TUhjnbcbe - 2024/5/20 14:32:00
随着技术的发展，电能的获取方式愈发多样化，人类对于电能的依赖越来越强。电能是清洁、高效、便利的终端能源载体，在人类终端能源消费中的比例会逐步提高。根据国际能源署(IEA)研究成果，提高电气化水平是全球能源系统发展的驱动力。过去30年，电能占终端能源消费比重从9%提高到17%，年前将提升至25%，还有很大的提升空间。在供给侧，新兴的可再生能源基本都以转换为电能为主。在消费侧，新能源汽车、轨道交通、建筑用能等产业的发展，带动了电代油、电代煤等发展趋势。同时，电能相关技术也在持续发展中，以电力电子技术为代表的新一代电气技术正在各个领域大范围普及开，特别是IGBT为代表的可关断器件开始大范围推广。在可以预见的未来，半导体技术、超导技术、离子技术等先进技术的辅助推动下，人类对于电能的利用手段会进一步提升，电能在现代人类文明中所起到的作用也会日益增强。在众多技术中，柔性直流输电技术成为了目前电网技术领域最具革命性的代表之一，也是已经开始商业化应用的成熟技术之一。柔性直流输电技术在继承传统直流输电技术的基础上，依靠基于IGBT器件可关断特性的脉宽调制技术，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。也就是说，柔性直流技术在承担电能输送的任务同时，不但不会给交流电网产生冲击，还可以参与电网平衡控制，接受调度指令参与调节。这一特性决定了其在可再生能源并网、远海风电并网、区域电网分割控制等领域的巨大应用潜力。年，欧洲就提出了基于柔性直流的超级电网(SuperGrid)规划，以实现风力发电及其他可再生能源发电的大范围传输和分配，解决大规模风电接入电网的挑战。英国、德国、法国、挪威、丹麦等国家在英国东部海域、德国北海和本土等区域开展了大量柔性直流输电工程的建设。柔性直流输电环节的嵌入，是对传统交流电网的有效补充。传统交流电网是“刚性”的“管道”，无法在控制功率潮流的流动，只能依靠调度中心实时监控电源、负荷，通过调节不同地区发电机组发出功率大小，实现各个层级电网的功率平衡，在电网中间环节没有能够控制功率传输大小的“阀门”。另一大问题在于，交流电的电压与电流的波形，都以一定的频率正弦曲线波动，如果需要通过交流电缆连接两交流电系统，必须保证波动的同步性才可以实现并网。然而，交流电网的连接，不但会使得故障传播范围加大，而且规模提升也会倍增短路故障的破坏力，威胁大电网安全，需要更多的隔离、断路保护装置。而柔性直流电网可以作为桥梁，实现电网连接的同时，不需要同步、不扩大电网容量、不增加短路故障电流、可隔离潮流冲击，还可作为无功补偿支撑两端电网无功需求，成为有效的“缓冲器”。从更高的维度看，柔性直流输电是IGBT器件为基础的新一代电力电子技术在电网领域的渗透。电力电子技术伴随晶闸管、IGBT等电力电子器件的出现和改进，已经经历了60多年的发展历程。20世纪末IGBT的出现并逐步成熟。IGBT是功率MOSFET和GTR的复合产物，性能优越兼具了多种优点于一身。IGBT的绝对优越性能，使之成为了本世纪初的电力电子技术发展主流，并衍生出了一系列相关设备产业的发展，如光伏逆变器、变频器、高频整流等，并进一步带动了光伏发电产业、变频空调、高铁、电动汽车等一系列产业的发展。其可控电压等级从最初的几十伏特一跃提升至上千伏特等级，电力电子技术可控功率跃升至万千瓦级别。可以说，当前这个时代是IGBT统领大功率电力电子的时代，掌握了IGBT制造、应用核心技术的企业是这一时代的大功率电力电子技术的主流。而柔性直流输电技术，便是IGBT进一步向高压输电领域渗透的成果。目前，我国电力设备的产业集群，从科研到产业再到应用，形成了较为统一的整体，并通过南汇、南澳、舟山、厦门等多个示范项目的尝试，最终完全实现了柔性直流工程技术的国产化，并逐步走向成熟。年6月，全球能源互联网研究院与南瑞集团联合体作为换流站建设商的“柔性直流工程供电方案”，成功中标英国设得兰岛的供电建设招标，一举击败了西门子、阿尔斯通等国外厂商，柔性直流输电工程技术走出了“国门”。打破海外垄断，打开百亿级市场空间技术全面实现国产化，打破垄断成本优势凸显此前，世界上掌握柔性直流输电的公司只有ABB、西门子、阿尔斯通三家，这三家大型公司垄断了全球的柔性直流输电技术市场。国家电网、南方电网于年启动柔性直流输电技术专项研究，在柔直领域与诸多公司合作，以实现工程技术的国产化，打破了由国外公司的技术垄断。1、国外寡头垄断国际市场局面逐渐被国内厂商打破目前，国际上ABB、西门子两家公司基本垄断了柔性直流工程市场，我国国家电网、南方电网分别以总招标形式建设了5条、2条柔直工程。柔性直流工程属于输电领域的顶尖技术，需要多种技术装备的集成，以及整体调试。因此，柔性直流工程需要有强大的技术支持，只有如ABB、西门子这类拥有全类别电力技术的公司才能够实现。根据国电南瑞公告，早期的传统直流输电工程，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，国家按照国家开始按照“市场换技术”的思路布局相关产业。其中，继保电气承接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。此后，国内各家公司通过自主研发进一步消化升级了这些技术，从而成功研发出了具有自主知识产权的柔性直流输电技术。2、多方协作实现技术国产化，性能等级进一步升级国家电网公司与国内许继集团、南瑞集团以及诸多科研机构合作，实现了技术的全面国产化。年7月投运上海南汇风电场柔性直流输电工程，这是亚洲首个具有自主知识产权的柔性直流工程。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。舟山五端、厦门岛柔直示范工程的投运是技术开始成熟的标志。我们认为，在国家电网、南方电网以及普瑞工程、南瑞继保、许继电气等公司的集中研发下，我国已经具备了柔性直流输电工程技术的完全自主知识产权，已经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，并且具有很强的竞争力。成本逐年下降，未来有望逐步凸显经济性价值。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/MW计算，一个0MW的项目设备成本可节约近40亿元。我国舟山五端柔直投资规模为42.1亿元，厦门柔直投资28亿元，鲁西背靠背，包括0MW柔直和MW常规直流输电，整体投资为35亿元。三个项目总容量均为0MW，投运时间、电压等级、建设年份均有不同，但是仍然可以明显看出成本下降趋势。张北柔直流电网建设4个端站，总容量是舟山、厦门、鲁西项目的9倍，而投资额分别仅为这三个项目的3倍、4.52倍、8.4倍。尽管考虑到，舟山为海上架设线路、鲁西背靠背项目不需要架设线路等影响，张北柔性直流项目的建设成本下降空间仍然非常显著。打破垄断剑指欧洲市场。年中旬，中电普瑞成功入选英国国家电网公司设得兰(Shetland)工程柔直换流站唯一合作伙伴，提供换流阀、联接变压器等关键设备。中电普瑞击败了西门子、GE电网等一流直流成套供应商，再次证明其自有技术柔直换流阀已达到世界领先水平，获得了国际认可。根据媒体报道，英国苏格兰北部的设得兰岛上，用电一直由当地勒威克镇的发电厂提供。年该发电厂将会退运，苏格兰配电公司就供电电源问题开展工程招标。年10月，英国国家电网公司(NG，NationalGrid)提出通过柔性直流输电向岛屿供电的方案，参与了这个项目的竞标，而其余竞标方方案均为在本地新建发电厂。NG则开始招标寻找承包这个项目的换流站部分的建设商，全球能源互联网研究院与南瑞集团组成的联合工作组在西门子、阿尔斯通等共4家供应商的竞争中成功中标，成为建设换流站合作伙伴。年6月，柔性直流输电向岛屿供电的方案成功中标。市场高度集中，核心装备将成为相关公司新增长点柔性直流输电工程投资主要在于换流阀以及配到相关的电气设备，其成本构成与特高压直流较为相似。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。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。未来，随着多端柔直的普及，高压直流断路器也将获得巨大的需求。在国电南瑞公告中，所提到的南瑞继保电气率先研制出的柔性直流全套核心设备主要包括:1、大容量换流阀;2、高速阀控;3、多端控制保护;4、高速测量设备。1、IGBT换流阀——柔性直流工程的核心柔性直流的关键在于换流阀使用了“全控器件”—IGBT。与传统的高压直流输电(如特高压直流)相比，柔直中使用的换流阀是由可关断器件—IGBT组成的，而常规的直流输电工程中的换流阀使用的是晶闸管。目前我国能够生产IGBT换流阀的公司包括有许继电气、普瑞工程、南瑞继保、中国西电、荣信电力电子等五家公司。IGBT换流阀是柔性直流工程中的核心设备。换流阀是所有直流输电工程的核心设备，其成本约占换流站成套设备的22~25%，柔性直流工程占比更高。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。其中，电力电子器件是决定输电工程性质的关键，常规高压直流输电(包括特高压)使用的是晶闸管，柔性直流输电使用的是IGBT。许继集团(许继电气)、南瑞集团(继保电气、普瑞工程)、中国西电、辽宁荣信等四家公司是我国生产换流阀的主要厂商。许继集团从上个世纪80年代开始便着手研制直流输电工程技术，是直流输电领域的龙头，参与了舟山柔直、渝鄂背靠背等工程。南瑞集团下属的中电普瑞、南瑞继保，是柔直领域技术最为全面的两家公司，中电普瑞承担了厦门柔直项目，南瑞继保承担了舟山柔直项目。中国西电曾为南方电网“鲁西背靠背直流工程”广西侧±kV/0MW柔直换流阀供货。荣信股份也为“渝鄂背靠背直流工程”提供IGBT换流阀。许继集团、辽宁荣信在年分别中标了6套、4套IGBT换流阀，中标金额分别为9.8亿元、5.75亿元，可估算出1套KV电压等级、A级别的IGBT换流阀价格约在1.43~1.63亿元之间。根据国电南瑞公告的普瑞工程数据显示，普瑞工程采购额IGBT价格目前在~7元/套左右。年1~6月，普瑞工程采购IGBT金额共计3,.53万元，生产换流阀(子模块)套。从国电南瑞公布的数据来看，14年执行的厦门柔性直流项目换流阀总造价4.84亿元，毛利率为-17.58%。综合测算下来总成本约为5.70亿元。按照当时厦门柔性直流输电总投资28亿元计算，柔性换流阀其成本占比在20%左右。从目前掌握的情况来看，柔性换流阀仍处于试制阶段，因此造价成本还比较高。尽管还未能找到最新的数据验证，但是通过近三四年柔性直流工程总投资的情况看，我们认为换流阀的成本已经开始逐步降低，整个工程的造价也下滑。我们判断，柔性环流阀的成本占比将逐步稳定在工程总投资规模的25~30%左右。2、直流控制保护系统——柔性直流的“大脑”换流站的二次系统主要包括直流控制、直流保护、交流控制保护、SCADA(SupervisoryControlAndDataAcquisition，监控与数据采集系统)。其中，交流控制保护系统及SCADA系统关于交流变电厂的控制系统相似。变电站中的核心设备变压器是一种“被动”设备，不需要外部指令信号控制，依靠交流电自身的电压变化和自身电磁原理的物理特性就可以实现电能的传输与电压等级改变。而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(以下简称“直流控保系统”)。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，实现了两个换流站之间的直流电能的可控传输。同时，还可以根据需求提供电网的补偿支撑。根据国电南瑞公告，继保电气出产的高压直流控制保护(工程)在、年度的销售价格在2~3亿元/台(套)。我们认为，柔性直流的控制保护系统与高压直流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。例如，柔性直流控制两端站之间是不需要通信的，而特高压直流的传统输电两端站之间需要通信协调，因此加大了控制复杂度。但另一方面，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~Hz，因此其控制信号复杂度也相对较高。3、高压直流断路器——多端柔直走向直流电网的管家直流输电系统的升级发展，保护设备——断路器是关键。我们目前的交流电网中布置着大批量的电路开断设备，小到家庭使用的空气开关，大到变电站的高压负荷开关、断路器等等。这些能够及时切断线路的设备，是保障电网及时切断线路，隔离故障区域、故障点的关键所在。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。高压直流断路器是直流输电线路由“线”组“网”的关键。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。年12月29日，应用于舟山五端柔性直流输电工程的kV高压直流断路器投运。此次共使用了两个断路器，一家供货商为许继电气，另一家供货商为南瑞集团下属子公司普瑞工程。目前，ABB、ALSTOM、中国西电等公司已经都完成了高压直流断路器的样机研制，但是成本普遍偏高，并且还未挂网运行。核心器件仍然需要进口，国产替代进程逐步加快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。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。获取本文完整报告请百度搜索“乐晴智库”。