文｜阿爾法工場
古今中外，人類的文明發(fā)源地大多數(shù)誕生于江海河流之畔。對于中華民族而言，黃河是中華文明最主要的發(fā)源地，被譽(yù)為母親河。對于歐洲而言，最早的文明是愛琴海文明，至今流傳著希臘神話和斯巴達(dá)的傳說。 經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的國家、城市亦是誕生于流域之區(qū)，不得不承認(rèn)的是運(yùn)輸基礎(chǔ)條件是一個重要的因素。交通要道，自古以來便是兵家必爭之地。
從道路和運(yùn)輸?shù)淖冞w來看，公路從羊腸小道到土路，再演變成柏油馬路、高速公路；火車從綠皮車到特快直達(dá)再到動車高鐵。
可以說，交通運(yùn)輸演變的歷史進(jìn)程承載著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、人類的遷徙、社會的變遷，甚至于國家之間的博弈，人類文明的傳承。
能源運(yùn)輸同樣如此。 公元前600年，希臘哲學(xué)家泰勒斯發(fā)現(xiàn)了磁吸鐵現(xiàn)象，而中國早在公元2500年前就已經(jīng)具備了磁石知識。 直到1831年，法拉第發(fā)現(xiàn)了偉大的電磁感應(yīng)現(xiàn)象，奠定了發(fā)電的基礎(chǔ)。而后愛迪生和特斯拉分別代表直流電和交流電相愛相殺。
期間，包括火電、水電等電力建設(shè)開始大規(guī)模鋪展開來，電力系統(tǒng)、電力應(yīng)用進(jìn)入高速發(fā)展期。 近幾年，在全球雙碳背書下，綠電掀起的新能源浪潮中，對電力系統(tǒng)提出了新的需求。
就我國而言，十四五規(guī)劃新能源發(fā)電占據(jù)了20%的發(fā)電量，未來將會達(dá)到80%以上。想要達(dá)成這一目標(biāo)，電網(wǎng)迫切需要改變，電網(wǎng)對清潔能源的輸送，調(diào)配，促進(jìn)消納等就顯得尤為重要。 實現(xiàn)這一切離不開這樣一項至關(guān)重要的技術(shù)——特高壓。
01 對電力資源的整合離不開特高壓
通常電壓按照大小等級分為安全電壓——36V以下；低壓——220V和380V；高壓——10KV-220KV；超高壓——330KV-750KV。 我們常見的家庭用電壓220V，普通電池1.5V，人體安全電壓36V。
特高壓是指電壓等級在交流1000千伏以上和直流±800千伏及以上的輸電技術(shù)，具有輸送容量大、距離遠(yuǎn)、效率高和損耗低等技術(shù)優(yōu)勢。 正是這一優(yōu)勢決定了特高壓在電網(wǎng)建設(shè)中無法取代的核心地位。
具體來看，受經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和人口密度因素，我國電力供給和需求呈現(xiàn)出明顯的不均衡現(xiàn)象。廣東、浙江為代表的東南部各省嚴(yán)重依賴外省電力輸送，而西南、西北各省則存在著富余現(xiàn)象。
受環(huán)保和資源限制，在東南各省大量新增發(fā)電廠顯然不具備實際意義。需要將西南、西北省市富余的電力調(diào)配到東南電力緊缺的各省使用。 西北、西南到東南各省距離大于1000KM，甚至3000KM，需具備大容量、長距離的電力輸送方式。
西電東輸實則是對資源的一種調(diào)配，完成資源的整合，提升效率。這種思想不乏先例，比如西氣東輸，南水北調(diào)。 技術(shù)落地推廣的一個重要因素是經(jīng)濟(jì)性，特高壓在遠(yuǎn)距離輸送電力上具備更大的競爭力。
據(jù)估計，1條1150千伏輸電線路的輸電能力可代替5～6條500千伏線路，或3條750千伏線路?？蓽p少鐵塔用材三分之一，節(jié)約導(dǎo)線二分之一，節(jié)省包括變電所在內(nèi)的電網(wǎng)造價10～15%。
1150千伏特高壓線路走廊約僅為同等輸送能力的500千伏線路所需走廊的四分之一。這對于人口稠密、土地寶貴或走廊困難的國家和地區(qū)會帶來重大的經(jīng)濟(jì)和社會效益。 另一方面，新能源發(fā)電為代表的風(fēng)光大型基地主要分布于西南、西北地區(qū)，距離東部較遠(yuǎn)。通過特高壓調(diào)配電力的同時也減少了棄光、棄風(fēng)的現(xiàn)象，進(jìn)一步提升了新能源發(fā)電的消納能力。
02 特高壓的高增時刻
特高壓的規(guī)模化推廣應(yīng)用不僅僅在于新能源發(fā)電對電力系統(tǒng)提出新的需求，迫切需要改變，也在于電網(wǎng)有較強(qiáng)的投資支撐能力。
伴隨著我國經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展，用電量需求也在逐步攀升。根據(jù)國家能源局統(tǒng)計，2021年，全社會用電量83128億千瓦時，同比增長10.3%，較2019年同期增長14.7%，兩年平均增長7.1%。
與此同時，新能源發(fā)電高速發(fā)展，風(fēng)電裝機(jī)容量約3.3億千瓦，同比增長16.6%；太陽能發(fā)電裝機(jī)容量約3.1億千瓦，同比增長20.9%。
用電需求的增加疊加新能源發(fā)電建設(shè)使得我國電網(wǎng)投資重歸增長態(tài)勢。
2020年國家電網(wǎng)投資金額達(dá)4605億元，較2019年增加了132億元，同比增長2.95%，2021年國網(wǎng)計劃投資4730億元。
據(jù)中國能源報報道，2022年電網(wǎng)投資額規(guī)劃為5012億，同比增長6%，創(chuàng)造歷史新高。 2021能源電力轉(zhuǎn)型國際論壇上，國家電網(wǎng)公司董事長、黨組書記辛保安披露，“十四五”期間國家電網(wǎng)計劃投入3500億美元（約合2.23萬億元），推進(jìn)電網(wǎng)轉(zhuǎn)型升級。整體保持增長態(tài)勢。
相比于以往年電網(wǎng)的建設(shè)情況，市場更加關(guān)注十四五特高壓的建設(shè)規(guī)劃以及超預(yù)期的空間。 國網(wǎng)提出將于“十四五”期間新建特高壓線路“24 交 14 直”，涉及線路長 3 萬余公里，總投資共計3800億元。
2020年十三五結(jié)束時“14交12直”共3.59萬公里規(guī)模，十四五的計劃接近翻倍，力度之大為歷史首次。也體現(xiàn)出作為最有效的遠(yuǎn)距離輸電手段。
特高壓在保證風(fēng)光大基地消納和中東部地區(qū)提高可再生能源消費(fèi)比例需求方面的重要性和迫切性。
據(jù)業(yè)內(nèi)人士稱，交流線路平均投資規(guī)模為115億元，直流線路為232億元。因此2022年僅新開工涉及的特高壓項目規(guī)模將達(dá)到約1843億元，疊加過往項目（4交2直）建設(shè)穩(wěn)步推進(jìn)。項目涉及總投資規(guī)模將達(dá)到2781億元。
儲備規(guī)劃項目方面目前已披露6交9直，未來建設(shè)后勁充足。
據(jù)國網(wǎng)披露，2020年特高壓項目投資規(guī)模為1811億元，有效帶動社會投資3600億元，拉動了近兩倍社會投資。特高壓建設(shè)加速將有效助力穩(wěn)增長目標(biāo)實現(xiàn)，穩(wěn)定社會預(yù)期。 如此看來，特高壓賽道長期景氣。
03 設(shè)備是重中之重
特高壓產(chǎn)業(yè)鏈可分為上游材料、中游設(shè)備與建設(shè)以及下游電網(wǎng)與配電設(shè)備。
上游環(huán)節(jié)主要涉及相關(guān)材料與元器件，包括鋼材、有色金屬、化工材料以及電子元器件等環(huán)節(jié)，原材料成本約占特高壓電器的20%-30%。
中游特高壓電器設(shè)備主要包括站內(nèi)設(shè)備與電纜、鐵塔。其中，站內(nèi)設(shè)備是全產(chǎn)業(yè)鏈中的技術(shù)密集環(huán)節(jié)。下游市場較為集中，主要是國網(wǎng)、南網(wǎng)等電網(wǎng)公司，還有配網(wǎng)設(shè)備公司。
在特高壓技術(shù)路徑中，有兩條分支，分別是直流和交流。可能部分投資者對于特高壓交流和直流輸電存在著爭議。
中國科學(xué)院院士、中國電科院研究員周孝信指出，直流輸電和交流輸電只能互補(bǔ)，不能互相取代。
直流輸電只具有輸電功能、不能形成網(wǎng)絡(luò)，類似于“直達(dá)航班”，中間不能落點，定位于超遠(yuǎn)距離、超大容量“點對點”輸電。
直流輸電可以減少或避免大量過網(wǎng)潮流，潮流方向和大小均能方便地進(jìn)行控制。但高壓直流輸電必須依附于堅強(qiáng)的交流電網(wǎng)才能發(fā)揮作用。
交流輸電則具有輸電和構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)雙重功能，類似于“公路交通網(wǎng)”，可以根據(jù)電源分布、負(fù)荷布點、輸送電力、電力交換等實際需要構(gòu)成電網(wǎng)。
中間可以落點，電力的接入、傳輸和消納十分靈活。
定位于構(gòu)建堅強(qiáng)的各級輸電網(wǎng)絡(luò)和經(jīng)濟(jì)距離下的大容量、遠(yuǎn)距離輸電，廣泛應(yīng)用于電源的送出，為直流輸電提供重要支撐。
盡管因輸電形式不同，特高壓直流與交流在基站數(shù)量與基站關(guān)鍵設(shè)備上存在差異，但設(shè)備投資均是特高壓項目的重中之重。
就特高壓直流項目而言，需建設(shè)換流站以實現(xiàn)交直流之間的轉(zhuǎn)變，并達(dá)到電力系統(tǒng)對于安全穩(wěn)定及電能質(zhì)量的要求，投資重心是換流站。
站內(nèi)主要包括換流變壓器、換流器、平波電抗器、交流濾波器、直流濾波器以及無功補(bǔ)償?shù)?。而換流站中最關(guān)鍵的設(shè)備就是實現(xiàn)換流功能的換流閥和換流變壓器，二者分別占項目投資的15%與12%。
換流閥，它由數(shù)量繁多的多種元器件組成，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。換流閥的設(shè)計應(yīng)用了電力電子技術(shù)、光控轉(zhuǎn)換技術(shù)、高壓技術(shù)、等多種技術(shù)融合以及高壓用絕緣材料的最新技術(shù)和研究成果。
通過依次將三相交流電壓連接到直流端得到期望的直流電壓和實現(xiàn)對功率的控制。 從20世紀(jì)50年代開始運(yùn)行的第一個瑞典哥特蘭島直流工程開始，換流閥的制造技術(shù)隨著大功率半導(dǎo)體器件的制造技術(shù)發(fā)展，換流閥裝備制造技術(shù)實現(xiàn)快速升級。
從分類上看，除了常規(guī)的晶閘管閥、還有低頻門極關(guān)斷晶閘管閥（GTO閥）、高頻絕緣柵雙極晶閘管閥（IGBT閥）。 尤其是IGBT閥是實現(xiàn)柔性直流技術(shù)壓艙石。柔性直流技術(shù)相比傳統(tǒng)直流輸電具備安全可控與靈活實用兩大優(yōu)勢，是實現(xiàn)新能源大規(guī)模并網(wǎng)的必要前提。 柔性直流輸電是構(gòu)建智能電網(wǎng)的重要裝備。
與傳統(tǒng)方式相比，柔性直流輸電在孤島供電、城市配電網(wǎng)的增容改造、交流系統(tǒng)互聯(lián)、大規(guī)模風(fēng)電場并網(wǎng)等方面具有較強(qiáng)的技術(shù)優(yōu)勢，是海上風(fēng)電的最佳選擇。
柔性直流輸電在實現(xiàn)區(qū)域聯(lián)網(wǎng)提高供電可靠性、緩解負(fù)荷密集地區(qū)電網(wǎng)運(yùn)行壓力等更多領(lǐng)域得到應(yīng)用,是改變大電網(wǎng)發(fā)展格局的戰(zhàn)略選擇。 相比傳統(tǒng)特高壓輸電項目，IGBT換流閥和極線斷路器投資占比更高，投資占比接近20%。
2007年以前，世界范圍內(nèi)實現(xiàn)柔性直流換流閥工程應(yīng)用的只有ABB公司，且采用的是兩電平/三電平技術(shù)路線，存在運(yùn)行損耗高、容量擴(kuò)展難等問題。
2007年年底，國家電網(wǎng)公司決定建設(shè)上海南匯風(fēng)電場柔性直流輸電工程。
2013～2021年，柔性直流換流閥參數(shù)不斷提升，新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，工程應(yīng)用形式從兩端到多端再到組成直流電網(wǎng)，實現(xiàn)了從科技示范到大規(guī)模應(yīng)用的飛躍。
由于柔性直流輸電的低慣性特點，故障發(fā)展速度極快，所以需要斷路器超高速的保護(hù)與之配合，作用十分關(guān)鍵。極線斷路器成本占比也達(dá)10.9%，占比甚至高于換流變壓器。
從2020年的換流閥市場競爭格局來看，國電南瑞占據(jù)半壁江山，其次是許繼電氣和中國西電。 從工程中標(biāo)情況看，柔直換流閥環(huán)節(jié)仍以國電南瑞、許繼集團(tuán)、四方電工、特變電工、中國西電等主要電網(wǎng)設(shè)備公司參與為主。極線斷路器方面，國電南瑞、思源電氣、許繼電氣等保持領(lǐng)先。
特高壓直流輸電另外一個核心設(shè)備便是換流變壓器，其主要用于長距離直流輸電的電能轉(zhuǎn)換等。
因為有交、直流電場、磁場的共同作用，所以換流變壓器的結(jié)構(gòu)特殊、復(fù)雜，關(guān)鍵技術(shù)高難，對制造環(huán)境和加工質(zhì)量要求嚴(yán)格。
這一細(xì)分行業(yè)的競爭格局較為激烈，特變電工略微領(lǐng)先，中國西電、保變電氣、山東電力設(shè)備相差不大。
在特高壓交流項目中，投資重點是變電站。變電站內(nèi)的電氣設(shè)備分為一次設(shè)備和二次設(shè)備。 一次設(shè)備主要包括變壓器、高壓斷路器、隔離開關(guān)、母線、電容器等。二次設(shè)備主要包括繼電保護(hù)裝置、自動裝置、測控裝置、計量裝置、自動化系統(tǒng)以及為二次設(shè)備提供電源的直流設(shè)備。
簡單來講，完成發(fā)電-輸電-配電功能的設(shè)備叫做一次設(shè)備，如發(fā)電機(jī)，斷路器，電流電壓互感器，變壓器，避雷器等；對一次設(shè)備進(jìn)行控制，保護(hù)作用的設(shè)備叫做二次設(shè)備，如繼電器，控制開關(guān)，指示燈，測量儀表等。
二者之間最大的差別就在于所針對的電壓等級不同。一次設(shè)備是根據(jù)高壓側(cè)來設(shè)計的,所帶電壓是強(qiáng)電，二次設(shè)備基本帶的是弱電。
變電站中GIS（氣體絕緣全封閉組合電器）與交流變壓器是核心組件，據(jù)國泰君安統(tǒng)計，二者分別占項目成本的9%與7%。
從毛利率角度看，核心設(shè)備毛利率在30%左右，凈利率在10%左右，相關(guān)環(huán)節(jié)公司業(yè)績在特高壓投資建設(shè)加速背景下彈性較大。
綜合來看，特高壓電器支出約占特高壓項目成本的60%。
假如國家電網(wǎng)3500億美元的電網(wǎng)轉(zhuǎn)型升級投資中，有40%投入到特高壓建設(shè)項目，則2021-2025年我國對特高壓電器的年均需求為1092億元，特高壓電器行業(yè)的市場規(guī)模有望擴(kuò)大。
04 尾聲
在新能源發(fā)電替代傳統(tǒng)能源的道路上，儲能、特高壓技術(shù)是必不可少的。儲能負(fù)責(zé)調(diào)峰調(diào)頻，特高壓則負(fù)責(zé)整合資源、分配資源。
風(fēng)光發(fā)電+儲能+特高壓，三者將發(fā)電、運(yùn)輸、用電有機(jī)整合，形成新能源發(fā)電產(chǎn)業(yè)閉環(huán)。
作為新基建的重要領(lǐng)域之一，特高壓建設(shè)具備產(chǎn)業(yè)鏈長、帶動力強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)社會效益顯著等優(yōu)勢。 可以預(yù)見的是，新能源發(fā)電產(chǎn)業(yè)配套產(chǎn)業(yè)隨著發(fā)電滲透率的提升同步發(fā)展，特高壓產(chǎn)業(yè)已經(jīng)蓄勢待發(fā)。