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国君策略 :能源结构转型下,特高压建设加速在即

格隆汇 01-17 16:10

本文来自格隆汇专栏:陈显顺策略研究,作者:陈显顺 陈熙淼

导读

能源结构转型下电力资源负荷矛盾突出,特高压建设有望开启新一轮高增长周期,柔性直流技术进一步助力特高压电网完善,推荐业绩高弹性的中游核心设备环节。

摘要

▶   特高压建设加速,助力稳增长目标实现。国网提出将于“十四五”期间新建特高压线路“24交14直”,涉及线路长3万余公里,总投资共计3800亿元。相较2020年十三五结束时“14交12直”共3.59万公里规模接近翻倍。两网“十四五”期间投资总量维稳,特高压结构性高增亮点突出。而据国网披露,2022年将开工“10交3直”,创历史新高,叠加过往项目(4交2直)稳步推进,涉及项目总规模有望达2781亿元。特高压项目具备产业链长、社会经济效益显著特征,能带动近两倍社会投资参与,为实现2022年稳增长目标提供助力。

▶   新能源转型下电力资源负荷不均衡矛盾突出,特高压建设势在必行。我国西南、西北省份本就存在明显富余电力而东部省份对外省输电依赖较大。“十四五”期间我国能源消费结构将向清洁能源加速转型,而相关资源分布距东部较远,电力资源矛盾进一步加剧。特高压输电是解决远距离大规模输电的主要手段,其投资额增长基本领先跨区域输电量2年,与项目建设周期一致;结构上西北、西南外送规模占比提升也与特高压建设项目规划重合。特高压建设也提升了新能源的消纳能力,减少弃风弃光现象。不过从新能源装机量与发电量的比值看,目前新能源有效利用程度再度下行,亟需新一轮特高压建设发力。

▶   交直流共建特高压网架,中游主要设备环节是核心。特高压直流输电主要用于大规模远距离输电,而交流可通过串联组网支持大规模直流输电落地调配,二者共同组建起完整的特高压电网。产业链视角看特高压可分上游材料与元器件、中游设备、中游建设以及下游电网与配电。中游设备是其中技术密集环节,具备竞争格局集中,毛利率高的特性。因输电形式不同,交直流在特高压关键设备上存在差异。直流核心设备为换流阀和换流变压器,二者分别占总成本15%与12%;交流则为GIS与交流变压器,分别占总成本9%与7%。

▶   柔性直流输电助力特高压电网完善,IGBT换流阀与断路器是关键。柔性直流相比传统特高压直流具备安全可控和灵活实用两大优势,是构建区域电网与微电网的重要解决方案,对传统特高压电网形成有力互补。柔直能够稳定母线电压并作为隔离层防止故障蔓延,且由于不需无功补偿并可多端组网,因此适合发力不稳定且距常规电网较远的清洁能源组网并网。具备3大类应用场景:1)海上风电;2)陆地大规模可再生能源并网;3)区域电网异步互联。相比传统项目,IGBT换流阀与高压断流器是其关键设备,成本占比分别为18.1%、10.9%。

▶   特高压建设加速具备确定性,首推业绩高弹性的中游核心设备环节。产业链上游材料环节推荐硅钢,中游建设推荐电力建设龙头国企。


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构建新型电力系统,特高压建设加速


1.1. 2022年特高压建设加速,助力稳增长目标实现特高压电网将在“十四五”新建“24交14直”,投资规模高增亮点突出。“双碳”目标下,新能源将逐步取代传统电源成为装机主体,电网建设转型升级是我国成功构建新型电力系统的重要一环,而特高压建设更是优化新能源配置和消纳的关键。国家电网在2021-2030年重点任务中提出要加快特高压电网建设,到2025年实现华北、华东、华中和西南特高压网架全面建成。具体规划层面,十四五期间将新建特高压工程“24交14直”,涉及线路3万余公里,总投资3800亿元。相较“十三五”结束时国网“14交12直”共3.59万公里的规模翻倍。从两网投资看,“十四五”期间规模约2.9万亿元,相比“十三五”期间2.82万亿元水平增长不大,总量增长维稳背景下特高压结构性高增亮点突出。

2022年特高压投资加速,有效助力稳增长目标实现。国网披露2022年将计划开工“10交3直”共十三条特高压线路,创历史新高。根据我们对过往特高压项目梳理,交流线路平均投资规模为115亿元,直流线路为232亿元,因此2022年仅新开工涉及的特高压项目规模将达到约1843亿元,叠加过往项目(4交2直)建设稳步推进,项目涉及总投资规模将达到2781亿元。储备规划项目方面目前已披露6交9直,未来建设后劲充足。作为新基建七大领域之一,特高压建设具备产业链长、带动力强、经济社会效益显著等优势。据国网披露,2020年特高压项目投资规模为1811亿元,有效带动社会投资3600亿元,拉动了近两倍社会投资。特高压建设加速将有效助力稳增长目标实现,稳定社会预期。

1.2. 新能源转型下电力负荷矛盾突出,特高压建设势在必行我国电力资源与负荷中枢分布不均衡矛盾突出,跨区域调度能力提升迫在眉睫。我国在发电和用电上呈现明显的地域不均衡现象,从各省发电量与用电量的差值看,西南、西北等省份在电力资源上存在明显富余,而以广东、山东、江浙为代表的东南省市则严重依仗外省电力输送。在向“双碳”目标迈进的过程中,通过在东部兴建传统能源发电厂并不现实,核电选址的稀缺性和安全风险也难短期大面积推广,未来我国电力供给向风能、太阳能倾斜的趋势十分明确,十四五期间非化石能源消费占比将达到20%(2020年国网为10.2%),至2035年新能源将取代传统能源成供给主体。而从“十四五”规划看,风光大基地主要分布于西南、西北与华北等地,与东部相距较远。如此一来,我国电力资源与负荷分布不均的现象将进一步加剧,跨区域电力调度能力提升迫在眉睫。

特高压建设是解决电力资源负荷矛盾的主要途径。相比传统输电方式,特高压具备输送距离远、容量大、损耗低和效率高等优势,是跨区域输送电力主要手段。2015年后随着特高压项目建设加速,我国跨区域输送电量进入新一轮高增长,十三五期间跨区域送电量占全社会用电量的比值从4.8%提升至7.0%。据国君宏观组测算,特高压投资额累计同比增速基本领先跨区域送电量同比2年左右,这与特高压1.5-2年的建设周期基本一致。而从结构上看,西北向华东、华北、华中、西南向华中、华北向华东等线路是当前我国主要跨区域电力输送线路,与彼时特高压建设项目始末点高度重合。根据国网规划,十四五期间的跨省跨区输电能力将由2020年的2.3亿千瓦提升至3.0亿千瓦,特高压输电能力推进是实现目标的关键。

另一方面,特高压是提高新能源消纳能力的关键法门。特高压建设显著优化了新能源的消纳情况,使得西部清洁能源能得到充分利用,减少了弃光弃风现象。据国网披露数据,我国新能源装机一直呈现稳定高速增长态势,但能源利用率却在2014-2016年出现明显下降,后随着特高压集中开工建成,利用率有了显著的改善。不过从新能源装机量和发电量比值看,2020年新能源装机的有效利用程度再度下行,亟需新一轮特高压投资建设发力。


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产业链视角看特高压投资:设备环节是核心


2.1. 交直流共建特高压网架,关注中游换流阀、GIS、换流变与交流变环节特高压直流与交流输电共同组建电网。特高压输电线路建设分直流与交流两类,二者各具优势,共同组建起完整的特高压网架,实现效用最大化。从适用场景看,特高压直流输电主要实现“点对点”式的大容量远距离输电,中间不能接入串联,可以视为电力传输的“高速公路”。特高压直流还可以连接两个不同频率的系统、进行交直流并联输电或异步联网,从而实现非同步的跨区域交流电网互联。特高压交流输电中间可以有落点,能根据电源分布、负荷布点等实际需要灵活串联构成电网,形成主网架,可被看作电力传输的“国道省道”,是接纳庞大直流输电落地调配的关键支撑。从成本角度来看,二者的建设费用随输电距离呈现出各自的比较优势:低于等价距离(通常位于600-900km之间)的短距离输电,特高压交流输电费用相对更低,高于等价距离的远距离输电,特高压直流输电费用相对更低。从已建成特高压线路分布也可看出,直流线路通常用于跨大区的超远距离输电,而交流线路则主要用于建设省份或省内之间的特高压区域网架。

特高压产业链可分为上游材料、中游设备与建设以及下游电网与配电设备。产业链视角看,特高压建设产业链可分为上中下游。上游环节主要涉及相关材料与元器件,包括钢材、有色金属、化工材料以及电子元器件等环节,原材料成本约占特高压电器的20%-30%。中游特高压电器设备主要包括站内设备与电缆、铁塔,其中站内设备是全产业链中的技术密集环节。此外,中游环节还涉及相关勘察设计、建设承包等企业。下游市场较为集中,主要是国网、南网等电网公司,此外还有在特高压电网构建中起通断、控制或保护功能的配网设备公司。

站内设备是特高压建设的核心。尽管因输电形式不同,特高压直流与交流在基站数量与基站关键设备上存在差异,但设备投资均是特高压项目的重中之重。就特高压直流项目而言,需建设换流站以实现交直流之间的转变,并达到电力系统对于安全稳定及电能质量的要求,而换流站中最关键的设备就是实现换流功能的换流阀和换流变压器,二者分别占项目投资的15%与12%;在特高压交流项目中,变电站中GIS(气体绝缘全封闭组合电器)与交流变压器是核心组件,二者分别占项目成本的9%与7%。从毛利率角度看,核心设备毛利率在30%左右,净利率在10%左右,相关环节公司业绩在特高压投资建设加速背景下弹性较大。

2.2. 柔直助力特高压电网完善,关注IGBT换流阀与断路器柔性直流技术助力新型电力系统实现安全可控与新能源大规模并网的目标。柔性直流技术是基于全控型IGBT器件的新型输电方式,相比传统直流输电具备安全可控与灵活实用两大优势。从安全性上讲,新型电力系统在电源结构上由可控连续出力向强不确定性、弱可控出力的清洁能源发电转变,系统调节资源需求大,主网谐波谐振风险凸显。而柔性直流由于具备监测交直流电网变化并快速调整的能力,其不仅不需额外无功补偿,还能反向动态补偿系统无功功率以稳定母线电压,并还可作为电网间的隔离层防止冲击和故障蔓延。而在新能源大规模并网问题上,由于柔性直流可以不需外部有源网络提供无功补偿与辅助换相,且具备通过改变单端电流方向快速实现潮流反转以达成直流多端组网的特性,因此适合距常规电网较远的风光大基地以及分布式清洁能源组网并网。

从应用场景看,未来柔性直流有望在三大类项目中发挥重要作用:

  • 海上风电:柔性直流未来最大应用场景,建设需求高增确定。由于交流输电会在与海洋构成等效电容形成损耗,因此远海风电输回必须采取直流输电。而作为典型的无源孤岛电网,远海风电将是柔性直流最为可观的应用场景。此外柔性直流也能有效隔绝远海风电与大陆电网,使故障不影响对方。截止2021年9月,海上风电装机规模为1318万千瓦,根据各省规划看,十四五期间仅五大海上风电基地对应省份就有望新增3.5GW,期间深远海上风电建设将预计达2GW,投产规模1GW。未来高速增长的海上风电建设规模无疑将极大程度拉动对柔性直流的需求。

  • 陆地大规模可再生能源组网并网,有效解决无功消耗问题。除去通过多能互补平滑新能源输出曲线外,在送端使用柔性直流组网传输新能源电力也将是重要应用场景。传统直流在进行大比例的新能源送出时往往需要消耗大量无功以保证电网的稳定运行,因此需设立传统能源配套项目提供稳定无功,与总体降碳目标冲突。此外,远离城镇的风光基地又是典型的“孤岛”电网,柔性直流恰是这类场景中有效汇集可再生能源的方式。

  • 电网异步联网(背靠背工程),电网复杂化背景下的风险“隔离墙”。电网异步互联能使两侧区域电网在不同步的条件下实现互联。在当前送电距离越来越远、交直流混合运行、电网结构日趋复杂的背景下,电网发生风险的可能与造成的故障影响范围越来越大。通过在同一地点修建换流站实现柔性直流互通,能够充当电网之间的“隔离墙”,提升网架的整体安全稳定水平。

柔性直流对特高压形成有力互补,共同助力新型电力系统完善。从柔性直流的特性与应用场景看,其主要适用于新型电网构建中的各类特殊场景,是构建区域微电网与区域直流电网的重要解决方案,与特高压网架一起为提升电网可再生能源接入能力提供重要保障。根据南网“十四五”规划,推动柔性互联主网架技术路线,新建直流受端以柔性直流为主,存量直流逐步实施柔性直流改造将是新型电网建设的重要任务之一。

相比传统特高压输电项目, IGBT换流阀和极线断路器投资占比更高。以张北柔性直流示范工程为例,柔性直流设备投资占比更高,仅其主要设备占比就已达47.2%。与传统特高压直流项目一致的是,换流阀仍是项目核心设备,其中IGBT换流阀的投资占比接近20%。这一领域以往被海外巨头垄断,但2021年国电南瑞已实现IGBT自主生产并于厦门柔直工程挂网运行,国产替代加速有望。另一较为关键的设备是高压极线断路器,作为切断直流的设备,能实现直流输电系统的运行方式切换和线路故障清除。由于柔性直流输电的低惯性特点,故障发展速度极快,所以需要断路器超高速的保护与之配合,作用十分关键。极线断路器成本占比也达10.9%,占比甚至高于换流变压器。


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特高压新基建推荐细分行业


特高压建设加速,中游关键设备细分环节龙头弹性最大。特高压输电的核心设备环节竞争格局集中,龙头公司竞争优势凸显。各环节市占率居前的公司包括:1)换流阀:国电南瑞、许继电气、中国西电;2)换流变压器:特变电工、中国西电、保变电气;3)GIS:平高电气、中国西电;4)交流变压器:特变电工、中国西电。相比线缆、铁塔、绝缘子等环节,核心设备具备技术壁垒高,竞争格局更优,毛利率高的特点,相关龙头企业具备更大的业绩弹性。从招标顺序看,核心设备通常作为工程第一批招标项目。在2022年特高压项目大量开工的预期下,一季度或将迎核心设备招标潮。柔直关键设备环节仍以特高压电网设备龙头为主。柔性直流当前建成项目较少,目前较大的示范工程包括张北柔性直流示范工程与昆柳龙多端柔性直流工程。从两大工程中标情况看,柔直换流阀环节仍以国电南瑞、许继集团、四方电工、特变电工、中国西电等主要电网设备公司参与为主。极线断路器方面,国电南瑞、思源电气、许继电气等保持领先。

上游材料关注技术壁垒较高的取向硅钢。特高压上游金属材料作为大宗品存在明显周期性,元器件领域则竞争较为充分。而其中技术壁垒较高、竞争格局优异的取向硅钢行业值得关注。取向硅钢由于优秀的导磁能力主要用于变压器制造,其制造技术难度较高,国内主要产能集中于宝钢、首钢等头部钢铁企业。特高压项目推进下大容量变压器需求上升,叠加国家《变压器能效提升计划(2021-2023年)》对变压器节能提效的推动,高磁感取向硅钢的需求将大幅提升。宝钢股份2020年在取向硅钢上市占率达58.5%,将充分受益特高压建设加速。特高压建设对专业技术与公司资质要求较高,仅有中国能建、中国电建、等少量公司具备承担能力。中国能建旗下15家子公司具备国家电力工程设计甲级资质,参与了我国几乎所有特高压输变电通道的勘察设计工作。而中国电建具备丰富的特高压设计建设经营,其近五年来中标特高压项目约37个,涉及共22条线路,主要涉及勘察设计、工程承包等相关业务。旗下子公司上海电建创建于1953年,是从事大型电站工程和输配电工程建设的大型电力工程企业,具有国家电力工程施工总承包壹级资质。另一子公司上海电力设计院拥有国家电力工程设计甲级、咨询甲级等资质,是国内电力设计行业知名企业。综上,首推特高压建设加速下业绩高弹性的中游核心设备环节,产业链上游材料环节推荐硅钢,中游建设推荐电力建设龙头国企。