±660宁东直流：宁东一山东20114001335常直两端点对点送电葛南直流：葛洲坝-上海19901201045常直两端点对点送电天广直流：天生桥-广州2001180960常直两端点对点送电三常直流：三峡-常州2003300860常直两端点对点送电三广直流：三峡-广东2004300975常直两端点对点送电贵广直流I回：高坡-肇庆2004300936常直两端点对点送电三沪直流I回：宜都-华新20063001040常直两端点对点送电±500贵广直流11回：兴仁-宝安20073001194常直两端点对点送电德宝直流：宝鸡-德阳2009300534常直两端点对点送电呼辽直流：呼伦贝尔-辽宁2010300908常直两端点对点送电三沪直流11回：荆门-枫泾20113001106常直两端点对点送电溪洛渡直流：溪洛渡右岸-从西20146401223常直两端点对点送电金中直流：金沙江中游-广西20163201119常直两端点对点送电永富直流：永仁-富宁2016300569常直两端点对点送电

鲁西背靠背直流联网±160:200±160:常直2017±350:1000±350：柔直两端背靠背互联云贵互联直流：禄劝-肇庆2020300391常直两端互联支撑张北柔性直流电网2020450648柔直四端直流电网±420渝鄂背靠背柔性直流联网20192500柔直两端背靠背互联±400青藏直流：柴达木-拉萨20111201038常直两端点对点送电±400三峡如东海上风电柔直送出2021110108柔直一端风电对一端送电±320厦门柔性直流输电201510011柔直对弱交流电网送电（厦门岛）±300广东电网大湾区南粤直流背重背20223000柔直广东电网直流分区±200舟山多端柔性直流输电201440/20/10/10142柔直五端弱交互联支撑120/167灵宝背靠背及其扩建2005/200936/750常直两端背靠背互联±160南澳多端柔性直流输电20132041柔直三端风电对一端送电±125高岭背靠背2008/201275/1500常直两端背靠背互联±125黑河背靠背2011750常直中俄两端背靠背互联±100闵粤直流联网工程20222000常直国网对南网送电100舟山跨海直流1987554常直两端点对点送电50峰河跨海直流2003666常直两端点对点送电±35上海南汇20111.810柔直两端互联支撑来源：国窠电网，南方电网，国联证券研究所>高压直流用于大容量点对点送电1）市场空间：我国能源分布不均，西电东送需求迫切。根据国家发改委和能源局《以沙漠、戈壁、荒漠地区为重点的大型风电光伏基地规划布局方案》，十四五期间将新增电力外送需求15000万kW,十五五期间将新增16500万kW,而现存外送通道送电能力总计9400万kW,其中仅剩约4000万kW尚未利用，因此，两个五年外送通道缺口达27500万kW,折合800万kW特高压通道约34条。这还没有计算东北、西南等地送出需要，实际需求可能更高。图表9:两个五年风光大基地装机规划序号名十四五（万千瓦）十五五（万千瓦）总计（万千瓦）新能源本地外送新能源本地外送新能源本地外送1库布齐沙漠390015002400420081002乌兰布和沙漠2100110010003腾格里沙漠450012003300114009000165002030014000315004巴丹吉林沙漠2300120011005采屎沉陷区370003700037006其他沙漠和戈壁350003500990013400总计2000050001500025500900016500455001400031500来源：国家能源局，国我证若研究所2）技术选择：过去高压直流尤其是特高压直流在点对点送电均采用了常规直流技术方案。由于常规直流存在换相失败的风险，因此在多条直流馈入受端交流电网的情况下，故障易引发连续换相失败导致多条直流连续闭锁，从而引发大级别电网事故。

图表10:江苏电网多直流情入短路比与引发换相失败短路故障比例直流名称多储入短路比引发换相失败的短路故障比例白鹤滩-江苏5.8835.77%彬长直流1000kV4.0226.83%彬长直流500kV2.7724.39%锡泰直流1OOOkV5.4250.41%锡泰直流500kV4.5447.15%雁淮直流3.9535.77%锦苏直流3.3526.02%龙政直流7.6522.76%注：通常认为，多情入短路比大于3时，直流系统发生换相失败后，可以正常恢复回来来源：《柔性直流分区技术在多直流馈入的受端电网中的应用研究》，国农证券研究所另外送端也存在交流电网薄弱、无功支撑不足，大量新能源并网，更加容易引起当地交流系统电压波动，从而导致送端换相失败。采用全柔直当然是技术上的更优选择，但目前功率器件尚未达到800kV、800MW的实用要求。因此中短期内将更多采用水火风光打捆送出、常柔混合技术、受端分区、多配SVG和调相机等电压和惯性支撑设备，来抵御和缓和换相失败带来的不利结果。器件和成本达标后，可直接采用全柔直技术根治此问题。>高压直流用于电网分区互联未来，电网之间互济的需求会愈发强烈，且功率将频繁转向，因此这个场景几乎会全部采用柔性直流技术，并适用于35kV-500kV的交流电网。过去的典型案例包括渝鄂背靠背、鲁西背靠背、广东背靠背等。未来例如北京、江苏、以及区域电网之间，均存在柔直分区互联的设想。图表11:重庆与华中电网柔直互联 图表12:广东电网分区互联来源：《渝勤异步互联对华中电网运行特性的影响》，国联证券研究所就17福Ittta%k城湾区东南分田依礼MB风城足电M»A来源：《渝勤异步互联对华中电网运行特性的影响》，国联证券研究所就17福Ittta%k城湾区东南分田依礼MB风城足电M»A庆MH«>Ul粤东分区来源：《广东电网目标网架方案论证与速议》，国联证券研究所图表14:内蒙古与华北电网柔直互联设想来源：《柔性直流背靠背装置在北京配电,网中的应用》,国联证券研究所图表13:北京电网分区互联设想华北电网图表14:内蒙古与华北电网柔直互联设想来源：《柔性直流背靠背装置在北京配电,网中的应用》,国联证券研究所图表13:北京电网分区互联设想华北电网来源：《内蒙古电网一华北电网柔性直流背靠背联网初探》，国球证券研究所>高压直流用于直流多端组网分区互联可视为两端组网，直流多端组网是电网分区联运的高级形态，借助直流远距离、低损耗输电的特点，可实现更远分区、更大范围之间的互联互济。多端直流系统的高效运行依赖于直流断路器技术的发展。我国2016年底由联研院自主研发的200kV高压直流断路器应用于舟山五端柔直系统，实现了带电投退、故障快速隔离与恢复的功能，工程可用率从87%提升至99%。2020年投运的张北多端柔直工程不仅将系统电压等级提升至500kV,同时实现了500kV直流断路器的研制与投运，代表我国的柔性直流技术站上世界前列。未来在柔直技术和成本越发成熟的条件下，多端柔直工程在地区级电网中有望得到更多应用。图表15:图表15:舟山五端柔直工程图表16：张北四端柔直工程来源：《舟山五端柔性直流系统的运行方式和控制模式》，国联证券研究所来源：《张北500kV直流电网关健技术与设备研究》，国装证券来源：《舟山五端柔性直流系统的运行方式和控制模式》，国联证券研究所来源：《张北500kV直流电网关健技术与设备研究》，国装证券研究所图表17:新建-青海四端柔直工程设想来源：《提升新疆东部以及青海新能源四端柔性直流电内方案初设》，国联证券斫究所图表图表17:新建-青海四端柔直工程设想来源：《提升新疆东部以及青海新能源四端柔性直流电内方案初设》，国联证券斫究所图表18:南京四端柔直工程设想来源：《适应城市电内的多端柔性直流榆电可行性分析及仿真研究》，国於证券研究所> 高压直流用于海上风电送出由于交流海缆与海水之间的电容效应，使得系统首末端面临严重的过电压，需要加装并联电抗器予以抵消。但随着海缆长度加大，并联电抗器的成本也随之上升。由于电容效应与系统频率有关，频率越低，容性效应越小，因此可采用低频交流或直流（零频率）以实现更远的海上风电输电距离。以50Hz交流与直流进行对比，一般70km可作为输电经济性的分界点，大于70km采用直流输电更具性价比。由于海上没有交流系统，风机本身无法提供常规直流所需的换相电压，因此只能采用柔性直流技术。我国目前已经实施±160kV南澳、±400kV如东海风柔直工程，未来，射阳、青州等海上风电场均存在柔直并网的需要。2.2.中低压直流支撑配电网高效智能运行中低压直流主要用于10kV及以下的配电网，是中低压配电网实现“清洁低碳、安全可控、灵活高效、智能友好、开放互动”的重要基础性技术和装置。由于电压等级较低，功率器件限制较小，且中低压配电网“源网荷储”一体化使得功率流向更加复杂，因此柔直技术是中低压直流的不二选择。中低压直流的主要应用形态包括：1）单端整流逆变；2）交流合环运行；3）交直流多端混合运行。来源：国联证券研究所=光伏发电I甩池储能［宜流负荷图表19:中低压直流用于单端整流逆变整流或逆变 +来源：国联证券研究所=光伏发电I甩池储能［宜流负荷a-b±c。来源：国联证券研究所图表21:中低压直流用与交直流多端混合运行来源：国联证器■研究所>中低压直流显著改善配电网的运行效率1）实现直流源荷储灵活接入中低压直流系统可带直流母线和直流出线，系统附近的直流装置如分布式光伏、电池储能、充电桩、数据中心等可以无缝接入，免去DC/AC变换以及并网过程。集中起来通过柔直装置与交流连接，不仅平滑了直流功率波动，而且减小了反复并脱网对交流系统的冲击。2）实现交流闭环运行交流配电网闭环运行是个难题，既要发挥交流功率自由流动的作用，又要限制短路电流，避免故障传导引起大面积停电。利用柔直合环装置，可以实现交流系统互为热备用，由于功率连续可调，该装置相当于是一个07连续可变的状态开关。如果是多端系统，则可实现更大范围的互相备用，实现“能源路由”的功能。3）实现负载均衡传统交流配电网的线路和变压器利用率基本都不均匀，资产利用效率低下。利用柔直装置，实现多台变压器向一个片区联合供电，可避免无限制地扩大交流容量，最大化地发挥了存量交流设备资产的价值。4）实现事故紧急支援当某侧交流系统上级电源故障，功率大减时，其他交流或直流系统通过柔直装置可实现毫秒级快速功率支援，往往还不到半个周波，供电质量与可靠性得到极大提升。5）实现对交流系统无功补偿由于柔直装置为容性装置，且可以进行有功无功解耦独立控制，因此，当控制有功为零，无功为正值或负值时，就相当于一个SVG,帮助交流系统稳定电压。6）实现隔墙售电与电力零售市场的功能

由于交流系统与直流源荷互相之间都是热连接、功率连续可控的，这对于配电网内部、配电网之间实现电力交易有重要意义。中低压直流正逐渐成为配电网常规技术方案我国中低压直流装备研发地较早，2018年已实现一批项目落地。目前中低压直流技术正不断地向基层技术部门渗透，优良的技术特点、合理的性价比有望使其得到更多的采纳与应用。图表22:中低压“含直”项目趋势来源：国家电网，南方电网，国联证券研究所，据不完全统计，时间或有出入目前国内已实施及正在实施的项目统计如下，从表中可见，进入2022年后，不少项目已经没有“示范”或“试点”的字样，正逐渐成为一种常规技术方案。图表23:我国已经或即将建成的中低压“含直”项目\ 中低压“含直”项目建设时间电压等级作用北京延庆直流供电示范工程2017±10kV三端交流配网柔直互联广东珠海唐家湾直流配用电示范工程2018±10kV±375V三端交流配网柔直互联，光储充灵活接入张北柔性变电站及交直流配电网科技示范工程2018±10kV±375V换流站多端口交直流出线，光储充灵活接入贵州大学含交直流微电网的直流配电示范工程2018±10kV±375V三端10kV交流配网柔直互联，配套低压直流出线苏州同里中低压直流配电网示范工程2018±10kV±750V±375V多个交流配网柔直互联，大量光储充设施灵活接入深圳宝龙工业城直流配电示范工程2018±10kV±375V两端10kV交流配网柔直互联，配套低压交直流出线广东东莞中压配电网柔性互联项目2018±10kV两端10kV交流配网柔直互联，配套低压交直流出线山东长岛智能微电网群互联工程2020±10kV五个岛屿微电网系统柔直互联杭州市大江东产业集聚区柔性多状态开关站示范工程2020±10kV三端交流配网柔直互联，配套中低压直流出线苏州园区配电能源网格台区侧低压直流柔性互联装置示范工程2021±375V两端口低压交流柔直互联装置形成能源网格连云港自贸区配电能源网格示范工程2021±375V两端口低压交流柔直互联装置形成能源网格浙江丽水景宁县低压直流配电工程2021±375V低压直流配电青鸟黄岛10kV河正甲线多能互补配电室新建工程2021±375V低压直流配电

宁波北仑三台区柔直互联集装箱工程2021±375V低压交流配网柔直互联广东佛山三端柔性多状态开关示范工程2021±10kV三端交流配网柔直互联江苏镇江丹阳市柔性互联装置2021±375V低压交流配电网柔直互联天津北辰柔性多状态开关示范工程2022±10kV四端交流配网互联保定徐水容易线驿站35kV输变电工程2022±10kV±375V站内合建，带中低压直流出线南京配网柔性互联建设工程2022±10kV±375V中低压交流配电网柔直互联吴江柔性合环装置试点工程2022±10kV中压交流配电网柔直互联江苏无锡太湖新城20千伏设备能源互联网改造工程2022±750V±375V低压直流配电镇江扬中整县光伏接入配网先导示范工程2022±375V低压直流配电厦门同安区军营村低压台区柔性直流互联系统建设2022±375V低压交流配电网柔直互联福建长乐湖坂村台区柔性直流互联2022±375V低压交流配电网柔直互联湖北省随州广水市110kV百分百可再生能源互联网科技试点示范工程2022±10kV±375V中低压交流配电网柔直互联与配电湖南长沙雨花区环保学院宿舍中低压配电网改造等工程2022±10kV中低压配电网柔直互联来源：国家电网，南方电网，国联证券研究所，据不完全统计，时间或有出入中低压直流项目形态多样根据项目的规模及定位，可能以多个站点、多个预制舱或单个集装箱的形式存在。如珠海唐家湾与苏州同里的项目均有站点建设，而杭州大江东和宁波北仑均建成预制舱或集装箱。另外由于是中低压项目，许多项目并不全部由电网企业投资，园区、企业等其他主体也会利用直流技术优化内部配网结构。图表24:苏州同里中低压直流配电网架构X7DC换流暑庞东变九里变阿特w光伏开侬“光伏升压站汇EklMA；汇金配电房X7DC换流暑庞东变九里变阿特w光伏开侬“光伏升压站汇EklMA；汇金配电房110kV庞东变接A^X6.37MW.g负荷10.54MWIM市政,工商、民用、数据中心等6类场景配置90台直流负荷开关，14台直流变压器来源：江苏省电力有限公司，国联证券研究所图表25:杭州市大江东柔性多状态开关站来源：IEEESpectrum图表25:杭州市大江东柔性多状态开关站来源：IEEESpectrum中文版《科技纨览》，国联证界研究所图表26:宁波北仑三台区柔直互联集装箱来源：《低压配电台区柔性互联关键技术与发展模式》，国兴证券研究所新型电力系统政策助力实现交直流混合电网2016年，国家发改委国家能源局印发《能源技术革命创新行动计划（2016-2030年）》（发改能源[2016]513号），其中：（第十三条）现代电网关键技术创新提出“掌握柔性直流输配电技术、新型大容量高压电力电子元器件技术；开展直流电网技术、未来电网电力传输技术的研究和试验示范”；（第十四条）能源互联网技术创新提出“加强能源智能传输技术创新，重点研究多能协同综合能源网络、智能网络的协同控制等技术，以及能源路由器、能源交换机等核心装备二2022年3月22日，国家发改委国家能源局印发《“十四五”现代能源体系规划》（发改能源〔2022〕210号），其中提出“完善区域电网主网架结构，推动电网之间柔性可控互联，构建规模合理、分层分区、安全可靠的电力系统，提升电网适应新能源的动态稳定水平。…稳步推广柔性直流输电二国家电网公司在2021年4月发布的《国家电网公司能源互联网规划》中提出“充分利用柔性配电、虚拟电厂、电化学储能、有序充电等技术，加强配电网互联互通和智能控制”。国家电网公司又在2021年7月发布的《构建以新能源为主体的新型电力系统行动方案（2021-2030）》中提出“交流与直流、大电网与微电网协调发展”、“推进…柔性输电技术进步和规模化应用，试验示范直流组网等技术”。南方电网公司在2021年5月发布的《南方电网公司建设新型电力系统行动方案（2021-2030年）》中提出“建设'合理分区、柔性互联、安全可控、开放互济’的主网架，…，适时通过柔性直流互联技术构建2到4个分区电网”、“推进新型电力系统先进电气装备研究，重点开展柔性直流海上换流平台、直流配用电装备、…二2022年4月2日，国家能源局科学技术部印发《“十四五”能源领域科技创新规划》（国能发科技〔2021〕58号），直流技术将作为“支撑建设适应大规模可再生能源和分布式电源友好并网、源网荷双向互动、智能高效的先进电网；突破能量型、功

率型等储能本体及系统集成关键技术和核心装备”的关键。从国家政策与两网公司的表述看、从直流技术自身的特点看，未来有望建成交直流混合电网。图表27:未来交直流混合电网的形态if流输电网直流•一±100-200kV右端裳"系统交流输电网n«CH<affi低压混合配电网3511022OkV交流电网±10kV“流q线10kV20kV交瀛内线35110220kV交流电网35110220kV交流电网环M控制中型

新能源［商负荷±1500\宜流母线±75OV直流母线IBICKI|e"一|±375V直流以线if流输电网直流•一±100-200kV右端裳"系统交流输电网n«CH<affi低压混合配电网3511022OkV交流电网±10kV“流q线10kV20kV交瀛内线35110220kV交流电网35110220kV交流电网环M控制中型

新能源［商负荷±1500\宜流母线±75OV直流母线IBICKI|e"一|±375V直流以线小里

新能源电辘地佚负荷牵引屋顶电池行轨直流光伏储能电车快充光伏储能配变传统交流负荷部分直流元件部分在流兀件传统交流负荷10kV2OkV交流年线10kV20kV交流母线380V交流母线380V交流母线I低氏混合配电网京荷慢充来源：国联证券研究所交直流混合电网打开直流装备市场空间依据国家相关规划以及2020年底的交流电网规模，我们测算“两个五年”期间，直流装机新增容量可达约14亿kW,产生约857亿功率模块市场，产生约2526亿换流阀市场，挠动直流站点基建投资规模达11632亿元。图表28:2021-2030年换流阀相关市场规模预计市场分类总建设容量（万kW）换流站技术分类市场份额功率模块投资总额（亿元）换流阀投资总额（亿元）换流站投资总额（亿元）风光大基地送出±800kV及以上常直70%33.54279.512451.84±200及以上柔直30%120.99318.391326.61500kV电网互联15516.3±200kV及以上柔直100%129.29340.231417.6435-220kV电网互联55784.5±20-200kV柔直100%412.741086.154763.8210kV电网互联25028.6±10kV柔直100%160.48501.492388.06总计144729.4857.032525.7711631.56来源：国联证券研究所

图表29:2021-2030年换流阀相关市场增长预计来源：国联证券研究所核心设备壁垒高筑、格局优良直流核心设备为电力电子化的设备，主要包括换流阀、直流变压器、直流断路器、以及配网柔直成套设备。直流工程还需要一些与交流系统不同的关键设备，如换流变压器、直流电抗器、直流穿墙套管、直流消能装置等。无论是核心设备还是关键辅助设备，其制造壁垒均很高，目前仅有少数厂家参与竞争。图表30：直流核心电力电子化设备一览直流核心主设备 功能 典型工程价格 主要生产公司常直换流阀（含采用三相全桥电路，实现交浙北换流站：共计6.3亿国电南端、许继电气、荣控保） 流电与直流电转换的核心 信汇科、特变电工、中国柔直换流阀（含 工" ,设备 张北换流站：共计6.85亿西电、北京ABB控保）直流断路器实现柔性直流输电系统在不闭锁的情况下清除直流侧故障的核心设备张北换流站：4台共计3.6国电南瑞、许继电气、思亿源电气、中国能建实现直流跨电压等级输电苏州阿斯特光伏升压站：，国电南瑞、特变电工、许直流变压器的核心设备±10/±375,1套696万继电气、四方股份配网柔性直流成根据需求，实现中低压配电吴江柔性合环：±10kV,1国电南端、许继电气、中套设备网直流组网，起到能量路由的作用的核心设备套758万国能建来源：国家电网，国联证券研究所

图表31:直流关键辅助设备一览近流关键辅助设功能典型工程用量和中标主要生产公司备价格换流变实现换流阀交直流电压匹配、隔离零序电流、当连接电抗器平滑波形与限制故障电流、提供中性接地点、常规直流还起提供30°换相角的关键作用浙北换流站：28台共计16亿张北换流站：7台共计3.6亿特变电工、中国西电、保变电气、山东电工直流电抗器增加直流电流稳定性，改变谐振频率，包括桥臂电抗器和平波电抗器张北换流站：桥臂13台3990万国电南瑞、许继电气、思源电气、中国能建直流穿墙套管连接阀厅与外界直流场的关键设备浙北换流站：11只共计4460万平高电气、传奇电气直流消能装置故障时消耗直流系统剩余能量的关键设备张北换流站：8套共计6960万国电南端、许继电气、中国能建来源：国家电网，国联证券研究所换流阀是实现交直流转换的核心设备由于交流系统存量规模庞大，新增直流系统必然要与现存交流系统进行连接，换流阀将是最先受益的设备品种。一个三相全桥的换流阀有6个桥臂，每个桥臂有若干个阀塔，每个阀塔由若干层阀模块组成，每个阀模块由若干个子模块组成。子模块是换流阀的核心单元，除此之外，阀塔外，阀塔的结构尺寸、绝缘、面均需特别考虑。均压、屏蔽、导体回路、冷却回路和光纤通信回路等方图表32:图表32:换流阀塔结构图表33:换洗阀子模块结构来源：全球能,源互联网研究院，国轶证券研究所朱源：全球能源互联网研究院，国联证券研究所-态示--制来源：全球能,源互联网研究院，国轶证券研究所朱源：全球能源互联网研究院，国联证券研究所-态示--制令配发-BC一步a-一控价分卜-VB为节约制造成本，目前子模块普遍采用半桥结构，一次部分包括2个IGBT模块、2个反并联二极管、直流电容、均压电阻、旁路开关、旁路晶闸管以及作为导体连接的母排，二次部分包括子模块控制板、IGBT驱动板和电源板。根据我们的估算，换流阀成本中，IGBT模块约占35%,直流电容约占35%,是成本中心，其余如晶间管、二极管、旁路开关、均压电阻、二次板卡等合计约占15%,

子模块以外的其他部分约占15%»中低压配网柔直中采用的换流阀为成套屏柜布置，但其基本单元仍为子模块。图表34:配网柔直换流阀实物图图表34:配网柔直换流阀实物图来源：清华大学能源互联网研究院，国联证券研究所直流变压器可打通“直”流通道相对应换流阀实现交流与直流的连接，直流变压器则是实现不同电压等级的直流系统互相接连的核心设备。受制于器件发展水平以及直流变压器的制造能力，目前已经实用化的直流变压器仅为10kV/375V的变压器，只用于配电网。较为典型的拓扑结构为基于双有源全桥（DAB）的变压单元。变压单元是由高压与低压侧的电力电子模块以连接高低压的高频隔离交流变压器构成。当进行大变比变压时，可将DAB变压单元的一侧并联一侧串联，从而形成ISOP结构。图表35:基于双有源全桥的直流变压单元来源：《双有源桥式直流变压器发展与应用》，国联证券研究所舀表36:基于ISOP-DAB的直流变压器拓扑结构与实物图ISOP-DAB的直流变压器拓扑结构ISOP-DAB的直流变压器透视图ISOP-DABISOP-DAB的直流变压器拓扑结构ISOP-DAB的直流变压器透视图ISOP-DAB的直流变压器外观来源：《双有源桥式直流变压器发展与应用》，国网浙江电力科学研究院，国联证券研究所1OkV直流变压器主要元器件为IGBT/SiCMOS,二极管、电容、电感、高频隔离变压器等，随着技术进步，未来有望出现更高电压等级的直流变压器。直流断路器同为高度电力电子化装置由于直流没有过零点，其开断难度比交流大许多，断路器基本原理也不同。ABB于2012年才研制出世界首台直流断路器，国家电网公司于2014也攻克此项难题，并于2020年提升至世界最高的500kV电压等级并投运于张北柔直工程，彰显了我国柔直输电技术世界领先的地位。目前的主流方案是采用混合型直流断路器，它由主支路、转移支路和吸收支路构成。主支路由许多IGBT全桥子模块串并联和若干个高速机械开关串联而成，主要作用是正常通流，并在故障时及时闭锁IGBT全桥子模块，迫使电流去转移支路，并在电流足够小时，将高速机械开关开至绝缘位置。转移支路由许多二极管全桥子模块串联而成，主要作用是当主支路机械开关完成开断后，将本支路子模块中的IGBT闭锁，形成电容瞬时暂态过电压。吸收支路由许多金属氧化物避雷器（MOV）构成，电容暂态过电压将触发吸收支路避雷器导通，故障电流转移至吸收支路，暂态过电压消失后，避雷器快速恢复绝缘，故障电流降低至零。图表37:混合型直流断路器拓扑结构与外观MOV能量吸收支路MOVMOV能量吸收支路MOV来源：全球能源互联同研究优，许继集团柔性榆电分公司，国联证券研究所可见，混合型直流断路器的核心器件包括IGBT、高速开关、二极管、直流电容、MOV等。直流设备竞争格局优良，上游潜力十足>直流设备参与企业极少，竞争格局优良由于直流设备结构复杂，国际上仅有日立ABB、西门子、GE三家有系统建设能力，产能紧张，目前只有ABB还在做国内项目。常直换流间国内仅有国电南瑞（南瑞继保、中电普瑞）、许继电气、中国西电三家参与招标，柔直换流阀除上述三家外，还有荣信汇科、特变电工参与网内市场竞争。我们统计了目前已建的±300kV及以上的8个柔直工程的换流阀供货情况，其中国电南瑞、荣信汇科、许继电气合计份额占比89%,是国内柔直换流阀市场的三大龙头。图表38：已速的±300kV及以上柔直换流阀市场份额占比来源：国家电网、南方电网、国联证券研究所中低压柔直领域，除了上述企业外，还有四方股份、中国能建旗下的北京电力设备总厂、和极少数民营企业，目前竞争格局也十分良好。>直流设备产业链较长，上游潜力十足直流设备下游需求单位除了两网公司外，目前配网领域以低碳园区为代表的买家对直流设备需求同样旺盛。直流设备中游即设备集成制造本身，目前全球不超过10家有高压直流的建设能力。图表39:直流设备产业链分布功率器件冷却系统二次板卡设备集成制造・国电南瑞•赛•晶科技・时代电气•派璃股份•高澜股份快速开关•旭光电子•金百泽绝缘支撑•换流阀・直流变压器・直流断路器•东材科技主要企业被动器件,电容膜 ■试验检测•赛晶科技 •大东南 ・电科院•铜峰电子 -佛塑科技 ・开普检测•国电南璃・许继电气•特变电工・荣信汇科・四方股份・南方电冏•增量配冏・大工业用户•低碳零碳园区、学校•新能源发电企业来源：公司公告、国联证券研究所直流设备上游器件较多，其中最为核心的是IGBT和晶间管等功率器件，以及直流电容等被动器件。目前3.3kV及以下的IGBT国产化进度喜人，广东柔直背靠背工程国产化比例已提升至50%。晶间管目前已基本实现国产替代，主要由时代电气与派瑞股份供应。直流电容国产化比例很低，基本被国外垄断，国产替代空间技大。.投资建议公司弹性与行业趋势分析三大直流设备龙头直流业务对利泗弹性不一三大直流设备龙头公司为国电南瑞、荣信汇科、许继电气，其中国电南瑞、许继电气均为上市公司，截至目前，荣信汇科正在科创板IP0申报阶段。弹性由大至小依次为荣信汇科、许继电气、国电南瑞。图表40:直流设备龙头公司利泄弹性测算项目国电南瑞荣信汇科许继电气|营业收入占比7.81%90.00%14.78%毛利率28.00%24.00%28.00%费用占比11.55%11.00%12.94%所得税15.00%15.00%15.00%2020营业收入（亿元）3858111.92020归母净利润（亿元）48.520.837.16净利泗弹性8.67%95.86%29.57%来源：公司公告，国联证券研究所过去两年国家电网招标采购放量支撑行业今明年业绩根据国家电网招标采购公告次数，我们发现过去两年，招标采购次数明显上升,尤其是2021年国家提出要建设以新能源为主体的新型电力系统后，招标再次走量。预计2020Q4-2021Q4的招标采购放量将对全行业未来两年的业绩构成支撑。图表41:国家电网近两年招标采购公告次数明显抬升来源：国拿也网，国联证券研究所国电南瑞：直流输配电、调度、继保、信通的绝对龙头柔性输电领域的国产化先锋依托南瑞继保和中电普瑞，公司拥有低压至高压全部的换流阀设备制造技术，拥有直流断路器、直流变压器等最先进的品种。公司深度参与各项示范工程建设，市场地位和份额遥遥领先。公司与国网智研院、美国McDermott组成的联合体，将担任BorWin6海上风电柔性直流输电工程的EPC总包商，是国产设备走出去的重要代表。IGBT产业化快速发展提升综合实力依托南瑞联研半导体，公司成为国家电网IGBT产业化的核心平台。公司将持续推广1.2-3.3四等级1681规模化应用，大力推进高电压大电流IGBT器件研发，加快攻关压接式IGBT封装技术，预计2022年自主器件将会进行批量出货，提升公司柔性输电业务的综合实力。新一代调度系统迎来替换周期调度系统随电网规模的发展会产生升级的需求，公司上一代D5000系统自2010年试点、推广，至今已过去12年。随着新型电力系统和电力市场的建设，调度系统面临更复杂的应用场景与更快速的响应需求，升级需求强烈。同时，配电网“源网荷储”协调控制将产生新增调度系统需求，预计公司调度业务将维持高景气度。电网信息与通信业务受益于数字化建设公司在网内信通业务市场占有率较高，未来受到硬件需求稍有放缓，软件需求增加的影响，公司该板块业务呈现增速下降毛利抬升的趋势，预计将持续贡献正向增长。盈利预测预计公司2021-2023年营业收入分别为424/506/584亿元，归