“双碳”目标下电力研究：柔性输电与大功率变流器的应用与展望
近年来，为落实“双碳”战略目标，国家大力发展新能源，同时为解决新能源消纳及电力供应紧张等突出问题出台了多方面鼓励政策，相关政策的出台有助于解决新能源的消纳，并夯实电力供应保障能力，进而推动电力系统调节能力及电力技术创新水平持续提升。
1、电力行业概况
电力作为经济发展中的重要基础性资源，其供应的稳定性和可靠性直接影响到经济建设的各个领域，是社会稳定的重要保障。从产业链来看，电力行业主要可分为发电、输电、配电和用电等多个环节。
行业产业链关系
资料来源：普华有策
近年来随着我国经济持续稳定发展、工业化进程逐步推进，同时电能在工业、建筑、交通等部门替代传统能源的力度将不断加大，电力需求也保持持续增长。
2024年，全国全社会用电量9.85万亿千瓦时，同比增长6.8%，增速比上年提高0.1个百分点，我国电力需求将持续保持刚性增长。预测，2030年全国全社会用电量达到13万亿千瓦时以上，绿氢、抽水蓄能和新型储能的用电需求将显著提高。电力需求的不断增加，将带动电力行业的持续发展，带动电源和电网建设投资的扩大，这必将带动相关电力装备产业的发展。
2、行业发展方向分析
（1）新能源的大规模应用，对电力装备产业提出了新的要求
截至2024年底，全国全口径发电装机容量达到33.5亿千瓦，同比增长14.6%。其中，水电4.4亿千瓦，火电14.4亿千瓦，核电6083万千瓦，风电5.2亿千瓦，太阳能发电8.9亿千瓦。非化石能源发电装机容量为19.5亿千瓦，占总装机容量58.2%，同比提高4.3个百分点。为实现“双碳”目标，预计到2030年，非化石能源发电装机占比将接近70%，非化石能源消费比重将超过25%。
新能源的大规模应用，对传统电力产业冲击较大，对电力装备产业也提出了更高、更复杂的要求，主要体现在以下几个方面：
新能源应用对电力装备产业提出了新的要求
资料来源：普华有策
新能源的大规模应用，将驱动电网装备产业向智能化、电力电子化、高可靠性和高灵活性方向升级；新能源与电网装备的深度融合，将成为实现“双碳”目标的关键支撑之一。
（2）电力电子技术的进步，使得变流器已经成为主导新型电力系统发展的关键设备之一
新型电力系统相比传统电力系统，具有低惯量、低阻尼和弱电压支撑等特点，电网呈现交直流强耦合和复杂电压层级。中东部地区直流集中馈入，电压频率稳定问题突出，电网安全风险较高。随着新能源发电、新型储能和柔性直流输电技术的发展，电力系统面临更大挑战。换流器作为关键设备，能够实现“源-网-荷-储”全环节的灵活协同调控。
电力电子技术的进步推动了这一转变，通过材料创新、拓扑结构优化和控制算法升级，解决了高电压、大功率和高效率等关键难题。具体体现在：①更大功率：采用6.5kV、5kA功率器件；②更高效率：采用低损耗IGBT器件；③封装技术升级：提升散热能力和功率密度；④优化拓扑结构：减少谐波污染，支撑柔性直流输电；⑤谐振软开关技术：降低开关损耗；⑥冗余设计：确保设备稳定运行。
电力电子技术突破了传统瓶颈，推动高端装备的工程应用，未来将继续向更高效率、更高密度和更智能化方向发展，为新型电力系统提供技术支持。
（3）新型电力系统发展战略，必将持续推动电力高端装备的发展
根据《新型电力系统发展蓝皮书》，我国电力系统在关键技术装备方面仍有短板，科技创新效能需要进一步提升。尽管我国已形成具有国际竞争力的完整产业链、供应链和价值链，电力科技整体水平已实现战略性转变，但在某些技术领域仍存在差距，特别是在大功率柔性输变电装备和关键元器件等方面。国家持续支持新型电力系统发展，并制定了2030年、2045年、2060年为重要时间节点的“三步走”发展路径。
新型电力系统“三步走”发展路径
资料来源：普华有策
（4）我国电力行业投资出现比较明显的错配，能源送出成为新型电力系统发展的重大瓶颈
我国电源与用电负荷错配日益显现，西北、西南电网发电量远大于用电量。中国自然资源禀赋丰富的区域与负荷中心相距较远，无论是西北的风光煤等自然资源，还是西南的水电，都需要输电通道联通沿海的需求负荷中心。且由于中国电力规划设计是从中央层面协调地方建设，因此很多省份都无法实现自身平衡，需要外来购电支持。全国跨区域送电量与占全社会用电量比例持续攀升，2024年达到8,416亿千瓦时，占总电量8.54%。
根据数据，自2017年至2024年，我国电源投资增速较快，但电网投资规模整体较为稳定，两者之间出现比较明显的错配，具体情况如下：
2020-2025年我国电力投资情况（亿元）
资料来源：普华有策
在能源区域不平衡这一大背景下，我国迎来了新的一轮电网建设高峰，本轮电网建设以特高压直流，尤其是特高压柔性直流建设为主要特征。在电力系统运行中，柔性直流技术通过解决送端与受端电网的核心痛点，目前已经在远距离输电、新能源并网消纳、电网互联、无源网络供电等多种场景下展现出显著的技术价值，应用前景十分广阔。
3、行业发展态势与未来发展趋势
（1）柔性直流输电（HVDC）技术采用全控型电力电子器件（如IGBT），可灵活控制电流开关，避免换相失败。相比传统直流输电，它无需大量吸收无功功率，支持电网稳定，特别适合风电、光伏等间歇性能源接入及远距离大容量输电。其核心设备包括换流阀、换流变压器和控制保护系统，已成为新型电力系统的关键技术。
①柔性直流输电解决远距离大容量输电问题
柔性直流输电（HVDC）在长距离、大容量、低损耗传输方面具显著优势，能提供电压和频率支撑，尤其在新能源外送和频率调节方面表现突出。张北柔直工程降低了新能源外送风险，提升了电网稳定性，尤其适合多馈入直流系统。
②深远海海上风电推动柔直输电装备发展
全球海上风电快速增长，特别是中国市场贡献大。柔性直流技术无充电功率限制，广泛应用于海上风电，能在远距离传输中提供稳定支撑，尤其在大容量送出时更具优势。预计未来柔性直流输电将成为海上风电的主要送出方式。
③柔性直流输电推动区域电网互联发展
柔性直流技术优化区域电力输送，确保电网安全稳定运行。跨区域电力交换容量大幅提升，解决交直流功率转移和安全问题，简化电网故障控制。粤港澳大湾区的柔性直流工程提升了电网供电能力和安全性，未来将促进电网互联和装备建设。
（2）柔性交流输电装备可以有效提高交流电网质量，促进新型电力系统建设
柔性交流输电系统融合了电力电子技术、微处理技术、通信与控制技术，用于灵活控制交流输电。该技术已有20多种产品，部分已商业化并取得良好效果，代表性产品包括静止同步补偿器、有源滤波器、统一潮流控制器等。
柔性交流输电技术能在不改变电网结构的前提下，提升电网功率输送能力及电压潮流的可控性，适应以新能源为主体的电力结构。同时，它在改善电能质量方面也发挥着重要作用，解决了电网和工业用户的谐波、电压波动等问题。
随着国家“双碳”战略的实施，风电、光伏等清洁能源占一次能源的消费比例将进一步提升，对传统交流输电网络的改造与技术升级将成为必然选择，这为柔性交流输电装备带来良好的发展机遇与广阔的市场空间。2024年全球柔性交流输电系统（FACTS）市场规模大约为16.05亿美元，预计2031年将达到23.85亿美元，2024年-2031年期间年复合增长率（CAGR）为5.82%。柔性交流输电产业将持续保持快速稳定增长。
全球柔性交流输电系统（FACTS）市场规模及预测
资料来源：普华有策
（3）随着各行业节能降碳要求的提高和电力电子技术的进步，大功率变流器也将迎来快速发展
①电能替代和电气化发展
电能替代是实现碳中和的重要战略，旨在用电能替代煤炭、石油、天然气等传统能源。随着清洁能源（如风能、光能、水能、储能）的大规模开发，电能将成为主要能源形式。国家已将电能替代纳入战略，并计划在“十四五”期间投入巨资推进电网转型。预计到2030年，电能占终端能源消费的比重将达到35%。电气化将推动工业、建筑、交通等领域的结构优化，预计到2060年，全球电力需求增速将大幅超越能源消费增速。
②电力电子技术与大功率变流器应用
电力电子技术的进步使变流器更高效、更小型化。AI算法和数字孪生技术优化运行参数，提升系统整体能效3%-8%，为大功率变流器的广泛应用提供了技术基础。
③大功率变流器的广泛应用
大功率变流器通过电力电子元件（如IGBT）将直流电和交流电转换，广泛应用于电力、工业和可再生能源领域。它们在节能降碳方面具有显著潜力，主要优势包括：提高能源转换效率（如工业电机节能20%-50%），优化终端用能结构（如电动汽车能效提升3倍）。随着电气化和节能目标的推进，大功率变流器市场将持续增长。
4、行业竞争格局及主要企业
（1）柔性直流输电领域
在国内柔性直流领域的主要竞争对手包括南瑞继保、中电普瑞、许继电气、中国西电、特变电工。各厂家之间既存在一定的市场竞争，又在国家电网、南方电网两大电网公司的协调下存在一定的协作关系，共同促进了中国在柔性直流输电领域的技术突破。在国际上的主要竞争对手包括日立能源、西门子等。在国际市场同海外能源装备巨头展开正面竞争。
（2）柔性交流输电领域
构网型静止同步补偿器产品具有电压高、容量大的属性，因而通常不参与国内中小容量市场的竞争，专注于高可靠性、高性能、大容量以及适应本地化需求的海外市场，主要面向海外新能源发电、冶金、矿山等行业领域客户销售，主要竞争对手为日立能源、西门子、韩国晓星等国际厂商，在澳大利亚等特定市场具有较大的市场份额。
主要企业情况
资料来源：普华有策
(3)大功率变流器领域
大功率变流器产品包括大功率级联变频器、大功率四象限变频器、大功率三电平变频器和大功率柔性电源等系列化产品，广泛应用于发电、电力输配、石油石化、冶金化工、船舶制造、国防科工、电能存储等行业领域。大功率变流器产品在天然气长输管线、试验平台、船舶推进等细分领域具有领先优势，特别是在空气动力试验平台细分领域，用于空气动力试验平台的电源建设，打破了国外技术壁垒，实现了进口替代，推动了国内相关行业的进步，促进了我国航空装备的发展，为国家级重大技术装备的研发试验能力做出了重要贡献。主要竞争对手为能传电气、禾望电气、ABB、TMEIC等，具体如下：
主要竞争企业
资料来源：普华有策
5、进入行业壁垒
（1）技术壁垒
输配电及控制设备行业，特别是柔性输电细分领域是技术密集型行业，其综合了大功率电力电子技术、电力自动化技术、高压电器制造与试验技术、现代计算机技术、微电子技术、自动化控制技术、热力学技术、机械设计技术等。行业技术集成度高、开发难度大、制造工艺复杂，具有较高的技术壁垒。
（2）产品质量及项目业绩壁垒
柔性输电装备是电网的关键组成部分，直接影响电网的安全性和可靠性。下游客户如国家电网、南方电网对供应商有严格的准入要求，包括财务状况、资金实力、产品检测能力及项目业绩等。产品需通过国家规定的型式试验并取得合格报告才能参与招标和投入市场，新进入者难以短期内满足资质要求，形成较高的质量和项目业绩壁垒。
（3）资金壁垒
输配电及控制设备行业属于资金密集型行业，对于初期建设和日常营运的资金要求较高。生产柔性输电装备、大功率变流器等产品通常需要较大空间，企业需要对土地、厂房、生产线、机器设备等进行较大规模的资金投入，才能形成规模化生产。
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