培训课件：柔性直流输配电市场分析

报告人

：孙彬日期

：November29,2016柔性直流输配电市场分析报告主要结论市场集中度和竞争状况：目前，柔性直流工程技术、设备制造都掌握在以国家电网有限公司为首的学术、产业集群，相关核心设备供应商多为旗下控股公司，市场高度集中工程核心在于换流阀、直流控保系统、直流断路器以及上游IGBT等供应链条。未来市场应用场景：长期来看，远海风电、主动配网、异步并网等电网升级需求的逐步增加，将带动柔性直流输电工程的大范围应用。伴随着成本进一步降低、技术进一步成熟，以及目前多个投运项目的经验，这一工程技术仍然具有广阔的空间。风险：研发投入大，周期长；目前国网南网是主要客户，但电网市场相对封闭，进入壁垒大，可能导致即使产品做出来也卖不出去的风险应对措施：如确定做柔直相关设备，可考虑1.从海上风电切入，业主和招标人为风场业主，如三峡新能源等，利用集团产业配套切入市场；2.从海外市场切入，市场开放度相对较高3.从配网柔直切入，可降低研发投入，但未来市场是否明朗还不确定4.从其他细分场景切入，如海上钻井平台供电、大规模可再生能源并网等柔性直流输电市场分析01章节PART直流输电技术发展路径柔性直流输电技术概述柔性直流输电与常规高压直流输电对比柔性直流输电的应用柔性直流输电技术发展路线国内外部分柔性直流工程及特点概要国内主要柔性直流输电工程柔性直流输电的国产化及技术成熟度柔性直流工程造价及核心设备柔性直流核心设备市场壁垒及竞争格局柔性直流核心设备技术壁垒及风险直流输电技术发展路径直流输电技术主要有两种，一种是传统的基于晶闸管的相控换流器(Line-CommutatedConverter，LCC)的高压直流输电（LCC-HVDC）技术；另一种是新型的基于电压源型变流器（VoltageSourceConverter，VSC）的柔性高压直流输电（VSC-HVDC）技术，是一种以可自关断器件（IGBT）和脉宽调制技术为基础的新型输电技术。柔性直流输电起源于20世纪90年代末。2004年，国家大电网会议（CIGRE）和美国电气与电子工程将柔性直流技术正式命名为VSC-HVDCLCC-HVDCVSC-HVDC直流输电技术发展路径：柔性直流输电的命名：国内国外不同命名国际上通用术语VSC-HVDC中国HVDCFlexibleABB公司HVDCLight西门子公司HVDCPlusAlstom公司HVDCMaxSine资料来源：华创证券柔性直流输电技术概述柔性直流输电的“柔”主要体现在系统的可控性上，可快速跟踪交直流电网各类参数的变化，并根据指定的控制策略迅速做出相应的调整。这种调整不仅迅速，而且平滑，对电网系统的冲击极小。柔性直流输电系统可监测其连接的受端交流电网的电压，并实现快速追踪，使其输出电压的波形与交流电压波形同步。它不仅不需要交流电网提供无功补偿，本身还能起到静止同步补偿器（STATCOM）的作用，可以动态补偿交流系统的无功功率，稳定交流母线电压，提高所连接系统的电压稳定性。柔性直流可以实现多种电网物理量的有效控制：柔性直流可以灵活控制传输功率，实现电网中功率潮流的主动控制，并具有良好的故障后恢复能力。可提高间歇性清洁能源发电并网的稳定性和利用率。由柔性直流构成的直流网络，可实现大范围清洁能源发电的出力互补，是保证大范围汇集、灵活传递及分散消纳的重要手段。资料来源：华创证券柔性直流输电与常规高压直流输电对比柔性直流输电技术是相对于常规直流输电技术而言。相比于特高压直流输电，柔性直流输电在具有常规直流的几乎全部优点的同时，还具有占地面积小、可向无源网络供电、谐波小、不需无功支持、不会出现换相失败、可独立调节有功与无功功率、易于构成多端直流系统，以及换流站间无需通信、功率潮流反转快、故障后恢复快、可黑启动、辅助设备少等诸多优点。目前，常规高压直流输电的优势在于电压等级，特高压直流输电距离可达2000公里以上，容量达8000MW，往往用于实现跨区域、跨国乃至跨洲际电力调配与互济。目前，我国特高压直流技术向±1100kV推进，输电距离也在向4000km迈进。常规直流输电系统因为使用了半控型器件（晶闸管）和自身电路特性，因而需要较多的外部设备支持，并且在逆变侧需要外部电压（有源网络）辅助逆变换流阀换相。同时，常规直流输电始终没有解决功率的灵活控制，而且对电网的谐波污染大，需要更多的补偿装置，因此应用领域受到诸多限制。柔性直流输电，因其灵活可控的特性更加适用于区域电网内的电能调度，实现能源传输同时可以兼顾电能质量的控制和补偿。除目前电压无法达到特高压直流的等级外，柔性直流输电已经可以在技术上完全替代其他常规直流输电技术。

柔性直流输电(VSC-HVDC)常规直流输电(LCC-HVDC)电流形式直流电直流电电源形式电压源电流源换流阀器件IGBT晶闸管滤波需求小型滤波器（谐波较小）滤波器+并联电容器（谐波较大）站间通信不需要需要无功情况不需要，并可给系统提供无功需要无功补偿（输送容量的40%~60%左右）功率潮流有功、无功功率分别控制只可控制有功功率交流并网可支持无源交流系统需要交流系统支持换相换相问题无换相失败有换相失败损耗较大较小最大电压±500kV±800kV构成多端容易较难高压直流技术常规高压直流柔性直流特高压直流大规模电力输送和控制跨区域长距离能源输送高压大容量柔性直流多端直流、直流电网可再生能源并网特殊场景电力输送柔性直流与常规直流的技术对比：柔性直流与常规直流的应用对比：资料来源：华创证券柔性直流输电的应用柔性直流输电基于使用IGBT为子模块的电压源换流器，实现了有功、无功功率的独立控制，从性能特性上逼近火电同步发电机组或者任意特性（一定范围内）的负荷，可以支持无源网络的供电。柔性直流技术可以滤除、隔离交流电互联引起的连带冲击，还可以参与电网平衡控制，接受调度中心的调度指令，参与电网调度调节，稳定交流电网。柔性直流输电可解决当前大电网面临的诸多问题，如大规模可再生能源并网、城市配电网的增容改造/大型城市供电、远海风电并网、海岛多端联网、区域电网分割控制（异步交流系统互联）等，对传统交流电网具有重要的互补性价值。同时，柔性直流输电还可以进一步压缩优化，向低电压、小容量、小体积发展，应用于主动配电网、柔性交直流混合配网等领域。柔直输电应用场景：应用领域优势说明案例工程大规模可再生能源并网1.动态无功补偿

2.平滑输出抑制新能源间歇性冲击

3.输电距离更长张北可再生能源基地并网项目特大城市供电（构建城市直流输配电网）1.可隔离外部大电网的故障冲击

2.不增加系统短率功率，省去交流系统保护重新整定

3.电缆单位界面剂传输效率是交流电缆的1.5倍以上，且不产生电磁干扰厦门柔性直流工程海上平台供电（远海风电送出）1.60公里及以上海上风电并网技术、经济可承受唯一技术

2.向无源系统供电能力

3.换流站占地面积小，建设周期短，核心换流阀模块化，现场只需连接安装即可德国DolWin风电送出工程海岛多端联网1.多个岛屿交流系统不必同步

2.功率潮流反转时电压极性不变，对线路绝缘要求低，不需要机械开关操作

3.功率调整或反转只需改变控制系统设定值

4.直流线路故障时每个换流站可运行在STATCOM状态舟山多端柔性直流工程异步联网不必考虑两侧交流系统同步渝鄂背靠背、鲁西背靠背直流工程、TresAmigasSuperstation(三端异步并网)资料来源：华创证券柔性直流输电技术发展路线自1997年，ABB公司承建的世界上第一个柔性直流变电工程在瑞典试验成功以来，经过近20年的发展，柔性直流输电技术逐步走向成熟，并且在电压等级和传输容量上都有所提高。资料来源：华创证券国内外部分柔性直流工程及特点概要主要柔性直流工程来自欧洲、北美和中国；电压等级覆盖±10kV~±800kV；应用场景主要有海上风电并网、可再生能源并网、异步联网、电网互联等；建设商主要为ABB、西门子、国家电网和南方电网；资料来源：华创证券国内外部分柔性直流工程：国家工程名称投运时间应用场景建设商容量电压距离瑞典Hellsjon1997试验ABB3MW±10kV10km瑞典Gotland1999风力、海岛ABB54MW±80kV70km丹麦Tjiaereborg2000风电场并网ABB7.2MW±9kV4.4km澳大利亚Direktlink2000电网互联ABB3*60MW±80kV65km美国、墨西哥EaglePass（背靠背）2000电力交易、系统互联ABB36MW±15.9kV

美国CrossSoundCable2002电网互联ABB330MW±150kV40km芬兰、爱沙尼亚Estlink2006风电场并网ABB350MW±150kV72km纳米比亚、赞比亚CapriviLink2011异步联网ABB300MW350kV950km(架)美国TransBayCable2010电网互联、城市供电西门子400MW±200kV88km美国TresAmigasSuperstation2014异步联网（三端）ABB5000MW±345kV

荷兰HelWinalpha2014海上风电并网西门子

±250kV

德国NordEON12009海上风电并网

400MW±150kV100km德国BorkumWestII2014海上风电并网

400MW

45km德国DolWin12013海上风电并网ABB800MW±320kV165km德国Borwin22013海上风电并网西门子800MW±300kV200km德国HelWin12013海上风电并网西门子576MW±259kV130km德国SynWin12013海上风电并网西门子864MW±320kV200km德国DolWin22015海上风电并网ABB900MW±320kV135km西班牙、法国SpainFrance2013异步联网

2*1000MW±320kV60km挪威、丹麦Norway、Denmark2014输电ABB700MW500kV240km瑞士、立陶宛HVDCNordbalt2015输电ABB700MW±300kV450km中国上海南汇风电场2011风电并网国家电网18MW±30kV8.6km中国广东汕头南澳三端柔直2013风电并网南方电网200MW±160kV40.7km中国浙江舟山五端柔直2014海岛供电、风电并网国家电网1000MW±200kV140.1km中国厦门岛四端柔直2015海岛供电、城市供电国家电网1000MW±320kV10.7km中国云南鲁西背靠背联网2016异步联网（应用于主网架）南方电网1000MW±350kV—中国渝鄂背靠背联网2019异步联网（应用于主网架）国家电网5000MW±420kV—中国张家口-北京柔性直流电网在建大规模可再生能源并网国家电网9000MW±500kV648.2km中国乌东德电站送电广东广西特高压多端直流在建大规模可再生能源并网南方电网8000MW±800kV1489km国内主要柔性直流输电工程目前，我国国家电网、南方电网都在积极推进柔性直流工程的建设。目前，我国已投运上海南汇、南澳三端柔直、舟山五端柔性直流工程、厦门柔性直流、鲁西背靠背柔性直流联网工程、渝鄂背靠背柔性直流电网互联6个柔性直流工程。国家电网的张北柔直项目，南方电网的乌东德电站送电广东广西特高压多端直流项目在建。2019年7月，国内开始启动海上风电柔性直流输电项目，包括如东海上风电柔性直流输电示范项目、射阳海上风电场柔性直流输电项目。柔性直流工程应用已经逐步进入加速发展期，工程电压等级、系统容量等性能指标也在不断提升。在建的“张北可再生能源柔性直流电网示范工程”电压等级将达到±500kV，总容量达到9000MW；在建的乌东德电站送电广东广西特高压多端直流，电压等级达到±800kV国家工程名称投运时间应用场景建设商容量电压距离中国上海南汇风电场2011风电并网国家电网18MW±30kV8.6km中国广东汕头南澳三端柔直2013风电并网南方电网200MW±160kV40.7km中国浙江舟山五端柔直2014海岛供电、风电并网国家电网1000MW±200kV140.1km中国厦门岛四端柔直2015海岛供电、城市供电国家电网1000MW±320kV10.7km中国云南鲁西背靠背联网2016异步联网（应用于主网架）南方电网1000MW±350kV—中国渝鄂背靠背联网2019异步联网（应用于主网架）国家电网5000MW±420kV—中国张家口-北京柔性直流电网在建风电并网国家电网9000MW±500kV648.2km中国乌东德电站送电广东广西特高压多端直流在建水电输送南方电网8000MW±800kV1489km国内主要柔性直流输电工程：柔性直流输电技术的国产化及技术成熟度早期的传统直流输电工程（LCC-HVDC），核心装备与关键控制系统之前都依赖于西门子、ABB等国外厂商，也因此受制于国外公司。21世纪初，我国高压直流输电工程建设提速，国家开始按照“市场换技术”的思路布局相关产业。国家电网、南方电网于2006年启动柔性直流输电技术专项研究。在国家电网、南方电网的牵头组织下，多家科研院所、院校以及南瑞集团、许继集团等电力龙头企业集中研发。其中，南瑞继保承接ABB的直流输电控制保护系统技术转让，中国电科院承接Alstom直流输电换流阀的技术转让(后来被普瑞工程继承)，许继电气承接SIEMENS直流输电控制保护系统及换流阀的技术转让。目前我国柔性直流技术处于产业应用示范前期。2011年7月投运上海南汇风电场柔性直流输电工程，是亚洲首个具有自主知识产权的柔性直流工程。南澳岛、舟山五端、厦门岛柔直等工程的投运是技术开始成熟的标志。张北柔性直流电网项目标志着我国柔直技术从大容量示范工程向产业化应用迈进。目前，两网公司已经全面掌握了柔性直流输电的关键技术及工程成套能力。我国已具备了柔性直流输电工程技术的完全自主知识产权，实现了国产化，已具备了在国内大范围推广的技术基础，也具有了向海外输出工程的能力，打破了由国外公司的技术垄断。数据来源：国家电网、华创证券我国柔直技术正在发展追赶世界水平：时间区间发展阶段重要标志2006-2008基础理论与前期技术构建基础理论体系2008-2010小容量关键技术与样机3MW柔直输电样机建设2011小容量示范工程上海南汇柔直示范工程2012-2016大容量示范工程南澳岛、舟山群岛、厦门岛示范工程、云南鲁西背靠背2017-2020产业应用渝鄂背靠背、张家口-北京柔性直流电网、乌东德电站送电广东广西特高压多端直流2020-……商业化推广三峡如东海上风电柔性直流输电示范项目、中广核新能源射阳海上风电场柔性直流输电项目我国柔性直流输电技术发展阶段：我国柔性直流输电技术进入海外市场：时间2017年6月项目名称英国国家电网公司设得兰(Shetland)工程中标厂商全球能源互联网研究院与南瑞集团联合体产品或服务换流站建设商柔性直流工程造价及核心设备柔性直流系统的主要成本一方面在于核心装备，如换流阀等，另一方面在于系统集成调试。柔性直流输电工程投资主要在于换流阀以及配套相关的电气设备，其成本构成与特高压直流（LCC-HVDC）较为相似。整个系统包括换流站、直流输电线缆两部分，对于背靠背并网工程只有换流站建设成本。从造价费用占比构成上看，柔性直流输电工程投资中换流站投资占比为86.01%，是柔性直流输电工程投资的主要组成部分，其次为直流电缆工程，投资占比12.22%。换流站的核心设备主要包括大容量换流阀、柔性直流控保系统、直流断路器（主要用于多端联网项目中）。其他相关产品有换流变压器，电抗器，电容器等。上游关键部件为IGBT。我国柔性直流工程成本逐步下降，在国际上有竞争力。据初步估算，国产柔性直流输电设备的造价不足国外企业的50%，国际上价格约3~5亿元/100MW。目前在建的张北柔直项目单位投资约为1.4亿元/100MW。与2014年投运的舟山五端柔直项目（1000MW，投资规模为42.1亿元）相比，单位投资下降了66%。柔性直流工程的核心装备造价较为昂贵，工程技术的施工难度与成本也较高。柔性直流输电工程的建设造价是普通交流输电的数倍，因此其经济性难于凸显，很多环节的建设成本仍需要进一步下降。工程名称投运时间容量（MW）电压距离换流站个数投资金额（亿元）单位投资(亿元/100MW)浙江舟山五端柔直20141000±200kV140.1km542.14.2厦门岛四端柔直20151000±320kV10.7km2282.8云南鲁西背靠背联网20161000±350kV—2151.5张家口-北京柔性直流电网在建9000±500kV648.2km4126.41.4典型柔直工程单位投资比较：柔直核心装备及上下游产业链：IGBT柔性换流阀直流控保直流断路器其他电力设备（换流变、电抗器、电容器等）柔性直流输电工程BACKUP-乌东德电站特高压多端直流项目主设备2018年南方电网招标乌东德电站送电广东广西特高压多端直流示范工程直流主设备中标结果：本次设备招标金额达到75亿，特变电工、国电南瑞和许继集团中标金额位于前三。其中特变电工中标17.55亿元（特变电工新疆新能源6.9亿、特变电工沈阳变压器10.65亿元），国电南瑞中标10.33亿元（南瑞继保工程7.3亿、南瑞继保电气3.03亿），许继集团中标8.5亿元占总金额将近一半的特高压柔直换流阀分别由许继集团（29.19%）、荣信汇科（24.44%）、南瑞继保（20.77%）、特变电工（19.55%）等4家公司获得特高压直流控制保护系统由南瑞继保独得（中标金额3.03亿元）乌东德送电广东广西特高压多端直流示范工程是国家特高压多端直流的示范工程，采用±800千伏新型多端混合柔直技术。工程设有云南昆北、广西柳北、广东龙门±800千伏换流站，输电容量800万千瓦，建设±800千伏直流输电线路1489千米，总投资约242.5亿元，预计2020年底具备投运条件。该项目是首个特高压多端混合直流工程、世界上容量最大的特高压多端直流输电工程、首个特高压柔性直流换流站工程、首个具备架空线路直流故障自清除能力的柔性直流输电工程。柔性直流核心设备市场壁垒及竞争格局上游核心器件IGBT仍需进口，主要来自ABB、东芝、英飞凌等公司产品。IGBT换流阀国内只有南瑞集团（南瑞继保和普瑞工程）、许继、荣信、西电、特变电工等6家供货商，直流控制保护系统只有南瑞继保、许继、四方继保3家供货；直流断路器有许继、南瑞集团（普瑞工程和南瑞继保）、思源、北京电力设备总厂供货。柔直核心设备供应商有各自特殊的背景，如南瑞、许继是国网下属企业；西电为央企背景；荣信在2013年就已进入国内柔直市场，参与了南网第一个柔直工程，与南网有多年的合作历史，目前还没中标过任何国网的柔直工程。特变与南方电网公司合作研发换流阀，中标南网乌东德柔直工程（6.9亿）。柔直核心设备厂商往往与院士有密切合作，或与国网和南网开展合作研发。例如南瑞继保与沈国荣院士在直流控保上的合作；四方继保的杨奇逊院士；思源电气将潘垣院士的机械式直流断路器进行了产业化；特变电工的换流阀与南方电网公司合作研发国内柔直行业市场比较封闭，企业进入门槛都比较高，尤其是换流阀、控保、直流断路器这几个技术含量最高的产品来说，客户关系可能大于技术本身。柔直领域其他的相关产品，比如换流变压器，电抗器，电容器等，开放度会高一点。但是国外柔直市场，开放度相较国内可能更高一些。目前国内很多厂家都在积极的瞄准海外市场，比如墨西哥。（来源：华科周博士）柔直核心装备及主要供应商：IGBTABB、东芝、英飞凌、三菱、中车株洲柔性换流阀南瑞继保普瑞工程许继西电荣信特变电工直流控保南瑞继保许继四方继保直流断路器许继南瑞继保普瑞工程思源北京电力设备总厂工程名称建设商投运时间换流阀直流控保直流断路器上海南汇风电场柔性输电工程国家电网2011——————广东汕头南澳三端柔直南方电网2013西电、荣信、南瑞继保

思源浙江舟山五端柔直国家电网2014许继、南瑞继保南瑞继保许继，中电普瑞厦门岛四端柔直国家电网2015中电普瑞南瑞继保——云南鲁西背靠背联网南方电网2016西电、荣信四方继保——渝鄂背靠背联网国家电网2019荣信、中电普瑞、许继许继、四方继保——张家口-北京柔性直流电网国家电网在建南瑞继保、中电普瑞、许继、ABB四方南瑞继保、许继南瑞继保、思源、许继、北京电力设备总厂、中电普瑞乌东德电站送电广东广西特高压多端直流南方电网在建特变电工、南瑞继保、荣信、许继南瑞继保——各柔直项目核心设备中标情况：资料来源：国网南网中标文件等公开资料柔性直流核心设备技术壁垒及风险技术门槛：直流断路器>直流控保>换流阀。换流阀及其控制技术相对来说已经比较成熟；换流阀主要是围绕可靠性提升以及小型化做一些研究，特别是应用于海上风电；高压直流断路器技术难度最大，现在还不成熟，目前仅仅是处于示范阶段。研发时间：据我所知，特变电工研制出第一个满足工程要求的换流阀用了3年，也就是从2013年开始，至2016年研制成功。当然，他们在2015年的时候，研制了第一代样机，不是太成熟，实验性质的。研发投入：特变电工这几年好像资金投入在1到3亿？我不是太清楚这个方面的细节。不过有一点是肯定的，做柔直，需要很大的资金投入。主要是柔直的可靠性要求高，要做许许多多的实验。由于容量大，电压等级高，柔直的技术门槛还是很高的。乌东德柔直工程中，一个半桥模块，成本大概是30多万。随便搞个简单的实验平台，就是几百万。确实有风险，特别是国内柔直市场比较封闭。国内禾望和汇川也在打算进入柔直市场，不过他们是打算做那些用于配电网的柔直，电压等级一般是低于±10KV。成本和技术难度会小很多很多。配网柔直确实看不清楚前景，目前也就只有几个配网柔直示范工程。华科周博士交流摘要：柔直核心设备研发难度：直流断路器>直流控保>换流阀研发周期长。以特变电工换流阀为例，大概要用3年时间研发成功。研发投入大，IGBT模块成本高，实验平台投资大。以特变电工换流阀为例，大概要1~3亿投资。投入产出风险大。国内柔直市场封闭，有可能产品做出来也卖不出去。可尝试成本和技术难度较小的配网柔直。IGBT换流阀IGBT换流阀是柔性直流工程的核心设备。换流阀接受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，实现两个换流站之间直流电能的可控传输，同时还可根据需求提供电网的补偿支撑。IGBT柔性换流阀的成本占工程总投资规模的20~30%左右。2016年渝鄂背靠背工程换流阀总造价约为12.23亿元，按照该项目总投资64.9亿元计算，柔性换流阀成本占比在20%左右。换流阀主要由电力电子器件(晶闸管、IGBT)、控制驱动单元、冷却系统、饱和电抗器、电容、电阻组成。柔性直流的关键在于换流阀使用了“全控器件”—IGBT。IGBT及其驱动目前还只能依靠进口，主要供应商包括有ABB、英飞凌、东芝、三菱等。2016年1月由我国中车株洲生产的IGBT也成功应用在了厦门柔性直流工程之中。但是，IGBT产品从性能到质量上看，国内产品仍然无法满足。换流阀价格太透明，利润低。IGBT换流阀的价格与电压、电流指标关系紧密，价格在1~2亿元/套级别，成本还比较高。许继集团、荣信股份、中电普瑞在2016年渝鄂背靠背项目中分别中标了4套、2套、2套IGBT换流阀，可估算出1套420KV电压等级、1488A级别的IGBT换流阀价格约在1.43~1.63亿元之间。随着IGBT模块成本下降，IGBT换流阀的毛利率在提高。根据国电南瑞公司公告中披露，2015年公司IGBT采购成本为0.68-1.02万元/MVA，至2017年已下降至0.47-0.71万元/MVA，价格下降幅度为43.66%-44.68%。年份2016中标工程渝鄂背靠背工程产品名称IGBT换流阀中标单位许继电气荣信中电普瑞数量（套）422价格（亿元）6.532.852.85电压等级DC420kVIGBT规格3.3kV/1500A额定电流1488A均价（亿元/套）1.631.431.43换流阀总投资（亿元）12.23项目总投资（亿元）64.9换流阀投资占比19%换流阀结构：换流阀价格及投资占比（以2019年渝鄂背靠背工程为例）：资料来源：公开资料厦门工程张北工程中标时间2014年2018年中标价（亿元/单站）2.426.85IGBT模块数（个）51845904IGBT模块规格DC320kV，3.3kV/1500A，1600A，MMCDC500kV，4.5kV/3000A，3000A，MMCIGBT模块售价（万元/MVA）0.940.86IGBT模块售价（万元/台）4.6711.6IGBT模块成本（万元/MVA）1.110.67IGBT模块成本（万元/台）5.498.98模块单价降幅——40%成本价（亿元）2.855.3毛利率-17.58%29.18%资料来源：公司公告，兴业证券柔直控制保护系统直流控保系统是直流输电工程的控制核心，起着直流输电工程的运行指挥的作用。换流站中的换流阀需要依靠外部指令的实时控制，才能够实现交流-直流电的变化和相关控制，这一指令来自于直流控制保护系统。柔性直流的控制保护系统与常规高压直流（LCC-HVDC）的控制保护系统具有一定的相似性，但从技术难度上看各有千秋。柔性直流控制两端站之间不需要通信，而特高压直流的传统输电两端站之间需要通信协调。另外，特高压直流的器件通断频率就是正常的50HZ，因此对于信号的进度需求较弱，而柔性直流输电换流阀的通断频率在100~200Hz，因此其控制信号复杂度也相对较高。直流控保的产品利润率很高，大概在50%以上，销售价格在2~3亿元/线路根据国电南瑞公告，南瑞继保出产的高压直流控制保护(工程)在2015、2016年度的销售价格在2~3亿元/线路。2018年乌东德电站特高压多端直流项目中，南瑞继保特高压直流控制保护系统中标金额为3.03亿元直流控制保护系统作用示意图：直流控制保护系统价格：高压直流断路器高压直流断路器是直流输电线路由“线”组“网”的关键，也被称为极线断路器。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，就在于可提供及时切断线路的设备。对于直流输电系统，高压直流断路器将成为未来直流电网系统中的核心装备。高压直流断路器从原理上主要分为机械式直流断路器和混合式直流断路器两种。在混合式直流断路器方面，2016年全球首个投入工程应用的高压直流断路器在舟山柔直系统投入，该200kV直流断路器由国家电网全球能源互联网研究院研制（许继和中电普瑞中标）。机械式直流断路器方面，2014年南网科研院、西安高压电器研究院、西安交通大学研制出了55kV直流断路器单元样机。2017年世界首台机械式高压直流断路器在南方电网南澳柔直工程挂网运行（思源中标）。直流断路器现在还不成熟，刚刚实现产业应用，目前仅仅是处于示范阶段。目前全世界仅在舟山柔直项目、南网南澳项目中投运了高压直流断路器。在建的张北柔直项目共建4个换流站，每个换流站4台高压直流断路器，共计16台，投资约13亿元。除了已投运和已中标的厂商，还有ABB、ALSTOM、中国西电等公司完成了高压直流断路器的样机研制，但还未挂网运行。以张北柔直项目为例，±500kV极线断路器每台均价在7000万~9000万之间。其中思源电气提供的为机械式直流断路器，将潘垣院士的机械式断路器进行了产业化，不需要用IGBT等器件，可靠性高，价格相对较低，均价在7000万左右。在建张北柔直项目极线断路器中标企业及报价：包号项目单位项目名称台套中标厂商投标报价（万元）单价（万元/台）包1冀北电力有限公司张北柔性直流电网±500kV张北换流站工程4南京南瑞继保工程技术有限公司359308,983包2北京市电力公司张北~北京柔性直流示范工程（北京段）4南京南瑞继保工程技术有限公司359008,975包3冀北电力有限公司张北柔性直流电网±500kV丰宁换流站工程2思源电气股份有限公司136806,840包4冀北电力有限公司张北柔性直流电网±500kV丰宁换流站工程2许继集团有限公司178108,905包5冀北电力有限公司张北柔性直流电网±500kV康保换流站工程2北京电力设备总厂有限公司149017,450包6冀北电力有限公司张北柔性直流电网±500kV康保换流站工程2中电普瑞电力工程有限公司178008,900合计16——136021

8,501电压等级混合式断路器机械式断路器40kV300万120万160kV1600~2000万600万500kV~9000万~7000万混合式和机械式直流断路器价格比较：柔性直流输电在海上风电的应用02章节PART海上风电输变电方案一览海上风电组网构架HVAC与HVDC海上风电应用比较LCC-HVDC与VSC-HVDC海上风电应用比较柔性直流输电在海上风电的应用进展及趋势如东海上风电柔性直流输电示范项目概况中广核新能源射阳海上风电场柔性直流输电项目概况海上风电直流送出架构：海上风电输变电系统主要有交流、直流及交直混合方案，以下为五种输电方案方案1：风机输出为交流，经交流33/66kV汇集，升压至交流220kV，以交流电输送至电网，这是目前最成熟的技术；方案2：风机输出为交流，经交流33/66kV汇集，升压至交流220kV，在换流站变为直流±320kV，这在西欧广泛应用；方案3：风机输出为直流，经中压直流汇集，变为交流并升压至220kV，以交流电输送至电网；方案4：风机输出为直流，经中压直流汇集，升压至直流±320kV，以直流输送至电网（TenneT“2站合1”方案）；方案5：风机输出为直流，经中压直流汇集，并直接输送至电网。资料来源：欧洲海上风电海上风电场海底输电线路电网侧陆上降压/换流站海上风电输变电方案一览海上升压/换流站海上风电交流送出架构海上风电场交流送出架构主要构成：海上风力发电机（含基础、塔架），海上变电站，海底电缆，陆上电缆，陆上变电站，陆上电网等；海上风电场直流送出架构主要构成：海上风力发电机（含基础、塔架），海上升压站，海上换流站、海底电缆，陆上电缆，陆上换流站，陆上电网等海上风电直流送出架构海上风电组网构架—交流(HVAC)与直流(HVDC)HVAC与HVDC海上风电应用比较对远距离、大容量传输，高压直流（HVDC）方式比高压交流（HVAC）方式更具优势。技术上：1.高压交流(HVAC)输电技术要求风电场与所连接的交流电网需保持严格同步，但随着风电场规模的扩大，交流并网存在的电压和频率稳定性问题，成为限制其发展的主要因素。而直流并网可以与电网异步运行。2.海上风电送回使用交流海缆损耗大，限制了传输距离。海上风电场的电能送回，需要使用海底敷设电缆。使用交流电缆时，海水（海床、土地等）-绝缘层-电缆形成了等效电容，在传输电时，会形成较大的损耗，特别是随着输电距离的提高，其损耗会加速增长。直流输电不存在等效电容效应，因而直流海缆、陆缆的输电距离具有很大的提升空间。经济上：海上风电场规模越大，等价距离越短，直流方案的经济性越好，开发规模大于600MW的海上风电场，离岸距离为50~80km时，直流方案相对交流方案有优势。220kV交流方案与VSC-HVDC直流方案对比，投资包括海上变电站（换流站）、海底电缆和陆上部分组成；交流方案中，海上变电站侧按照低压配置无功、高低压侧均配置无功两种情况分别计算投资；输送距离越远，直流比交流的经济型就越好，等价距离为交流方案与直流方案造价相同时的输送距离。交直流输电建设费用与输电距离关系：资料来源：《海上风电典型送出方案技术经济比较研究》数据来源：《海上风电典型送出方案技术经济比较研究》220kVAC与VSC-HVDC等价送出距离：海上风电场规模等价距离低压侧补偿高低压侧补偿200MW247km241km300MW204km198km400MW133km129km600MW84km80km1000MW49km46km50~80kmLCC-HVDC与VSC-HVDC海上风电应用比较常规直流输电（LCC-HVDC）的传输并网方式不受传输距离的限制，风电场的频率可以大范围变化，但换流站成本较高，常规直流不具备发出无功的能力，且易发生换相失败，占地面积较大，一般用于特大型海上风电场并网。柔性直流输电（VSC-HVDC）继承了常规直流并网优点的同时，避免了常规直流并网存在的问题。但受大功率IGBT发展水平的限制，换流站成本较高。VSC-HVDC换流站占地面积小，而且重量轻，更能满足海上风电对换流站的需求。因此比较适合于中大型海上风电场的并网。VSC-HVDC拓扑图：

柔性直流输电（VSC-HVDC）常规直流输电（LCC-HVDC）共性无需风电场与所连接的交流电网保持同步

换流站成本较高无功情况为风电场提供动态无功支撑不具备发出无功的能力，需要无功补偿占地面积占地面积小，适合海上风电场占地面积较大重量小，适合海上风电场大功率潮流有功、无功功率分别控制只可控制有功功率换相问题没有换相失败的风险，减小了风机因低压脱网的概率有换相失败适用场景中大型海上风电场并网特大型海上风电场并网LCC-HVDC与VSC-HVDC海上风电应用比较：HVAC、LCC-HVDC、VSC-HVDC综合比较资料来源：《海上风电场输电系统选择》，张开华、张智伟、王婧倩、叶军，SOLARENERGY2/2019400～600MW的近海风电场和深海风电场，宜采用柔性直流输电(VSC-HVDC)并网；200MW以内的潮间带风电场和离岸距离100km以内的风电场，宜采取高压交流输电并网200～400MW的近海风电场，宜根据离岸距离选择并网方式；更大容量的风电场则需采用常规高压直流输电(LCC-HVDC)并网600～900MW的近海风电场和深海风电场，可采用柔性直流输电(VSC-HVDC)或常规高压直流输电(LCC-HVDC)海上风电场按所处海域位置分为浅海风电场和深海风电场。一般认为，离岸距离达到50km或水深达到50m的风电场即可称为深海风电场随着潮间带及近海区域风电资源的开发强度逐渐饱和以及沿海地区环境保护呼声的日益强烈，长远来看，海上风电从潮间带和近海走向深海远岸将是必然趋势。柔性直流输电在海上风电的应用进展及趋势目前世界上已在多个海上风电场中成功应用柔性高压直流输电（VSC-HVDC）技术，其中德国已成功建设多座柔性直流输电工程，传输距离大多超过100km，容量超过400MW。仅2013年德国就有Dolwin1、Borwin2、HelWin1、SynWin1等4处海上风电换电站投运。2019年7月，国内启动多个海上风电柔性直流输电项目，包括：如东海上风电柔性直流输电示范项目、射阳海上风电场柔性直流输电项目。这些项目的启动，标志着中国海上风电柔性直流输电时代的到来。德国已建成的柔直海上风电工程：如东海上风电柔性直流输电示范项目概况三峡新能源江苏如东800兆瓦海上风电柔性直流输电示范项目是我国首个海上风电柔性直流送出项目。2019年9月份完成换流阀等主设备招标。如东海上风电柔性直流输电示范项目位于江苏省南通市如东县，输送容量1100MW；海上换流站1座，陆上流站1座，两站间采用99公里海缆及9公里陆缆连接。系统方案：如东H6风电场（400MW）、H10风电（400MW）及远期拟扩建（300MW）的风电场的场区内各新建一座220kV海上升压站，风电机组发出的电能通过35kV海缆汇集至海上交流升压站的35kV线侧，经主变升压至220kV，每个220kV升压站均采用2回220kV交流海底缆接至海上柔直换流站，经海上换流站整流后采用2回直流海底电缆接至陆上换流流站，经陆上换流站逆变后采用1回500kV线路接入江苏。柔性直流输电海上风电项目核心设备的招标人为风场业主，而不是电网公司。从风机到陆上换流站所有设备属于风场业主的资产。如东海上风电柔直项目的业主为三峡新能源（三峡集团子公司），招标人为三峡机电工程技术有限公司（三峡集团子公司）核心设备中标人：风机海上升压站经35kV交流海缆汇集至升压站升压后经由220kV交流海缆陆上柔直换流站整流后经由直流海缆海上柔直换流站逆变后经由500kV线路江苏电网海上风场业主资产核心设备中标人中标金额±400kV换流阀荣信汇科电气技术有限责任公司37000.4918万许继集团有限公司37490.0000万直流控制保护系统南京南瑞继保电气有限公司10400.00万元系统方案：注：换流阀中标金额包括换流阀、阀控系统、升降维护平台、备品备件及专用工器具等）中广核新能源射阳海上风电场柔性直流输电项目概况2019年6月28日，中广核新能源射阳海上风电场柔性直流输电项目可行性研究报告顺利通过评审，柔直可研报告由华东勘测设计研究院编制，射阳县发改委、射阳港经济开发区、中广核新能源控股有限公司设计管理与技经部、工程事业部及江苏分公司、河北建投、远景能源等单位相关领导，以及南方电网科研院、浙江大学、南瑞继保、东方电缆、海油工程等单位外部专家共40余人参加了本次评审会议。2019年9月，中广核已对风力发电机组进行招标。柔直设备尚未开始招标工作。江苏射阳海上南区H3#-H5#海上风电场位于射阳港水域港界西南侧，分别由河北建投、远景能源及中广核开发建设，三个项目规划装机容量为1000MW，采用±320kV电压等级柔性直流方案进行电力输出。经三方协商，本次柔性直流送出工程拟由中广核主导建设，该项目也是首次由中广核集团主导建设的海上柔性直流输电项目。项目进展：数据来源：CWEA、BD部门测算国内：江苏、广东、福建、浙江未来海上风电累计合计装机规模达44.82GW，总投资达8600亿元，建设期为2018-2030年，由于2021年年底前并网才可享受最高标杆电价，预计2021年前将出现抢装潮；综合项目建设速度及未来新核准项目量的保守估计，预计2019、2020、2021年分别将新装机3.4GW、4.5GW、5.6GW，其中2019年增速将达106.1%，2021年后增速将明显下降；全球：全球海上风电新增装机将在2020年迎来装机高潮，主要是由于英国、德国、中国、比利时、韩国、美国等将大规模装机，现阶段西欧海上风电装机量位居全球前列，预计2025年新增装机将达20.3GW；全球陆上风电呈现周期性波动特点，新增装机量保持一个平稳态势，预计2025年新增装机量达55GW；中国海上风电新增装机预测（GW）海上风电新增装机预测全球海上风电新增装机预测（GW）数据来源：WindpowerMonthly海上风电柔性直流输电市场关键设备投资规模预测由于没有确切的海上风电柔性直流输电项目的装机规模预测，本文假设海上风电中采用柔性直流输电方式约占50%（该比例未进行验证）由于各工程项目中采用的关键设备不同，且直流断路器目前还未大规模应用，本文仅估算换流阀和直流控保在海上柔直项目中的投资额。以江苏如东800MW项目为例，该项目共采购换流阀和直流控保约85000万元，平均投资为106万元/MW海上风电柔性直流输电市场关键设备投资规模=新增海上风电装机规模*柔直项目占比*换流阀和直流控保平均投资经测算得知，2020-2025年未来6年全球海上风电柔直项目关键设备投资额累计约有155亿左右注：以上市场规模测算为理想状态，仅供参考中国海上风电柔直项目关键设备投资额（亿元）全球海上风电柔直项目关键设备投资额（亿元）柔性直流配电市场概况03章节PART直流配电及中压柔性直流配电概述中压柔性直流配电发展现状及典型项目柔性直流配电的关键设备柔性直流配电典型项目概况直流配电网电压等级及主要形态直流配电网分为中压直流配电侧和低压直流配电侧，两者通过直流变压器相连接。国际电工委员会（IEC）、电气和电子工程师协会（IEEC）、CIGRE等国际组织或机构基本明确了以1.5kＶ（±0.75kＶ）作为低压直流与中压直流的分界电压。低压直流配电网系统（典型电压为1.5kV或±750V及以下）直接实现分布式电源、储能及直流负荷的接入，其在效率、可靠性及电能质量方面的优势较为清晰，已经得到普遍认可，且得到快速发展。相对而言，中压直流配电网（电压大于1.5kV，小于±100kV）研究与应用还处于起始阶段。本部分主要对中压直流配电网进行研究直流配网优点：供电半径大，电能质量高，线路损耗低，传输效率高，节能降耗及直流配电到户，清洁能源及储能设备的便捷接入直流配电网的主要形态：低压直流配电网直流变压器柔性直流配电基于换流站的高压直流输电技术的迅速发展一定程度激励了柔性直流往配电侧的延伸。现有的柔性直流输电工程都是转化为交流电后再进行配电，需要增加换流站及交流变压器。而若使用直流配电，配电母线可以通过直流变压器直接与直流输电网连接，而无须经过交流电网的过渡，减少变换环节，提高系统可靠性。柔性直流配电是以电压源换流器为核心的新一代直流配电技术，具有响应速度快、可控性好、运行方式灵活等特点。目前的中压直流配电一般为柔性直流配电，均采用VSC型换流器实现电能的变换。为提高供电可靠性，直流配电网的中压侧与多个交流系统相连。作为交直流接口的AC/DC换流器通常采用电压源型换流器（VSC换流器）。对于直流配电网而言，由于潮流反转频繁、网络端数繁多、需要对无源网络供电，应用电流源型换流器将造成极大的不便，因此直流配电网一般不考虑采用电流源型换流器（晶闸管换流器）。类型特点高压柔性直流输电侧重发电端到负荷中心较长距离的电能输送过程，或是短距离的大容量异步电网互联中压柔性直流配电侧重变电站向用户配电的过程低压直流配电主要指低压直流微电网。传统低压直流配电技术方案中，中压配电母线电压均为交流，经过变压器得到低压交流配电线电压，再经过AC/DC变换为低压直流母线电压；而在柔性中压直流配电中，中压配电线电压就是直流，该中压直流母线电压可以是从高压交流输电网或中压交流配电网经过AC/DC变换而来，也可以从高压直流输电网经过DC/DC变换而来。各电压等级的柔性直流系统特点：直流配电系统拓扑结构目前，直流配电拓扑结构设计方案主要有：背靠背、辐射型、两端供电型、三端互联型、环型、网状。背靠背：中压交流母线通过ＡＣ／ＤＣ换流器互联，中压直流母线侧根据实际情况可接入分布式电源。背靠背可在不改变原有交流配电网结构的基础上，通过柔性换流站潮流灵活控制，可提高供电质量及供电可靠性。辐射型：是直流配电的一种基本结构，一次性投资小，继电保护整定相对简单。该结构适用于供电范围不大、供电可靠性要求不高、直流负荷相对集中的场合两端供电型：该结构可靠性较高，并可快速对故障定位，减少停电损失。但故障识别和保护控制存在一定的配合难度。适用于向特殊用户提供高质量电能，或提供大容量分布式电源的并网接口三端互联型：通过该拓扑结构的灵活控制策略可以实现当地清洁能源的就近消纳和送出并网。该拓扑适用于高新企业、直流楼宇和数据中心等对供电质量及可靠性要求较高的场景。环型：供电可靠性高，易于检测故障点，恢复供电迅速，更适合于分布式电源多点接入、高可靠供电的场合，可望成为今后直流配电发展的主流趋势。网型：网状结构本质上是多个环形结构的互联，其供电可靠性更高，但正因为其复杂的结构而使得控制和保护更加复杂背靠背型辐射型两端供电型三端互联型环型网状资料来源：《直流配电系统的组网技术及其应用》，2019年12月中压柔性直流配电发展现状及典型项目中压柔性直流配电系统建设才刚刚起步，尚处于初级阶段。虽然国内外在柔性直流配电系统领域的相关技术研究和实验系统、示范工程已逐步开展，但大都处于一般性探索阶段。在中压直流配电层面，国外具有代表性、可借鉴性的直流配电示范工程是德国亚琛工业大学校园±5kV直流配电示范工程。国内典型代表有深圳宝龙工业城示范工程、珠海唐家湾科技园示范工程、杭州大江东新城示范工程、贵州电网示范工程、苏州工业园示范工程等。典型中压直流配用电工程：中压柔性直流配电系统关键装备中压柔性直流配电系统的关键装备包括VSC换流器（电压源换流器）、直流变压器、直流断路器、控制保护设备。目前VSC换流器的技术相对成熟，而直流变压器、直流断路器的研发工作主要集中在低压小功率应用，在中压层面的实用化程度普遍偏低，是限制直流配用电系统应用的关键瓶颈。关键设备应用技术成熟度VSC换流器用于交直流配电网互联技术相对成熟直流变压器不同电压等级直流母线互联目前研究热点，尚无成熟产品直流断路器开断故障电流、故障恢复与隔离目前研究热点，尚无成熟产品控制保护设备直流配电网核心目前研究热点，尚无成熟产品直流配电关键设备：中压柔性直流配电系统关键装备—VSC换流器目前，VSC换流器（电压源换流器）有两电平、三电平和模块化多电平(modulatormultilevelconverter，MMC)等拓扑方案。MMC换流器有可扩展的模块化结构、普适的工程应用等特点，是当前中高压系统应用的主流。两电平、三电平拓扑结构的VSC型换流器存在谐波含量大、开关频率高及损耗大等缺点，制约了其在中高压配电系统中的广泛应用。模块化多电平VSC型换流器结构具有波形质量高，损耗相对较低、对IGBT器件电压等级要求低、易实现冗余结构从而提高可靠性等一系列的优点。MMC换流器目前虽然技术成熟，但小型化、紧凑化仍是未来有待突破的地方。三相两电平VSC换流器及接线示意图：MMC的主电路结构：中压柔性直流配电系统关键装备—直流变压器直流变压器是直流配电系统变电环节的重要设备，中压的直流配电系统通过直流变压器变换成低压直流之后，才能向低压负荷供电。中压直流变压器须考虑隔离，由中压DC/AC换流器、高频变压器和低压AC/DC换流器构成。中压侧直流通过单相中压DC/AC换流电路转换成高频交流之后，经高频变压器转换成低压高频交流，再经AC/DC换流器变换成低压直流，实现中压直流和低压直流的相互转换。目前针对直流变压器的研究主要有3种主电路拓扑：1）双向半桥；2）串联谐振变换器；3）双主动全桥(dualactivebridge，DAB)。DAB是最适合构成直流变压器的子模块拓扑，也是当前学术界和工业界研究重点。目前直流变压器的研究仍然集中在理论分析和实验样式验证阶段。能量路由器是直流变压器的扩展，将单输入输出的直流变压器进一步发展为具备多个交、直流端口的电能路由器，可以有多个具有不同电压等级的交流或直流端口，交流端口连接交流子网/微网和交流型分布式电源、直流端口则主要连接直流子网/微网、直流型分布式电源及直流负荷直流变压器结构示意图直流变压器结构示意图：中压直流变压器国内外机构研究对比：资料来源：《直流配用电系统关键技术及应用示范综述》，2018年12月中压柔性直流配电系统关键装备—直流断路器直流断路器是直流配电网安全运行和保护的关键设备，用以防止直流配电网中故障范围的扩大。目前，直流断路器大致分为三类：基于常规开关的传统机械式断路器、基于纯电力电子器件的固态断路器和基于两者结合的混合式断路器。机械式直流断路器的通态损耗极小，带载能力强，具有良好的静态特性，但由于自身结构的制约，开断电流时产生的电弧极易损坏触头，切除故障所需时间较长，无法在所需时间内灵活、快速动作。全固态断路器则具有良好的动态性能，动作迅速、灵活、无电弧，但由于存在通态损耗较大、承载过压过流的能力较低等无法克服的缺点，其工程应用受到了极大的限制。将机械式断路器与全固态断路器的优点相结合，混合式直流断路器具有通态损耗小、动作迅速等特点，是目前直流断路器研发的方向所在中压大容量直流断路器研发对比：资料来源：《直流配用电系统关键技术及应用示范综述》，2018年12月混合式直流断路器的基本电路结构：中压柔性直流配电系统关键装备—控制保护设备目前针对直流系统的控制研究，主要集中在高压直流输电和低压直流微网中，尚没有成熟的中压直流配电网的控制策略。不同于高压直流输电和低压直流微电网，中低压直流配用电系统将存在多个电压等级，系统内除包含独立并网的分布式电源外，还可能包含直流微电网，将使系统表现出多层级。多层级的控制架构可扩展性差，不利于系统内大量电力电子设备实现即插即用以及快速控制的需求。因此，扁平化、易拓展的灵活控制架构是未来直流配用电系统的应用趋势，将上层系统部分决策功能下放到终端设备里可有效提高控制系统的简易化和实用化。未来针对多电压等级直流配用电系统级和设备级保护整体优化配置方案将是直流配用电系统保护技术的重点研究方向。典型项目—许继园区交直流互联配电示范项目许继园区交直流互联配电示范项目：许