（報告出品方/作者：國聯證券，賀朝暉）
1. 歷經百餘年，直流踏上規模化征途
1.1.十九世紀末，交流贏得電氣化時代主導權
十九世紀末，以尼古拉·特斯拉為代表的交流輸電陣營和以托馬斯·阿爾瓦·愛 迪生為代表的直流輸電陣營對開啟電氣化時代的技術路線進行了激烈的爭論。特斯拉 利用交流電製作兩相交流發電機，並使得尼亞拉水電站發出的 3750kW 功率,一直送到 40km 以外,而同期的直流發電機最大僅有 500kW 的出力，供電半徑只在 30km 以內。交流輸電技術率先贏得了電氣化時代的主導權。
交流電為何能贏？
1）交流電可以變壓：在當時，直流電被認為是無法變壓的，因此 110V 小型低壓 直流電的輸送距離僅為 2km 以內，隨後便損耗殆盡。而交流電利用電磁感應定律，僅 僅依靠鐵塊和匝數不同的線圈便可實現變壓，獲得了高電壓「遠距離」輸電能力，免 去了建造大量直流發電站的困擾。2）交流電成本優勢巨大：不僅免去建造大量直流發電站，交流發電機、交流變 壓器、交流電動機還打通了發輸用全環節，核心器件僅為導體和鐵塊，製造難度低， 原材料獲取容易。
以當時的情形看，交流電已經能夠完全勝任電氣化時代發展的需要，各種終端電 器都按交流電的原則設計，龐大的交流電力系統逐漸形成，直流電接近退出歷史的舞 台。
1.2.電力電子技術問世保留直流用電小天地
1904 年，正在交流電大放異彩之時，第一隻利用燈泡製作的「真空二極管」由 約翰·安布羅斯·弗萊明發明問世，開啟了電力電子技術的先河。
電力電子技術的出現使得交流電與直流電互相轉換成為可能。一般稱交流變直流的過程為整流、直流變交流的過程為逆變。
最早被應用的是二極管整流電路，三相全橋式的基礎原理一直被沿用至今。隨後 1930 年代，更大功率的水銀整流器（汞弧閥）也出現了，它被廣泛地應用於電解、 電車、電氣軌道、直流電動機等原有場合，直流負荷也出現一些增長。但在彼時，直 流電基本只占負荷端的一小部分，交流電占據絕對統治地位。
二極管和常規的汞弧閥只要電壓差為正，便可導通，因此只能用於整流，無法用 於逆變。
1.3.晶閘管開啟直流輸電新篇章：逆變時代
1943 年，雖然也出現了帶柵極控制的汞弧閥，製成了可用於直流輸電的逆變器， 但汞弧閥存在逆弧、熄弧、溫控複雜、啟動需預熱、參數低等缺點，無法大規模應用。
直到 1957 年，美國通用電氣公司研製出第一隻晶閘管，逆變器才真正誕生。晶 閘管與二極管的主要區別在於多了個門極：當有正向電壓差時，二極管立即導通，晶 閘管還需要門極的觸發電流才能導通。
用於逆變器時，只要控制晶閘管在出現正向壓差時按次序導通，便可實現輸出三 相交變電流，是典型的電流源換流裝置。
逆變器的出現，極大地推動了直流輸電的發展。1960 年，太陽能通過逆變器第 一次併網發電，使得以可再生能源為基礎的能源變革有了可能。1972 年-2000 年，世 界共有 56 項基於晶閘管的直流輸電工程投入運行，電壓等級最高達±600kV，輸電距 離長達 1700km，直到現在，基於晶閘管的換流裝置依然是高壓直流輸電領域的主流 技術之一。
顯然，由於晶閘管只能控制導通，不能控制關斷，基於它的整流逆變系統也有一 些缺點：
1）依賴強交流系統提供換相電壓：晶閘管關斷只能依靠反向壓差自然關斷，所 以交流系統必須有穩定的電壓，因此只能向相對強壯的有源交流網絡供電，這也叫做 有源逆變或電網換相換流器（LCC）；
2）可能出現換相失敗：晶閘管恢復阻斷狀態需要時間，如果某橋臂不能在下一 次正向壓差出現前恢復阻斷，那麼下一次正向壓差來了該橋臂就不受控制直接導通， 出現換相失敗的情況。交流系統故障後，橋臂電流加大尤其容易導致連續換相失敗， 使得直流系統必須關停重啟；
3）功率反轉只能反轉電壓極性：由於晶閘管反向阻斷的特點，電流流向是固定 的，電流只能順時針流轉，因此，反轉功率只能反正電壓極性，只能關停 系統改變晶閘管觸發時序後再重啟，引起功率臨時中斷。
4）感性換流器需配置無功補償：晶閘管閥段含飽和電抗器，呈感性換流器特性， 建立電流需從交流系統吸收大量無功功率，因此還得為交流系統配置大量無功補償。
5）交直流波形質量較差：晶閘管開關頻率只能與交流頻率相同，發出的電流電 壓諧波含量較大，因此得為系統配置大量交直流濾波器。
基於上述考慮，晶閘管直流輸電一般只用於點到點兩端大容量遠距離輸電用途， 無法獨立存在，僅為交流主系統的有益補充。
1.4.可控關斷器件大幅提升換流性能
為應對晶閘管不可關斷的問題，1970-1980 年代，門極可關斷晶閘管（GTO）、集 成門極換相晶閘管（IGCT）、雙極型晶體管（BTJ）、場效應晶體管（MOSFET）等全控 型器件相繼問世。
1980 年代後期，絕緣柵極雙極型晶體管（IGBT）結合了 MOSFET 的驅動功率小、 開關速度快和 BJT 通態壓降小、載流能力大等優點，成為現代電力電子技術的主要器 件。1990 年代，基於可控關斷器件的電壓源換流器和脈衝寬度調製技術開始用於直 流輸電，我國於 2006 年將其統一命名為「柔性直流輸電」。隨着電力電子技術的不斷 進步，器件性能逐漸提升，2010 年 11 月，第一個基於模塊化多電平換流器（MMC） 的柔性直流輸電工程於美國投運，標誌着柔性直流輸電技術趨於成熟。
基於 IGBT 和模塊化多電平的柔直輸電技術幾乎解決了傳統晶閘管直流的所有缺 點：
1）電壓源換流器運行不依賴於交流系統：只要能給子模塊電容充上電，它的運 行與交流系統電能質量無關，因此既可以向無源系統供電，也可以送不穩定的新能源， 還可以執行虛擬同步電機的控制策略。
2）可關斷器件不存在換相失敗的問題：自身的運行不受交流系統故障的影響。
3）支持功率即時反轉：半橋結構的子模塊存在多種電流通路，因此無需停電便 可依靠調整功率模塊開關節奏實現功率反轉。
4）容性換流器可以支撐交流高質量運行：子模塊中含有大量電容，本身可以通 過改變控制策略實現收發無功，對交流系統進行調節。
5）多電平高頻率(幾 kHz)運作：輸出波形無限接近目標值，幾乎沒有諧波。
當然，柔性直流輸電也存在一些階段性問題，除了損耗、成本以外，主要有以下 兩個：
1）直流側短路故障無法自清除：半橋結構的 MMC 換流器依賴子模塊電容提供直 流電壓，當系統直流側發生短路故障時，無法阻止短路電流流經功率模塊，為保護功 率模塊，只能閉鎖直流系統，開斷交流系統斷路器抵禦故障。
2）器件承壓通流能力有限：IGBT 元件電壓等級和容量暫時不大，用於高壓大容量輸電時，只能通過更多的串並聯來解決，這會帶來成本大幅增加、器件一致性難以 保障、控制複雜度上升等問題。
針對第一個問題，目前已經可以通過高速直流斷路器、全橋子模塊、鉗位雙子模 塊或交叉型子模塊來解決問題。
針對第二個問題，需要通過大力發展壓接式 IGBT、提升半導體製造工藝等途徑 持續予以解決。本質上，上述問題均為成本問題。
1.5.下個百年，能源革命全面打開直流規模化空間
在國際技術路線的引導下，我國的電力發展從開始就建立了以火電和交流電為主 的用能方式。直到 1987 年，第一回 100kV 的常規直流工程才在舟山投運，1990 年， ±500kV 的葛洲壩-上海常規直流工程投運，隨後，2000 年以後才有新的直流輸電工 程投運。
能源革命與再電氣化時代的趨勢，無疑將加速直流技術的應用。從新時代的視角 來看，直流與交流技術之間也出現一些新的變化，主要體現在以下幾方面：
交流隱憂浮現 1）交流存在規模化瓶頸：短路電流是電力設備最重要的耐受指標，交流電網規 模越大，短路電流越大，所有設備都會面臨短路電流超標問題；另外閉環運行的交流 故障容易互相傳導，從而有引發大面積故障的風險，還有電磁環網的問題。這就導致 交流電網通常會閉環設計、開環運行，僅在需要時進行開關操作重構拓撲結構。
2）交流潮流按自然阻抗分布，設備利用效率低下：傳統交流設備是典型的被動 設備，可控性低，僅依靠開關進行 0-1 操作，這就導致系統阻抗特性幾乎固定，潮流 分布基本依賴於負荷和電源分布。但是隨着電力系統的發展，負荷的分布呈現出空間 不均、時間上也不均的特點，而未來風光電源大量進場又會引起電源在時間空間上的 分布也開始不可控。潮流分布不均引起交流設備呈現嚴重過載、效率低下並存的問題。
3）直流電源和直流負荷併網效率低下，影響交流系統安全：能源革命背景下， 大量直流電源如風電、光伏、電池儲能等，大量直流負荷如數據中心、電動交通工具、 變頻負荷等，不斷湧現。直接對交流系統併網需經 2 級變換，且一般並脫網頻繁，每 次併網均需相位同步，併網效率低下。大量直流裝置併網同時還削弱了交流系統自身 的慣量，威脅交流系統的安全運行。為解決這個問題，要麼使用更大更強的交流系統， 要麼直接使用直流系統。
4）交流升降壓綁定功率流向：交流變壓器無法頻繁、滿容量換方向運行，它在 接線組別、分接開關、線圈匝數位置、保護配置均存在一些問題，頻繁換方向不僅影 響變壓器使用壽命，也會對交流系統造成衝擊。能源革命背景下，配電網「源網荷儲」 一體化特徵明顯，分布式電源在未來集中大發的可能性加大，如何收集配電網盈餘電 力進行外送，實現更高層次、更加靈活的電力市場，是未來值得探究的方向。
5）交流電網穩定難度加大：交流需要電壓、頻率、相位、波形四重穩定性，過 去依賴於系統慣性，未來慣性削弱、規模化大電網的背景下，穩定難度越來越大。
直流優勢顯現
1）直流互聯解決交流規模化問題：利用基於直流技術的合環裝置，可以幫助交 流系統進行閉環運行。這不僅不會引起短路電流超標等問題，而且還可以實現交流電 網之間互聯互濟互為熱備用，實現網格化的能源運輸體系。
2）直流電源和直流負荷可無縫接入：大量直流電源和直流負荷直接接入直流系 統，僅需 DC/DC 一級變換，真正實現即插即用。這可以把原本分散的直流裝置整合為 等效的大規模直流裝置，不僅大大減少了交流與直流併網點位，而且大規模直流裝置 有助於執行更多種控制策略，進而幫助交流系統穩定運行，其內部也可以實現更加靈 活穩定的運行。
3）雙向直流變壓器實現空間上立體化的網絡架構：直流變壓器可實現功率雙向 運行，某區域配電網盈餘電力可經直流變壓器頻繁地、滿容量地向上級電網送電，從 而經更高電壓等級的電網送至遠方。結合儲能與直流變壓器，未來電力在時間和空間 上都可以更加平衡，實現立體網格化能源運輸體系。
4）直流穩定僅需電壓穩定：直流系統沒有無功、頻率為零，只要功率平衡電壓 即可穩定，電力電子化裝置控制迅速，穩定機制相對簡單。
5）直流輸電距離沒有上限：直流不存在電感和電容，與周圍的環境沒有耦合影 響，架空、地下、水下輸電一視同仁，只要提升電壓等級，其輸電距離沒有理論上限。我國目前最長直流線路長達 3300km，已完全滿足國內需求。
6）直流的無線電干擾、電暈、噪聲等電磁環境問題均小於交流。
綜合以上觀點，我們認為，過去的 100 多年全球建設了以交流同步電網、水火核 等旋轉電源、電動機等旋轉負荷為主的電力系統。而未來的增量，將更加可能以直流 電力電子電網、風光靜止電源、電池等產消負荷為主的電力系統。最終形成「交直流 混合電力系統」，直流技術面臨很大的發展空間。（報告來源：未來智庫）
2. 直流應用場景豐富，市場空間巨大
按電壓等級，我們將直流初步分為高壓直流（35kV 及以上）與中低壓直流（10kV 及以下）。其功能與應用場景有相同也有不同。
2.1.高壓直流助力遠距離大容量分區互聯送電
高壓直流主要可用於 1）大容量點對點送電；2）電網分區互聯；3）直流多端組 網；4）海上風電送出。高壓直流包括特高壓直流，特高壓直流受制於全控型功率器 件 IGBT 的製造水平，目前幾乎全部採用了基於晶閘管的常規直流技術，幾乎全部用 於點對點單向送電，以及不常換方向運行的電網互聯（如雲貴、靈寶、高嶺、黑河、 閩粵互聯等）。截止至2022年3月底，我國已經或即將建成的高壓直流工程如下所示：
高壓直流用於大容量點對點送電
1）市場空間：我國能源分布不均，西電東送需求迫切。根據國家發改委和能源 局《以沙漠、戈壁、荒漠地區為重點的大型風電光伏基地規劃布局方案》，十四五期 間將新增電力外送需求 15000 萬 kW，十五五期間將新增 16500 萬 kW，而現存外送通 道送電能力總計 9400 萬 kW，其中僅剩約 4000 萬 kW 尚未利用，因此，兩個五年外送 通道缺口達 27500 萬 kW，折合 800 萬 kW 特高壓通道約 34 條。這還沒有計算東北、 西南等地送出需要，實際需求可能更高。
2）技術選擇：過去高壓直流尤其是特高壓直流在點對點送電均採用了常規直流 技術方案。由於常規直流存在換相失敗的風險，因此在多條直流饋入受端交流電網的 情況下，故障易引發連續換相失敗導致多條直流連續閉鎖，從而引發大級別電網事故。
另外送端也存在交流電網薄弱、無功支撐不足，大量新能源併網，更加容易引起 當地交流系統電壓波動，從而導致送端換相失敗。
採用全柔直當然是技術上的更優選擇，但目前功率器件尚未達到 800kV、800MW 的實用要求。因此中短期內將更多採用水火風光打捆送出、常柔混合技術、受端分 區、多配 SVG 和調相機等電壓和慣性支撐設備，來抵禦和緩和換相失敗帶來的不利 結果。器件和成本達標後，可直接採用全柔直技術根治此問題。
高壓直流用於電網分區互聯
未來，電網之間互濟的需求會愈發強烈，且功率將頻繁轉向，因此這個場景幾乎 會全部採用柔性直流技術，並適用於 35kV-500kV 的交流電網。
過去的典型案例包括渝鄂背靠背、魯西背靠背、廣東背靠背等。未來例如北京、 江蘇、以及區域電網之間，均存在柔直分區互聯的設想。
高壓直流用於直流多端組網
分區互聯可視為兩端組網，直流多端組網是電網分區聯運的高級形態，藉助直流 遠距離、低損耗輸電的特點，可實現更遠分區、更大範圍之間的互聯互濟。
多端直流系統的高效運行依賴於直流斷路器技術的發展。我國 2016 年底由聯研 院自主研發的 200kV 高壓直流斷路器應用於舟山五端柔直系統，實現了帶電投退、故 障快速隔離與恢復的功能，工程可用率從 87%提升至 99%。2020 年投運的張北多端柔 直工程不僅將系統電壓等級提升至 500kV，同時實現了 500kV 直流斷路器的研製與投 運，代表我國的柔性直流技術站上世界前列。
未來在柔直技術和成本越發成熟的條件下，多端柔直工程在地區級電網中有望得 到更多應用。
高壓直流用於海上風電送出
由於交流海纜與海水之間的電容效應，使得系統首末端面臨嚴重的過電壓，需要 加裝並聯電抗器予以抵消。但隨着海纜長度加大，並聯電抗器的成本也隨之上升。由 於電容效應與系統頻率有關，頻率越低，容性效應越小，因此可採用低頻交流或直流 (零頻率)以實現更遠的海上風電輸電距離。
以 50Hz 交流與直流進行對比，一般 70km 可作為輸電經濟性的分界點，大於 70km 採用直流輸電更具性價比。由於海上沒有交流系統，風機本身無法提供常規直流所需 的換相電壓，因此只能採用柔性直流技術。我國目前已經實施±160kV 南澳、±400kV 如東海風柔直工程，未來，射陽、青州等海上風電場均存在柔直併網的需要。
2.2.中低壓直流支撐配電網高效智能運行
中低壓直流主要用於 10kV 及以下的配電網，是中低壓配電網實現「清潔低碳、 安全可控、靈活高效、智能友好、開放互動」的重要基礎性技術和裝置。由於電壓等 級較低，功率器件限制較小，且中低壓配電網「源網荷儲」一體化使得功率流向更加 複雜，因此柔直技術是中低壓直流的不二選擇。
中低壓直流的主要應用形態包括：1）單端整流逆變；2）交流合環運行；3）交 直流多端混合運行。
中低壓直流顯著改善配電網的運行效率
1）實現直流源荷儲靈活接入
中低壓直流系統可帶直流母線和直流出線，系統附近的直流裝置如分布式光伏、 電池儲能、充電樁、數據中心等可以無縫接入，免去 DC/AC 變換以及併網過程。集中 起來通過柔直裝置與交流連接，不僅平滑了直流功率波動，而且減小了反覆並脫網對 交流系統的衝擊。
2）實現交流閉環運行
交流配電網閉環運行是個難題，既要發揮交流功率自由流動的作用，又要限制短 路電流，避免故障傳導引起大面積停電。利用柔直合環裝置，可以實現交流系統互為 熱備用，由於功率連續可調，該裝置相當於是一個 0-1 連續可變的狀態開關。如果是 多端系統，則可實現更大範圍的互相備用，實現「能源路由」的功能。
3）實現負載均衡
傳統交流配電網的線路和變壓器利用率基本都不均勻，資產利用效率低下。利用 柔直裝置，實現多台變壓器向一個片區聯合供電，可避免無限制地擴大交流容量，最 大化地發揮了存量交流設備資產的價值。
4）實現事故緊急支援
當某側交流系統上級電源故障，功率大減時，其他交流或直流系統通過柔直裝置 可實現毫秒級快速功率支援，往往還不到半個周波，供電質量與可靠性得到極大提升。
5）實現對交流系統無功補償
由於柔直裝置為容性裝置，且可以進行有功無功解耦獨立控制，因此，當控制有 功為零，無功為正值或負值時，就相當於一個 SVG，幫助交流系統穩定電壓。
6）實現隔牆售電與電力零售市場的功能
由於交流系統與直流源荷互相之間都是熱連接、功率連續可控的，這對於配電網 內部、配電網之間實現電力交易有重要意義。
中低壓直流正逐漸成為配電網常規技術方案
我國中低壓直流裝備研發地較早，2018 年已實現一批項目落地。目前中低壓直 流技術正不斷地向基層技術部門滲透，優良的技術特點、合理的性價比有望使其得到 更多的採納與應用。
目前國內已實施及正在實施的項目統計如下，進入 2022 年後，不 少項目已經沒有「示範」或「試點」的字樣，正逐漸成為一種常規技術方案。
中低壓直流項目形態多樣
根據項目的規模及定位，可能以多個站點、多個預製艙或單個集裝箱的形式存在。如珠海唐家灣與蘇州同里的項目均有站點建設，而杭州大江東和寧波北侖均建成預製 艙或集裝箱。另外由於是中低壓項目，許多項目並不全部由電網企業投資，園區、企 業等其他主體也會利用直流技術優化內部配網結構。
2.3.新型電力系統政策助力實現交直流混合電網
2016 年，國家發改委國家能源局印發《能源技術革命創新行動計劃（2016-2030 年）》（發改能源[2016]513 號），其中：
(第十三條)現代電網關鍵技術創新提出「掌握柔性直流輸配電技術、新型大容 量高壓電力電子元器件技術；開展直流電網技術、未來電網電力傳輸技術的研究和試 驗示範」；
(第十四條)能源互聯網技術創新提出「加強能源智能傳輸技術創新，重點研究 多能協同綜合能源網絡、智能網絡的協同控制等技術，以及能源路由器、能源交換機 等核心裝備」。
2022 年 3 月 22 日，國家發改委國家能源局印發《「十四五」現代能源體系規劃》 （發改能源〔2022〕210 號），其中提出「完善區域電網主網架結構，推動電網之間 柔性可控互聯，構建規模合理、分層分區、安全可靠的電力系統，提升電網適應新 能源的動態穩定水平。…穩步推廣柔性直流輸電」。
國家電網公司在 2021 年 4 月發布的《國家電網公司能源互聯網規劃》中提出「充 分利用柔性配電、虛擬電廠、電化學儲能、有序充電等技術，加強配電網互聯互通和 智能控制」。
國家電網公司又在 2021 年 7 月發布的《構建以新能源為主體的新型電力系統行 動方案(2021-2030)》中提出「交流與直流、大電網與微電網協調發展」、「推進…柔 性輸電技術進步和規模化應用，試驗示範直流組網等技術」。
南方電網公司在 2021 年 5 月發布的《南方電網公司建設新型電力系統行動方案 (2021-2030 年)》中提出「建設『合理分區、柔性互聯、安全可控、開放互濟』的主 網架，…，適時通過柔性直流互聯技術構建 2 到 4 個分區電網」、「推進新型電力系統 先進電氣裝備研究，重點開展柔性直流海上換流平台、直流配用電裝備、…」。
2022 年 4 月 2 日，國家能源局科學技術部印發《「十四五」能源領域科技創新規 劃》（國能發科技〔2021〕58 號），直流技術將作為「支撐建設適應大規模可再生能 源和分布式電源友好併網、源網荷雙向互動、智能高效的先進電網；突破能量型、功率型等儲能本體及系統集成關鍵技術和核心裝備」的關鍵。
從國家政策與兩網公司的表述看、從直流技術自身的特點看，未來有望建成交 直流混合電網。
2.4.交直流混合電網打開直流裝備市場空間
依據國家相關規劃以及 2020 年底的交流電網規模，我們測算「兩個五年」期間， 直流裝機新增容量可達約 14 億 kW，產生約 857 億功率模塊市場，產生約 2526 億換 流閥市場，撬動直流站點基建投資規模達 11632 億元。（報告來源：未來智庫）
3. 直流核心設備壁壘高築、格局優良
直流核心設備為電力電子化的設備，主要包括換流閥、直流變壓器、直流斷路器、 以及配網柔直成套設備。直流工程還需要一些與交流系統不同的關鍵設備，如換流變 壓器、直流電抗器、直流穿牆套管、直流消能裝置等。無論是核心設備還是關鍵輔助 設備，其製造壁壘均很高，目前僅有少數廠家參與競爭。
3.1.換流閥是實現交直流轉換的核心設備
由於交流系統存量規模龐大，新增直流系統必然要與現存交流系統進行連接，換 流閥將是最先受益的設備品種。
一個三相全橋的換流閥有 6 個橋臂，每個橋臂有若干個閥塔，每個閥塔由若干層 閥模塊組成，每個閥模塊由若干個子模塊組成。子模塊是換流閥的核心單元，除此之 外，閥塔的結構尺寸、絕緣、均壓、屏蔽、導體迴路、冷卻迴路和光纖通信迴路等方 面均需特別考慮。
為節約製造成本，目前子模塊普遍採用半橋結構，一次部分包括 2 個 IGBT 模塊、 2 個反並聯二極管、直流電容、均壓電阻、旁路開關、旁路晶閘管以及作為導體連接 的母排，二次部分包括子模塊控制板、IGBT 驅動板和電源板。
根據我們的估算，換流閥成本中，IGBT 模塊約占 35%，直流電容約占 35%，是成 本中心，其餘如晶閘管、二極管、旁路開關、均壓電阻、二次板卡等合計約占 15%，子模塊以外的其他部分約占 15%。
中低壓配網柔直中採用的換流閥為成套屏櫃布置，但其基本單元仍為子模塊。
3.2.直流變壓器可打通「直」流通道
相對應換流閥實現交流與直流的連接，直流變壓器則是實現不同電壓等級的直流 系統互相接連的核心設備。受制於器件發展水平以及直流變壓器的製造能力，目前已 經實用化的直流變壓器僅為 10kV/375V 的變壓器，只用於配電網。
較為典型的拓撲結構為基於雙有源全橋（DAB）的變壓單元。變壓單元是由高壓 與低壓側的電力電子模塊以連接高低壓的高頻隔離交流變壓器構成。當進行大變比變 壓時，可將 DAB 變壓單元的一側並聯一側串聯，從而形成 ISOP 結構。
10kV 直流變壓器主要元器件為 IGBT/SiCMOS、二極管、電容、電感、高頻隔離 變壓器等，隨着技術進步，未來有望出現更高電壓等級的直流變壓器。
3.3.直流斷路器同為高度電力電子化裝置
由於直流沒有過零點，其開斷難度比交流大許多，斷路器基本原理也不同。ABB 於 2012 年才研製出世界首台直流斷路器，國家電網公司於 2014 也攻克此項難題，並 於 2020 年提升至世界最高的 500kV 電壓等級並投運於張北柔直工程，彰顯了我國柔 直輸電技術世界領先的地位。
目前的主流方案是採用混合型直流斷路器，它由主支路、轉移支路和吸收支路 構成。主支路由許多 IGBT 全橋子模塊串並聯和若干個高速機械開關串聯而成，主要 作用是正常通流，並在故障時及時閉鎖 IGBT 全橋子模塊，迫使電流去轉移支路，並 在電流足夠小時，將高速機械開關開至絕緣位置。
轉移支路由許多二極管全橋子模塊串聯而成，主要作用是當主支路機械開關完成 開斷後，將本支路子模塊中的 IGBT 閉鎖，形成電容瞬時暫態過電壓。
吸收支路由許多金屬氧化物避雷器（MOV）構成，電容暫態過電壓將觸發吸收支 路避雷器導通，故障電流轉移至吸收支路，暫態過電壓消失後，避雷器快速恢復絕緣， 故障電流降低至零。
可見，混合型直流斷路器的核心器件包括 IGBT、高速開關、二極管、直流電容、 MOV 等。
3.4.直流設備競爭格局優良，上游潛力十足
直流設備參與企業極少，競爭格局優良
由於直流設備結構複雜，國際上僅有日立 ABB、西門子、GE 三家有系統建設能力， 產能緊張，目前只有 ABB 還在做國內項目。常直換流閥國內僅有國電南瑞（南瑞繼保、 中電普瑞）、許繼電氣、中國西電三家參與招標，柔直換流閥除上述三家外，還有榮 信匯科、特變電工參與網內市場競爭。
我們統計了目前已建的±300kV 及以上的 8 個柔直工程的換流閥供貨情況，其中 國電南瑞、榮信匯科、許繼電氣合計份額占比 89%，是國內柔直換流閥市場的三大龍 頭。
中低壓柔直領域，除了上述企業外，還有四方股份、中國能建旗下的北京電力設 備總廠、和極少數民營企業，目前競爭格局也十分良好。
直流設備產業鏈較長，上游潛力十足
直流設備下游需求單位除了兩網公司外，目前配網領域以低碳園區為代表的買家 對直流設備需求同樣旺盛。直流設備中游即設備集成製造本身，目前全球不超過 10 家有高壓直流的建設能 力。直流設備上游器件較多，其中最為核心的是 IGBT 和晶閘管等功率器件，以及直 流電容等被動器件。目前 3.3kV 及以下的 IGBT 國產化進度喜人，廣東柔直背靠背工 程國產化比例已提升至 50%。晶閘管目前已基本實現國產替代，主要由時代電氣與派 瑞股份供應。直流電容國產化比例很低，基本被國外壟斷，國產替代空間較大。
4. 投資分析
4.1.公司彈性與行業趨勢分析
三大直流設備龍頭直流業務對利潤彈性不一
三大直流設備龍頭公司為國電南瑞、榮信匯科、許繼電氣，其中國電南瑞、許繼 電氣均為上市公司，截至目前，榮信匯科正在科創板 IPO 申報階段。彈性由大至小依 次為榮信匯科、許繼電氣、國電南瑞。
過去兩年國家電網招標採購放量支撐行業今明年業績
根據國家電網招標採購公告次數，我們發現過去兩年，招標採購次數明顯上升， 尤其是 2021 年國家提出要建設以新能源為主體的新型電力系統後，招標再次走量。預計 2020Q4-2021Q4 的招標採購放量將對全行業未來兩年的業績構成支撐。
4.2.國電南瑞：直流輸配電、調度、繼保、信通的絕對龍頭
柔性輸電領域的國產化先鋒 依託南瑞繼保和中電普瑞，公司擁有低壓至高壓全部的換流閥設備製造技術，擁 有直流斷路器、直流變壓器等最先進的品種。公司深度參與各項示範工程建設，市場 地位和份額遙遙領先。公司與國網智研院、美國 McDermott 組成的聯合體，將擔任 BorWin6 海上風電柔性直流輸電工程的 EPC 總包商，是國產設備走出去的重要代表。
IGBT 產業化快速發展提升綜合實力
依託南瑞聯研半導體，公司成為國家電網 IGBT 產業化的核心平台。公司將持續 推廣 1.2-3.3kV 等級 IGBT 規模化應用，大力推進高電壓大電流 IGBT 器件研發，加快 攻關壓接式 IGBT 封裝技術，預計 2022 年自主器件將會進行批量出貨，提升公司柔性 輸電業務的綜合實力。
新一代調度系統迎來替換周期
調度系統隨電網規模的發展會產生升級的需求，公司上一代 D5000 系統自 2010 年試點、推廣，至今已過去 12 年。隨着新型電力系統和電力市場的建設，調度系統面臨更複雜的應用場景與更快速的響應需求，升級需求強烈。同時，配電網「源網荷 儲」協調控制將產生新增調度系統需求，預計公司調度業務將維持高景氣度。
電網信息與通信業務受益於數字化建設
公司在網內信通業務市場占有率較高，未來受到硬件需求稍有放緩，軟件需求增 加的影響，公司該板塊業務呈現增速下降毛利抬升的趨勢，預計將持續貢獻正向增長。
4.3.許繼電氣：集團股權變更完成，直流輸配電業務釋放業績彈性
併入中國電氣裝備集團有望優化上市公司業務格局
2022 年 3 月 29 日，公司發布《簡式權益變動報告書》公告，正式併入中國電氣 裝備集團。此舉將優化管理體制機制，改善企業資產結構，提高產品和技術適用度， 有力推動產業鏈融合發展，增強國有資本競爭力、創新力、影響力及抗風險能力。
根據公司《收購報告書》，重組的中國電氣裝備集團旗下的上市公司平台包括中 國西電、許繼電氣、平高電氣，綜合長期資本負債率不足 8%。總集團旗下還包括實 力強勁的山東電工電氣集團，擁有規模龐大的電氣裝備製造業務。
目前中國電氣裝備集團旗下各公司業務重合度較高、同業競爭情形複雜，為規 范及消除同業競爭，總集團正在研究論證電氣裝備業務相關企業的整合方案，未來 或將優化競爭格局，實現業務剝離、整合、與關聯業務整體上市。許繼電氣作為集 團旗下的重要上市公司，有望從中受益。
直流輸電引領業績快速增長
公司是國內直流裝備主要製造企業之一，公司在現存電壓等級最高的昆柳龍、張北、渝鄂、如東等柔性直流工程中均實現換流閥中標，彰顯技術實力，公司全面滲透 直流控保、直流消能、直流配網等各項直流業務。直流輸電作為公司毛利最高的業務 線，未來有望拉動業績快速成長。
智能變配電板塊亮點十足
公司擁有各種一二次融合裝備、智能物聯終端、預製艙產品，利用先進的信息技 術為電網、新能源場站、園區等場景提供智能變配電系統解決方案，預計將持續保持 增長。
新一代智能電錶迎來替換周期
智能電錶大約8-10年一個周期。公司於2020年收購中電裝備山東電子有限公司， 加強智能電錶製造能力，景氣周期下有望獲得一些業績增速。
新基建拉動充電樁業務持續發展
公司是國家電網電動汽車服務公司充換電設備的核心供應商，市場占有率穩定。充換電作為新基建內容之一，將助力公司業績成長。
4.4.積極關註上游功率器件與直流電容行業機會
大功率 IGBT、大電流晶閘管、直流輸電用金屬化薄膜電容器價值含量較高，我 們預計未來 10 年功率器件和直流電容將分別形成約 800 億的市場規模，其中十四五 期間有望分別形成約 250 億的市場規模。
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