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【调研纪要】特高压、柔性直流专家交流纪要

独角兽智库 | 深入产业链研究 2021/11/27 16:34

【核心要点】

1、直流/柔性直流的应用场景: 未来发展趋势是多端、混联, 三大应用场景包括常规直流(或者常规直流搭配柔性直流),纯柔直,海上风电。

柔性直流与常规直流不是互相替代的关系,陆上柔直很多是混合的,一方面,送端为了升压,保证输送容量和耐压,用的常规直流,另一方面,受端灵活性更重要,接到不同等级电网,对灵活性要求更强一些。

未来海上风电是柔直最大的应用场景,深远海上风电送出必须使用柔直,未来在国内、海外都有很好的发展前景。许继的海上柔直技术已经完全过关。

2、设备价值量分析: 柔性直流1座换流站分为正负2级,1级2套换流阀,一座换流站4套换流阀,一套换流阀2亿,一座换流站的换流阀造价8亿左右。海上贵多了,海上3.7亿,比常规方案阀的体积数量都缩小;常规柔直的一个站用4个换流阀,海上用的换流阀数量会减少。

4、晶闸管与IGBT用量: 项目比较简单就直接用晶闸管,比较复杂的就是部分用IGBT。现在海风柔直,全部就用IGBT,但是电压等级高的柔直IGBT晶闸管必须配合使用。未来陆上的乌东德、南方电网柔直项目是晶闸管与IGBT两者搭配,取决于最佳的经济、社会效益。

5、IGBT国产化进度: 目前张北柔直使用的是国网研发的国产IGBT,但受限于成本和可靠性尚不能大规模推广。

【正文】

直流以及柔性直流未来的发展趋势

直流、柔直,未来都会发展,国家提出“3060”双碳目标,新型电力系统建设,会大幅发展风电光伏,未来把风光作为主要能源,大基地、分布式都要并举,采用大基地模式,直流输电、柔直输电,大有用场,柔直对电网灵活调节很重要。

国网公司目标建设有松动,现在直流多,交流偏少,特高压角度来讲,电网安全存在隐患。直流的话,直流的特高压,项目工程偏多,相对来说交流偏弱,国家电网想做交流,但国家不允许。现在换了一种模式,以华中电网为模板,做类似特高压交流电网,这样的话,可以平衡一下直流和交流,如果直流太多,整个大电网并不安全,国家电网也是考虑到这一点。“十四五”来看,交流、直流都会发展,交流工程更容易批下来,直流也会做,交流可能更容易批下来。

南网也类似。南方电网比较特殊,现在搞粤港澳大湾区,有动力压力,在柔性直流更重视,现在乌东工程,是中国最强的柔直工程,国网还想推广,进一步挖掘云南水电,进一步建设乌东德工程,第二面向粤港澳大湾区,会大力发展海上风电,进行统筹规划,对粤东、南海地区,并到南网。

【直流/柔直应用场景】

直流/柔性直流的应用场景

常规直流,所谓的特高压直流工程,溪洛渡-金沙江-上海,属于常规的直流,是点对点。

多端,三端柔性直流,乌东德就是三端,串联±800千伏,两个网,现在多端直流输电,正在做白鹤滩-江苏±800kv,属于特高压混合工程,是很重要模式。

三端常规直流,比如云贵互联。

趋势是向多端、混联,白鹤滩-江苏项目,未来会成为范本,特高压混合输电工程,既有常规直流,又要柔性直流。

特高压直流和柔性直流可以混合搭配。 原来的直流点对点,固定了就比较死板,未来多端3-4个点,输电通道会大幅扩展。特高压送端常规直流更适合,落点柔直更适合吗,主要是平衡整个成本,根据项目做整体评估,常规直流未来会搭配柔性直流使用。乌东德全部投运,并且运行没问题的话,项目可能就会推广,因为乌东德技术最复杂,输电容量最大。乌东德工程是纯柔直项目,是三端的方式。

Q:未来是常规直流+受端柔直、纯柔性直流两类方式,南方电网的规划比较多,纯柔直的线路是什么情况?

A: 南方电网可能乌东德还没完全消化,云贵高原的直流电网工程,不会太多。国网这边几条线路,陇东-山东,哈密-重庆,都是规划结束,已经在设计了。南方的特点在于海上柔直方面,有新的技术,在多端直流的规划,南方电网想建海上枢纽岛,作为能源站。枢纽岛可以作为海风、储能、海上制氢综合能源站,正在做设计,在粤东、南海地区,覆盖整片风电场,很多公司开发,不同风电场中间设计一个枢纽岛,作为海上能源枢纽,这个岛要和和南方电网并网,并网技术采用柔直,促进海上风光、储能、制氢,制造大型制氢。这个是他们的特点,其他技术上的话,南网可能赶不上国网。

总结:三大应用场景常规直流(或者常规直流搭配柔性直流),纯柔直,海上风电。 目前海上风电国内做成的是100km,下一步至少达到200km。这块很有前景。

【直流输电中价值量讨论】

Q:常规直流和柔性直流的换流阀价值量?

A: 柔性直流及质量肯定会更高一些,因为技术含量更高,带有直流保护系统(保护级别高很多,技术难度大),换流阀价格略高。换了柔性直流,电压不会很高,柔性直流电压等级不能做的特别高,现在新型厂家,300kv也想做成柔性直流,想跨入门槛,成本比普通变电站高,又比800kv成本低很多。

Q:一条典型的柔直线路,站点数量和换流阀的数量和一般特高压相比?

A: 张北直流工程示范意义很大,容量小,全部采用风光储,不用火电,具体到工程里面,最难的是乌东德,乌东德电压等级最高,容量最大,造价非常贵。

Q:柔性直流站点会不会多一些?

A: 乌东德3个换流站,成本比常规直流(2个站)多一倍,一个是站数增多,一个是单站价值量更高。柔直至少2个站,单条线设备的价值量也会更多。

国网公司的想法不是全部押在特高压直流,趋势是把特高压网架打深打实。现在500kv通道不足,特高压直流相当于2个飞机场,飞过来的飞机,而是巨轮,那么机场附近都要建成高速公路,才能把电能输送出去。不足之处,机场附近的高压部分,比如500kv/750KV

是平静,十四五重点换到500、750kv网架建设,这部分投资接近7000亿元,直流没问题都要建,如果把500、750kv网架建设一起考虑(交流电电网升级),价值量就会很高,现有已建成直流站要扩容,这一块电网投资很多,加上配网,至少2万亿。

许继交流特高压相对比较弱,交流是西电、特变电工强一些,强在特高压变压器,交流主要通过变压器实现。直流和交流需要搭配使用,电网安全中交流比较薄弱,直流比较弱。要把网架要做得更坚强,用于消化电能,建设直流才能有底气,否则发端、受端能力有限,送过来严重限制了直流的利用效率。

【海上柔直】

Q:海上柔直的线路,各省规划深海风电占比非常大,深海风电柔直接入是最好的方式吗?

A: 近海风电场,受制于环境污染、影响航道,现在主要发展远海,远海柔直成熟,但电缆、海缆技术不成熟,通过海底电缆输送到陆地,我国这方面不成熟,中天科技在创新,500kv可以做,算是特高压。二是,原来陆上的柔直经不起冲击、震动,容易出事故,许继通过江苏如东项目解决这个问题,海上柔直技术已经完全过关,剩下就是海上风电柔直怎么规划,一种方式是升压站就近建在海风附近,另一种是升压站、柔直站建一个海上平台,节省面积,这是一个趋势。

Q:为什么深海风电必须用柔直?其他常规直流为什么不合适?

A: 风力发电厂发的交流电,陆地也是交流电,两类电网要隔离,柔直是最好的隔离,如果直接连到陆地,两个电网要相互影响,海风电网如果出事故,会影响陆地电网,陆地也会影响海上。通过柔直,两个电网可以不同步,完全隔离开。不管各自出什么事故,双方都互不干扰,最好的办法就是柔性直流。

Q:100万千瓦风电场拉海上柔直线路过来,是不是也可以理解为两个站,跟特高压换流阀价值量会不会差不多?

A:陆上柔直比陆上常规直流站点多,单站价值量更大,普通换流阀造价2亿,海上造价3亿以上。 需要海上、陆地各1个换流站,站与站之间各有一个换流阀,陆上2个站,16个换流阀,数量基本上和陆上同等,结构更紧凑,体积更小,加上抗风、抗震动设计。海上更难,价值更高,现在路上1个换流阀2亿,海上肯定会高于这个数据,许继换流阀3.7亿一套(包括直流保护系统等),比陆地的要贵,做了特殊设计,体积非常小,陆地就是很常规的柔直换流阀。

Q:现在如东的项目走得可以吗?

A: 是的,已经并网了,风电场的风全部通过柔直送到江苏电网,这个月已经并网,未来肯定会推广,海上风电国内还是很看好的,海上风电国家规划比较滞后,各个发电集团各自为战,跑马圈地,没有整体规划,要统筹以后,作为中枢,共同采用,效益更高,效率更高。

Q:前景广阔,尤其是海风并网,柔直使用场景广,企业端有没有感受到客户意向、订单?

A: 起量不好说,做了很多创新。江苏如东这个项目,全世界电压等级最高,容量最大,中国一带一路,拿了很强的底牌。中国和欧盟谈,愿意帮助欧洲建大型风电场,可以肯定讲,许继如东项目做成了给了国网很大底牌,国网掌握了技术,南网还没掌握,国网用这个和发电集团谈,要做海上风电的统筹工作,统筹好了,市场空间很大,有这个底气。

这个工程全部国产化,带动海上风机、变压器(特变电工),海缆是中天科技做的,很多施工项目用江苏本地,国网做技术含量最高的。项目投资额大,140亿多,EPC总包,核心设计都是国网做。

【晶闸管与IGBT讨论】

Q:技术细节讨论:直流晶闸管多,柔性直流IGBT量多,怎么理解两个产品的关系?晶闸管在换流阀4亿中成本占比?

A:柔性直流: 看部分厂商,柔直中,IGBT是主要成本,占整体成本三分之一,晶闸管比例较低,总体来说,晶闸管占比没有IGBT更高。

常规直流: 用晶闸管多,比较便宜,国内掌握,IGBT现在国内在发力,江苏如东用的赛晶的IGBT,就是做电力IGBT,就是看中国产的,重要设备都是国产的,采购 赛晶 很多,采购赛晶的IGBT在换流阀成本。许继除了IGBT都是自己搞,因为许继不是半导体公司,柔直促进半导体产业链研发,现在IGBT这么对,到后期很多厂商要进来,价格可能会降下来。

Q:柔性直流未来不用晶闸管了吗?

A: 晶闸管一般用在电压等级很高的地方(IGBT可能达不到),800kv以上,现在正在做1500kv,现在柔直做不了那么高,现在最高就是800kv(乌东德),功率5000MW,现在只能做到这个程度。如果是同样的正负800kv,柔直成本会很高。

Q:许继设计的换流阀,IGBT和晶闸管配套比例?

A: 根据具体项目,项目比较简单就直接用晶闸管,比较复杂的就是部分用IGBT。 现在海风柔直,全部就用IGBT ,原因就是电压400kv也不高,但对灵活性控制要求很高,就很适合用IGBT,没有在海上风电用晶闸,就是因为技术可靠性不是很高(400kv也比国外的高很多了)。 未来陆上的乌东德、南方电网柔直项目是两者搭配 ,看怎么取得最佳的经济、社会效益。

Q:国产IGBT使用、表现情况?

A: 这块进步非常可观,除了中车,赛晶也起来了,以前被老美卡脖子,进入的厂商很多,还会有进展,大的突破,这里用到的IGBT不要求尺寸(几十nm都可以),关键是耐高压、质量可靠、安全,国内可以做到,关键是怎么用新材料实现耐高压,保证稳定性,用碳化硅、氮化镓、石墨烯,各种渠道,多种技术路线都在做。假设有一天,IGBT也能做到800/1000kv,那发展潜力非常。

换流阀的数量:1座换流站分为正负2级,1级2套换流阀,一座换流站4套换流阀,一套换流阀2亿,一座换流站的换流阀造价8亿左右。 这是以晶闸管方式计算,是的可以的。用IGBT会大幅度简化,体积会缩小,过去半导体器件运行功率不强,要很多辅助电路,如果半导体很强,电路集成在芯片里面,体积、数量可能减少。三个部分:器件、电路、控制,电路包括很多种类,这种电路以前用晶闸管,现在电路和器件集成在一个半导体器件,实现了这个功能,体积可能会减少。 造价看情况,短期IGBT价格降不来下,竞争激烈,未来价格和会降下来的,技术性能还可能大幅度提高。

Q:南方电网推进存量直流受端改柔直,新建的直流都是柔性直流,现在很多都是混合方式,可不可以理解现在晶闸管用在送端?IGBT用在受端?

A: 这个理解是对的,是这个趋势,送端为了升压,保证品质,用的常规直流,受端灵活性更重要,接到不同等级电网,对灵活性要求更强一些。

Q:柔直不需要动态无功支撑,不存在换相失败,短路容量要求不高,是不是只要受端柔直,不需要这些支撑?

A: 不能这么理解,大容量电流来了,电能不能储存,需要马上要分散,周围的通道要容量非常大,否则会阻塞,输送不过来,闭锁。现在柔直工程输电通道效率不高,受端虽然柔直,但是当地消纳有限,又不能通过跨省通道外送,柔直发端功率电压都要受控,很多都没有满发满送。要改善输电通道利用效率,受端一定要扩容,把电能输送出去,才能保证空中通道畅通,否则会影响发送端效率。

Q:现在不同的技术方案,站站直流、多级混联,不同方案换流站造价不同?

A: 柔直都是项目型工程,各种项目都要重新设计,项目工程包括产品、服务、客户关系,服务是可客户打交道,提供仿真平台,通过仿真平台展现,基于仿真做出实验数据,实验数据没拿到,不能用到新的项目,对于厂商有数据积累,可以用到新的项目,虽然不能全部用,但有助于项目设计更加到位。

Q:海上风电可以隔离故障,可以用常规直流吗?

A: 常规直流不能解决大容量的问题,另一方面输送距离受限,海上没法解决常规直流那么庞大的设备,海上建换流站用常规直流方式建设,解决不了抗震动、潮湿、高温高热的问题,常规直流对环境要求更高, 陆地常规直流做的很多,海上是第一个例子,中国做成了,常规直流技术没错,但实际做起来很困难。

Q:海上、陆上换流阀造价的区别?

A:海上贵多了,海上就是3.7亿,比常规方案阀的体积数量都缩小;常规柔直的一个站用4个换流阀,基于IGBT现在减少了,效率提高了。

Q:海风用柔直,类似于孤岛供电,如果柔直是孤岛供电只能用柔直解决,未来风光基地,没有打捆的火电、交流电网,是不是送端的也要用柔直?

A: 陆地电网强大稳定,强大电网支撑,不存在这个问题。风光基地在荒漠中,没有电网支撑,只能用柔直这种方式。

Q:电网背靠背互联,是必需用柔直吗?

A: 不是必须的,广东地区的项目,涉及两个电网之间,并不完全想并在一起,有问题不会互相影响,利益做切割,需要用柔直。要看具体目的,毕竟相较于常规直流,柔直的成本很高。

Q:柔直未来在城市的配电网中会有渗透吗?

A: 南瑞做配电网装置,这个东西会渗透,解决鼓励配电网的问题。草原等无人环境有孤立配电网,需要强电网定向输送能量,效率更高,变电站可以建得很小,建一个铁塔一样就可以,解决了跨越高山沙漠的问题。还有就是解决了配电网的产权不清的问题,县级电网不属于国家,民营资金的,和他们共建需要区分。

Q:换流阀的冷却等保护系统,柔直对辅助环节的要求是否会下降?

A: 晶闸管的冷却系统比较复杂,柔直的冷却不需要体积那么大,技术水平没有降低,除了传统的水冷外可以尝试新的冷却方式,可以根据需求设计得更灵活。

Q:许继晶锐现在和许继还有关系吗?

A: 没什么关系了,人员上有些关系,资本上没什么关系了。许继的人自己出去建了个公司,有技术,给许继做配套。资本上牵扯不多,靠原来的人和关系支撑他们的业务。

Q:IGBT能做到800,1100之后可能会对送端和特高压渗透,对晶闸管的成本劣势还有吗?

A: 关键是要看IGBT成本是否能够降下来,看中国半导体产业的发展。IGBT是半导体的分支,都是受制于半导体产业的发展,国家是在大力支持的,但是五年十年无法取代晶闸管。稳定性,安全性可能达不到。半导体大发展会推动IGBT发展,IGBT现在议价能力高,大家都能做了之后成本也就下来了,IGBT的优势就出来了。

Q:功率半导体方面,晶闸管这边是否是能够完全国产了?

A: 对,卡脖子的可能性很低。

Q:IGBT现在国网对国产化率有要求,张北工程用的IGBT是真国产吗?

A: 是国产的,但成本还不具备推广的基础。国网有自己的芯片公司,国网智芯。南瑞现在比较突出的就是IGBT和研究院、智芯公司也有合作。搞出来的IGBT肯定自己要用,但是短期是否能突破,谨慎乐观。能不能持续投入,还未可知,现在还没具体成果出来。江北的柔直是定制的,成本比较高,类似于实验产品,不能大量推广。南瑞和研究院的子公司也在搞IGBT,但也没有出成果,还需要一个过程,国家也支持自研IGBT,IGBT使用范围非常非常广。

Q:派瑞、中车时代都发过新闻,柔直用的晶闸管,名词比较复杂,该怎么理解?

A: 本质上是也是用在常直中的,但是比以前的晶闸管有改进,就是把原来的电路设计集成到晶闸管里面了。高电和柔直电压等级高的话还是要用晶闸管的,电压等级下来的话可以用IGBT有优势。

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