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1、1证券研究报告作者:行业评级:上次评级:行业报告 | 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明强于大市强于大市维持2022年04月04日(评级)分析师 孙潇雅 SAC执业证书编号:S09风电风电3海缆行业:海缆行业:抗通缩环节,产品迭代期看技术,长期看整套解决方案能力抗通缩环节,产品迭代期看技术,长期看整套解决方案能力行业专题研究2请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明对风电细分赛道的选择,仍是遵循抗通缩原则,而海缆就满足这一特性:海上风电大型化远海化下对风电细分赛道的选择,仍是遵循抗通缩原则,而海缆就满足这一特性:海上风电大型化远海化下ASP(单吉瓦)相对稳定。具体来说,
2、高(单吉瓦)相对稳定。具体来说,高电压、柔性直流等技术迭代对冲风机、风场大型化带来的单价下降,而竞争格局上也有利于龙头集中。电压、柔性直流等技术迭代对冲风机、风场大型化带来的单价下降,而竞争格局上也有利于龙头集中。海缆在海风产业链中的价值?海缆在海风产业链中的价值?海缆作为输送海上风电的“血管”,复杂性与重要性并存。海缆作为输送海上风电的“血管”,复杂性与重要性并存。海缆作为海上风电中的输送环节,对海上电能传输的安全性和稳定性具有重要影响。海缆的应用环境决定其阻水及机械性能要求更高,同时海缆的故障尤其是送出海缆会影响整个风场的运营,产品质量至关重要。根据使用环节可将海缆分为用于【海上风场内集电
3、线路的阵列海缆】和【输送到陆上集控中心的送出海缆】,根据我们测算,两者投资占海风项目初始投资成本(包括风机、塔筒、风电基础及施工、升压站等)的比例约为10%。海缆的技术趋势和带来的影响?海缆的技术趋势和带来的影响?短期向更高电压等级发展:短期向更高电压等级发展:随着风场及风机大型化,原有输电能力无法满足。更高电压等级的海缆无论从输电能力还是降低总体项目的投资成本方面均更有优势,海缆高压化成为趋势海缆高压化成为趋势。而由此带来的变化:1)以价补量:根据我们测算,量上66kV阵列海缆相比35kV长度减少30%40%,价上66kV海缆采购单千米造价比35kV海缆提升约36%。同时66kV高附加值将对
4、应更高的毛利以缓解整个海风产业链降本带来的压力;2)竞争格局上,由于高电压海缆的绝缘工作场强更为集中,绝缘材料的电气性能是提升电压等级的核心挑战,因此技术壁垒提升,利好竞争格局优化因此技术壁垒提升,利好竞争格局优化。中长期柔直海缆并网占比提升中长期柔直海缆并网占比提升:风场远海化趋势下,柔直海缆相比交流海缆在输送容量及长度方面的优势凸显,同时长距离摊薄柔直输电系统增加的换流站成本。我们预计中长期柔性直流海缆在远海项目的占比会大幅提升。小结:1)量上:远海化使得单项目送出海缆使用长度增加;2)利上:柔性直流海缆的技术要求更高,相比交流海缆拥有更高的价值。远海远海化下量利齐升,使得送出海缆在整个海
5、风项目中的投资占比有望提升,是难得的风电抗通缩细分赛道。同时,柔直海缆绝缘加工及软接头要化下量利齐升,使得送出海缆在整个海风项目中的投资占比有望提升,是难得的风电抗通缩细分赛道。同时,柔直海缆绝缘加工及软接头要求更高,技术壁垒使得竞争格局更为集中。求更高,技术壁垒使得竞争格局更为集中。摘要WWjYnYcVpXpWnMtRoNbRaObRpNpPmOsQlOrRnRjMoOtN8OpPzQNZmPzQwMrQzR3请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明我国海缆的中期市场空间及投资机会?我国海缆的中期市场空间及投资机会?核心假设:核心假设:1)35kV海缆单千瓦价值21-25年同比变动3%/-1%
6、/1%/1%/1%,66kV海缆单千瓦造价比35kV低5%;2)66kV海缆21/25年渗透率为0%/30%;3)21-25年新增风场规模CAGR为25%;4)21/25年我国海上风电项目平均离岸距离30/60km,单风场规模2021-2025年增速为20%,2021-2025年送出海缆单千米价格变动百分比分别为4%/1%/2%/2%/2%;5)海缆毛利率21/25年为45%/40%。市场空间:市场空间:对比海风平价使得风机等环节被大型化严重摊薄,我国海缆ASP(单吉瓦)并未有大幅下降,甚至在2021-2025年有1%的增幅。预计我国海缆行业21-25年CAGR达26%,25年市场规模达322
7、亿元,其中阵列海缆及送出海缆市场规模分别为125、197亿元。我国海缆利润空间21/25年为58/129亿元,21-25年CAGR为22%。竞争优势?竞争优势?竞争要素:竞争要素:1)产品质量是决定中标的关键,表现为资质及业绩门槛。)产品质量是决定中标的关键,表现为资质及业绩门槛。海缆对海上电能传输的安全性和稳定性具有重要影响,维修及更换困难且成本较高,因此业主在招标时对资质及历史业绩有较高要求。2)产品升级阶段领先技术尤为重要。)产品升级阶段领先技术尤为重要。产品迭代的难度系数成倍增加,所需的研发生产周期较长,领先的技术储备有利于厂商占据先发优势。3)全生命周期的解决方案将成为长期增长点。)
8、全生命周期的解决方案将成为长期增长点。海缆的采购与敷设总包趋势明显,集设计研发、生产制造、安装敷设及运维服务于一体的产业体系将成为公司的长期竞争力。4)码头资源带来的属地优势。)码头资源带来的属地优势。海缆厂商需建设专用的输缆栈道来衔接码头和厂区,而码头岸线资源日益稀缺,对新进入企业或行业内原有企业扩产形成一定的壁垒。且各省市海上风电发展速度与规模均有较大差距,在海风项目当地拥有生产基地的海缆厂商在招标中将更有优势。竞争格局竞争格局:参考欧洲海缆市场,行业竞争格局比较集中,2020年国内CR3合计占比超八成。目前新进入者由于技术、资质、业绩等多方面壁垒短期难以突破,但长期来看若其建厂及技术积累
9、周期快于技术迭代周期,且具有生产基地属地优势非头部企业仍可能有机会。就厂商地区布局截至2022.年4月2日已建成情况来看,山东山东:汉缆股份、万达电缆;江苏江苏:中天科技、亨通光电(产能约40亿)、宝胜股份;浙江浙江-东方电缆(规划产能60亿);广东汕尾广东汕尾-中天科技。4请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明投资机会:投资机会:技术迭代期国内市场正或将处于向更高电压等级海缆及直流海缆产品迭代期,头部厂商能够凭借持续的技术创新和自主研发巩固其领先优势。长期海缆的采购与敷设打包招标将成为趋势,而海缆定制化设计、生产、测试、集成、敷设、运维的全寿命整体解决方案也将成为企业在海缆业务综合能力的体现
10、。我们认为能够提前进行技术储备,并提供综合解决方案的海缆厂商竞争优势更大。投资建议投资建议东方电缆:高纯海缆标的,技术领先,多系统解决方案强化成长。东方电缆:高纯海缆标的,技术领先,多系统解决方案强化成长。公司2018-2021年海缆业务营收占比从35%提升至41%。海缆技术及产品质量方面高压交流海缆及直流海缆均有相应的技术储备,且66kV与500kV海缆均已有项目中标。海缆产能方面在广东阳江、浙江宁波扩产,22/23年规划产能60/75亿。解决方案方面公司积极打造集高端海洋缆产品设计研发、生产制造、安装敷设及运维服务于一体的产业体系,形成多服务系统解决方案,强化其成长性。建议关注中天科技(通
11、信组覆盖):多板块布局形成海工全产业链,长期有望国内建议关注中天科技(通信组覆盖):多板块布局形成海工全产业链,长期有望国内& &国际双开花。国际双开花。海缆技术及产品质量方面公司500kV交流海缆、400kV柔性直流海缆均已有项目交付。海缆产能方面新建江苏盐城和广东汕尾两大海缆生产基地扩产以匹配需求。解决方案方面公司多家子公司布局,目前已完成海缆-海底观测、勘探-海缆敷设-海上风电基础施工、风机吊装于一体的海洋系统工程全产业链布局并不断巩固完善,同时与欧洲电力供应商研发合作,有望逐鹿欧洲高端市场。风险提示:风险提示:海上风电项目需求不及预期;海缆技术迭代不及预期;测算具有主观性,仅供参考。海
12、上风电项目需求不及预期;海缆技术迭代不及预期;测算具有主观性,仅供参考。一、海缆:输送海上风电的“血管”一、海缆:输送海上风电的“血管”海上风电的“血管”,复杂性与重要性并存。5请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明6海缆重要性:海上风电的输送“血管”海缆重要性:海上风电的输送“血管”数据来源:中国海上风电用海缆系统标准体系研究孙建生等,海底电缆国内外研究综述邵森安等,中天海缆招股说明书,CSEE,天风证券研究所 海缆是海上风电至关重要的一环。海缆是海上风电至关重要的一环。海缆主要应用于海上风电、海洋油气开采、陆地与岛屿间电力、通信传输等领域,而海上风电是主要应用场景。海缆作为海上风电中输送电
13、能的设备,对海上电能传输的安全性和稳定性具有重要影响。海缆的故障,尤其是送出海缆会影响整个风场的运营,且由于海缆的使用环境较为特殊,维修及更换困难且成本较高,因此其产品质量至关重要。 根据使用环节分为阵列海缆与送出海缆。根据使用环节分为阵列海缆与送出海缆。海上风电用的电缆主要包括海上风电机组用电缆、风场内集电线路用电缆、海上升压站用电缆和输送到陆上集控中心用电缆。其中海上风电机组用和海上升压站使用的电缆标准基本与通常陆上风场的相应电缆规定相同,但用于海上风场内集电线路(阵列海缆)以及输送到陆上集控中心(送出海缆)的电缆与陆上风场相应电缆有明显区别,其采用海底电缆标准,要求更高。 海缆的传输电流
14、电压的类型取决于海洋输电线路的容量、长度及成本等。目前阵列海缆一般为35kV,而送出海缆一般为220kV。图:阵列海缆及送出海缆具体分类图:阵列海缆及送出海缆具体分类项目项目阵列海缆阵列海缆送出海缆送出海缆电压类型交流(AC)交流(AC)/直流(DC)电压等级AC:35kV(常用)、66kV(少量)AC:220kV(常用)、110kV(少量)、330kV/500kV(远期)DC:160kV、320kV、400kV,依据工程设计芯数三芯单芯./三芯绝缘交联聚乙烯交联聚乙烯图:海风项目中海缆输送方案图:海风项目中海缆输送方案阵列海阵列海缆缆送出海送出海缆缆7海缆复杂性:应用环境决定性能要求更高海缆
15、复杂性:应用环境决定性能要求更高数据来源:中天海缆招股说明书, 浅析海底电缆的基础知识与结构张东,天风证券研究所 海底电缆的基本结构为:导体、绝缘、金属屏蔽、金属层及护套、填充、铠装、复合光纤、辅助材料等。 导体:用于承载电流,通常由铜或铝组成; 绝缘:为内外电势表面极高的电势差提供了有效屏障,目前常用材料为交联聚乙烯(XLPE); 阻水护套:保护绝缘免受水分侵入的损害,保持绝缘强度; 铠装:提供机械保护和张力的稳定性,是重要的结构元件; 外披层:用以保护在运输、深埋安装过程中海缆铠装,通常是聚丙烯绳(PP绳)。 海缆主要应用于水下,除需要满足基本的电气性能外,对海缆主要应用于水下,除需要满足
16、基本的电气性能外,对阻水性能、机械性能也具有更高的要求。阻水性能、机械性能也具有更高的要求。图:三芯交联聚乙烯绝缘海缆与陆缆结构对比图:三芯交联聚乙烯绝缘海缆与陆缆结构对比项目项目海缆海缆陆缆陆缆应用领域主要应用于海上风电、海洋油气开采、陆地与岛屿间电力、通信传输等领域。主要应用于陆上电力系统中输配电网建设。应用环境需采用专用敷缆船和敷缆设备将海缆敷设于水底,要求海缆必须具有良好良好的阻水和机械性能的阻水和机械性能,此外海缆还需具有防腐蚀、防海洋生物的能力防腐蚀、防海洋生物的能力,保证使用寿命满足工程需求。陆缆主要应用于地下,通常敷设在地下土壤、电缆沟、电缆架、专用通道(管道、隧道)等位置,通
17、常为多根电缆集群敷设,周围环境比较干燥,通电时升温较快,因此陆缆对防火、阻燃、耐候等性能要求较高,从而保障通电的安全性。生产长度应尽可能实现大长度连续生产尽可能实现大长度连续生产。对于无法一次性生产的长距离海缆,可通过制作接头进行大长度接续,保证海缆长度满足工程应用需求,接头处性能应与海缆本体保持基本一致。陆缆敷设线路一般较短,单盘陆缆长度通单盘陆缆长度通常在几十米到几公里之间常在几十米到几公里之间,运输过程可以分批进行,敷设过程方便;对于较长的敷设线路,陆缆中间可采用多个接头进行接续、存储和运输方式海缆单位长度体积和质量较大单位长度体积和质量较大,单根重量可达几百上千吨,且主要应用于水下,存
18、储时需要采用大型收线地转存储时需要采用大型收线地转盘盘,且通过专用的船舶进行运输专用的船舶进行运输。一般将电缆缠绕于电线盘具上进行存储,单盘电缆重量最大为几十吨单盘电缆重量最大为几十吨,通常以盘具为单位采用陆上车辆载具方式进行运输,运输方便,灵活性较大运输方便,灵活性较大。机械防护结构机械性能要求较高,机械性能要求较高,通常需要设计金金属丝铠装结构,属丝铠装结构,以加强其机械强度。承受的机械应力以径向压力为主,通常没通常没有金属丝铠装结构,而仅使用皱纹铝套、有金属丝铠装结构,而仅使用皱纹铝套、钢带等作为金属层钢带等作为金属层,提升机械性能,皱纹铝套质量较轻,容易被海水腐蚀,不适用于海底环境。阻
19、水结构通常需要在海缆内部设计专门的阻水设计专门的阻水结构,其中纵向阻水结构采用阻水材结构,其中纵向阻水结构采用阻水材料填充进导体间隙和金属套内,径向料填充进导体间隙和金属套内,径向阻水结构一般采用无缝合金铅套作为阻水结构一般采用无缝合金铅套作为金属护层,在电缆表面形成致密的包金属护层,在电缆表面形成致密的包覆层覆层,同时起到抵御腐蚀和水压的目的。一般使用环境水分较少,导体内通常不具导体内通常不具有纵向阻水结构有纵向阻水结构,外层金属护层和塑料护层可以起到部分防水作用。图:海缆与陆缆对比图:海缆与陆缆对比8我国海缆绝缘材料多为交联聚乙烯(我国海缆绝缘材料多为交联聚乙烯(XLPE)数据来源:电力设
20、备技术服务公众号,广东南澳110kV海缆选型谢伟群,220kV交流OF海缆和XLPE海缆绝缘的优劣及国外生产应用情况汪小清等,海底电缆专利技术综述郑玲玲等,天风证券研究所 充油电缆运维费用高,且可能造成海域环境污染。充油电缆运维费用高,且可能造成海域环境污染。充油海缆中充入带油压的低粘度绝缘油,一方面可迅速消除由于负荷变化导致绝缘热胀冷缩而形成的气隙,另一方面可以平衡海水的压力而避免铠装受到损害,但充油海缆受运行时附属设施较多,需要供油系统的压力油箱、油泵站以及相应的油系统报警设备,工程造价高,运行时需定时记录、巡视,运维费用较高。同时,受到外力破坏后,电缆油会泄露,造成一定海域环境污染。 乙
21、丙绝缘海缆不适用于高压。乙丙绝缘海缆不适用于高压。乙丙绝缘海缆与交联聚乙烯海缆结构相似,只是绝缘材料由交联聚乙烯改为乙丙橡皮,由于该材料的乙丙绝缘电缆介损正切值和介电常数比较大,一般只用于低于138kV电压的海缆,不适用高压绝缘。 交联聚乙烯绝缘海缆应用最为广泛。交联聚乙烯绝缘海缆应用最为广泛。XLPE交联聚乙烯绝缘海缆具有良好的导热性, 输送容量大,损耗低,我国海缆厂商已掌握其工艺,是目前应用最广泛的海底电缆。电缆类型电缆类型优点优点缺点缺点充油海缆运行经验丰富,制造工艺成熟;绝缘介质损耗低;适用于电压等级更高的输电工程充油电缆漏油会污染海洋环境充油电缆漏油会污染海洋环境;电缆质量大,敷设难
22、度高;需配有充油系统,运输敷设不便,维护工作量大,运维费用高。交联聚乙烯绝缘海缆制造工艺简单、运行维护工作量小、费用低;弯曲半径小、质量轻,可生产、敷设的长度更长,敷设安装简单;电气性能和机械性能优于充油电缆。性能受工艺过程的影响较大;材料本身对空间电荷耐受能力较差,需采用特殊工艺处理过的交联聚乙烯材料。乙丙绝缘海缆与交联聚乙烯电缆相比更能防止树枝化放电老化及局部放电问题。与交联聚乙烯电缆相比,乙丙绝缘电缆介损正切值和介电常数比较大,不适用高压绝缘。不适用高压绝缘。电缆类型电缆类型导线温度导线温度 ()耐压强度耐压强度 (kV/mmkV/mm)运行中短路时工频电压冲击电压充油电缆7516040
23、100XLPE绝缘电缆9025030130导电体截面导电体截面(mm2)XLPE绝缘电缆绝缘电缆充油电缆充油电缆载流量 (A)输送容量(MVA)载流量 (A)输送容量(MVA)300550104.7951097..22550104.79500670127.65595113.36630730139.08640121.94800785149.56680129.56图:海缆绝缘材料对比图:海缆绝缘材料对比图:图:110kV 充油海缆与交联聚乙烯绝缘海缆电气性能与机械性能对比充油海缆与交联聚乙烯绝缘海缆电气性能与机械性能对比9海缆价值:占海上风电总投资比约海缆价值:占海上风电总投
24、资比约10%数据来源:北极星风力发电网微信公众号, “十四五”中国海上风电发展关键问题时智勇,天风证券研究所海缆占海上风电投资约海缆占海上风电投资约10%,受各地海域条件影响有所差异。,受各地海域条件影响有所差异。由于海底地质条件以及适合开发风电海域离岸距离不同,中国沿海各省海上风电造价有所差异。长江以北近海海域以滩涂、淤泥沉沙为主,工程造价偏低;长江以南海域海床以岩石为主,工程造价偏高。根据我们测算,风电机组、风机基础施工成本合计约占海风项目总投资成本的45%、23%,而海缆投资约占比为10%,单位投资总额约为16亿元/GW。配置配置江苏江苏广东广东福建福建海底地质条件海底地质条件长江以北,
25、近海,以滩涂、淤泥沉沙为主长江以南,海床以岩石为主风电机组(含安装)风电机组(含安装)48%43%45%塔筒塔筒4%4%5%风机基础及施工风机基础及施工19%24%25%基础预备费基础预备费/ /施工辅助工程施工辅助工程1%1%1%35kV35kV阵列电缆阵列电缆3%3%3%220LV220LV送出电缆送出电缆5%10%5%海上升压站海上升压站6%3%3%陆上集控中心陆上集控中心1%2%2%用海(地)费用用海(地)费用4%3%3%其他其他9%7%8%项目单位投资额(亿元项目单位投资额(亿元/GW/GW)154169179海缆单位投资额(亿元海缆单位投资额(亿元/GW/GW)12.2821.97
26、14.32表:各地海上风电项目初始投资成本构成表:各地海上风电项目初始投资成本构成二、海缆技术趋势二、海缆技术趋势?短期高压化,中长期向柔性直流发展。10请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明11技术趋势一:短期风场、风机大型化推动海缆高压化技术趋势一:短期风场、风机大型化推动海缆高压化数据来源: 远海大容量机组海上风电集电系统技术经济研究谭振龙等, 海底光电复合缆在海上风电的应用研究吴钟博, 66 kV海上风电交流集电方案的研究与发展前景王峰等 , Offshore Wind Asia微信公众号,Wind Europe,北极星风力发电网,天风证券研究所 风机大型化带来阵列海缆由风机大型化带来
27、阵列海缆由35kV35kV向向66kV66kV迭代。迭代。 目前国内海上风电场阵列海缆普遍采用目前国内海上风电场阵列海缆普遍采用35kV35kV交流集电输送方案。交流集电输送方案。每台风电机组都会通过一台就地升压变压器将机端电压升至35 k V,通过35 k V交流电缆汇集多个风机的电能送至海上升压站,再通过升压变压器的进一步升压,由海底电缆将电力输送至岸上,接入电网。其中,35kV海缆根据风力发电机输出功率逐级增大其电缆或导线截面。 随着风机大型化的趋势,随着风机大型化的趋势,35kV35kV海缆的局限性凸显。海缆的局限性凸显。由于每根电缆上可以连接的风机数目随着单台风机容量的增大而减少,随
28、着海上风电场的不断扩容,可互联的风机数量越来越少,35kV海缆数目增加,同时也增加了相应的工程费用及海上升压站的接线复杂度。 66 kV66 kV交流集电方案在欧洲风电市场已得到普遍应用。交流集电方案在欧洲风电市场已得到普遍应用。2016年耐克森通过了66kV XLPE海底绝缘电缆系统的认证,为VBMS海上风电场首次提供66kV阵列电缆。2020年欧洲已有1/3的海上风电项目使用66kV阵列海缆。基于目前风机大型化趋势的加快,欧洲海缆龙头JDR已经开始研发90kV海缆以谋求行业领先。图:图:35 kV交流阵列海缆交流阵列海缆图:图:66 kV交流阵列海缆交流阵列海缆图:欧洲海上风机单机容量变动
29、趋势图:欧洲海上风机单机容量变动趋势12技术趋势一:短期风场、风机大型化推动海缆高压化技术趋势一:短期风场、风机大型化推动海缆高压化数据来源: 探究66kV集电海缆在我国大型海上风电项目中的应用许新鑫等, 66 kV海上风电交流集电方案的研究与发展前景王峰等,66kV海上风电交流集电方案技术经济性研究蔡蓉等,天风证券研究所 66kV66kV相比相比35kV35kV阵列海缆的经济性优势:投资成本及运维成本均降低。阵列海缆的经济性优势:投资成本及运维成本均降低。 投资成本方面:更高的输送容量使得可互联风机数增加,总体投资成本降低。投资成本方面:更高的输送容量使得可互联风机数增加,总体投资成本降低。
30、66 kV高电压等级的应用,提高了海缆的载流能力。等截面的66 kV集电海缆在同等工况下输送容量是同等截面 35 kV集电海缆输送容量的1.8倍以上,所需的海缆数量减少,也降低了海上升压站接线的复杂程度。且电缆外径相对于35 kV集电海缆的外径,尺寸变化并不大,对施工的影响有限。 运维成本方面:低损耗降低运维成本。运维成本方面:低损耗降低运维成本。海缆在输送同样功率时,较高的电压意味着较低的电流,同时也意味着较低的输送损耗。 66kV海缆相比35kV单位价值量提升,可以缓冲由更高输电容量带来的长度减少。同时,风机/风场容量6/2888/28810/300,35kV海缆用量为0.430.330.
31、34km/MW,即在风机及风场大型化进程中,风机数量减少,距离增大,海缆的数量随之减少,但单根海缆长度增加,且中长期远海化使得远端风电机组与海上升压站的距离增加,整体海缆在量上的降幅相比风机等其他环节并不明显。风机容量(风机容量(MWMW)风场容量(风场容量(MWMW)阵列海缆电压(阵列海缆电压(kVkV)CAPEXCAPEX(亿元)亿元)OPEXOPEX(亿元亿元/ /a a)LCOELCOE(元元/ /kwhkwh)阵列海缆长度(阵列海缆长度(kmkm)62883526.761.5520.3821236626.571.5100.3758082883526.191.5430.37796662
32、6.071.5050.376.981.5950.3731016626.671.5740.36953表:表:35kV及及66kV阵列海缆方案阵列海缆方案CAPEX、OPEX及及LOCE对比对比注:仅考虑主要电气设备及电缆的投资成本,以离岸距离40km为例。上述方案中66 kV阵列电缆比相应的35 kV长度减少30%35%,年运维成本比减少1.3%2.7%。13技术趋势一:短期风场、风机大型化推动海缆高压化技术趋势一:短期风场、风机大型化推动海缆高压化数据来源: 海上风电场输电方式研究彭穗等, 探究66kV集电海缆在我国大型海上风电项目中的应用许新鑫, 沿海风电场应用海底电缆
33、选型探讨周厚强,中天海缆招股说明书,天风证券研究所 风场大型化使送出海缆高压化成为趋势。风场大型化使送出海缆高压化成为趋势。 国内目前主流的交流海缆电压等级为220kV,一般采用单回三芯结构,输电能力180350MW,而220kV更大截面海缆(超过2500 mm2)以及500kV海缆输电能力可达到400MW以上。预计未来随着风场大型化,目前主流的220kV送出海缆将会提升至330kV甚至500kV。 单芯海底电缆与三芯海底电缆各有利弊。单芯海底电缆与三芯海底电缆各有利弊。 单芯海缆的优点:外径小,单位重量轻,电缆的敷设及检修难度小,同时,因为单位重量、弯曲半径较小等因素,在相同的制造条件下单芯
34、海缆的制造长度可以 较长;缺点:占用较大的海域面积, 敷设费用较高。 三芯海缆的优点:具有平衡的负载,在铠装层中没有感应的循环电流,敷设费用也低;缺点:外径较大,单位重量大,电缆的敷设及检修难度相对较大。 一般中低电压使用三芯,高压使用单芯,但具体情况要根据路由状况、安装敷设和保护措施及制造技术水平等综合考虑。表:不同电压等级、不同截面交流海缆输送容量表:不同电压等级、不同截面交流海缆输送容量交流电压等级交流电压等级/kV截面截面/mm2容量容量/MW海缆根数海缆根数35330035 000280300131 600340350
35、12 500400345001 8001100343 000140034图:单芯海缆与三芯海缆结构对比图:单芯海缆与三芯海缆结构对比14技术趋势一:短期风场、风机大型化推动海缆高压化技术趋势一:短期风场、风机大型化推动海缆高压化数据来源: 高压直流海缆工程应用现状及展望刘耀等,交流500 kV交联聚乙烯海缆研制与工程应用的若干科学问题周自强等,天风证券研究所 提升电压等级的核心挑战:绝缘材料的电气性能。更高电压等级的海缆绝缘被击穿的可能性更大,制造工艺要求更高,利好头部提升电压等级的核心挑战:绝缘材料的电气性能。更高电压等级的海缆绝缘被击穿的可能性更大,制造工艺要求更高,利好头部企业。企业。
36、工厂接头绝缘恢复的硫化、冷却和海缆本体挤包绝缘是两个相对独立的过程工厂接头绝缘恢复的硫化、冷却和海缆本体挤包绝缘是两个相对独立的过程,不同的热历史造成了XLPE不同的晶相结构,进而导致工频击穿、电树枝发展特征存在一定差异。与220 kV XLPE海缆相比,500kV XLPE海缆的绝缘工作场强更为集中,工厂接头的恢复绝缘与本体绝缘的微小差异以及过渡绝缘的存在,都可能引起XLPE绝缘发生电树枝劣化甚至绝缘击穿。为了保障工厂接头及近接头海缆挤制绝缘性能的稳定性,找到XLPE绝缘电树枝劣化甚至绝缘击穿的根本原因,需要分析不同注塑方式下,不同区域LDPE(低密度聚乙烯)熔体密度差异导致的工厂接头绝缘晶
37、相结构差异,并在此基础上进一步分析海缆工厂接头及近接头海缆的绝缘性能差异。表:击穿场强及其变化率表:击穿场强及其变化率表:表: 典型电树枝形态典型电树枝形态15技术趋势二:中长期远海风电将以柔直并网为主技术趋势二:中长期远海风电将以柔直并网为主数据来源:我国发展直流海底电力电缆的前景应启良,北极星输配电网微信公众号,电网头条微信公众号,天风证券研究所 直流对比交流的技术优势:输电容量大、损耗低、长度无交流因电容电流的限制。直流对比交流的技术优势:输电容量大、损耗低、长度无交流因电容电流的限制。 载流量和输电容量载流量和输电容量:在相同的电缆类型、导体截面和敷设安装条件下, 直流电缆比交流电缆具
38、有大得多的载流量和输电容量。 损耗对比损耗对比:直流海底电缆无任何交变电磁场引起导体、金属套和铠装损耗,亦不存在绝缘的介质损耗,运行损耗远低于交流海缆。 长度对比长度对比:交流海底电缆由于电容电流按电缆长度正比增大, 在电缆允许载流量限制下电缆线路长度受限;实际交流海缆系统为提高传输电流和减少线路的无功功率, 抑制线路中间和末端电压过分升高, 在线路末端和中间 (如有可能,如两段海缆的中间岛屿) 需装置并联电抗器补偿。而直流海底电缆没有如交流海缆这样的限制。 柔性直流对比传统直流:柔性直流对比传统直流:柔性直流输电在传统直流输电技术基础上,使用了大功率IGBT替代了晶闸管,其可控性、灵活性远优
39、于传统直流输电技术。近年来IGBT逐步实现国产化,推动了柔性直流输电技术的发展,预计未来在远海风电、大规模可再生能源并网等方面具有非常大的优势。表:表:500kV XLPE直流海缆输电功率与交流海缆输电容量及损耗比较直流海缆输电功率与交流海缆输电容量及损耗比较电力系电力系统统导体截面导体截面/mm2载流量载流量/A直流电缆每极功率直流电缆每极功率/MW交流电缆三相容量交流电缆三相容量/MVA相同系统标称电压情况相同系统标称电压情况实际运行电压情况实际运行电压情况输电损耗输电损耗W/m换算到交流海换算到交流海缆相同电流的缆相同电流的输电损耗输电损耗/(W/m)直流海缆与交流海直流海缆与交流海缆输
40、电损耗比缆输电损耗比/%直流二根电缆直流二根电缆与交流三相电与交流三相电缆输电容量比缆输电容量比直流三根电缆直流三根电缆与交流三相电与交流三相电缆输电容量比缆输电容量比直流二根电缆直流二根电缆与交流三相电与交流三相电缆输电容量比缆输电容量比直流三根电缆直流三根电缆与交流三相电与交流三相电缆输电容量比缆输电容量比直流1.932.891.111.6750.318.1 264332.513.761.452.1756.412.0 214362.944.411.72.5560.59.3 1124交流1000907785-69.9-2000
41、1045904-78.2-30001129977-82.6-相同标称电压,500kV三根直流XLPE电缆的输电容量是交流海缆的2.894.41倍;相同传输电流条件下, 500 kV直流XLPE电缆的输电损耗约为XLPE交流电缆的11%26%。其中,直流三根电缆为两根两极, 一根单极运行.16技术趋势二:中长期远海风电将以柔直并网为主技术趋势二:中长期远海风电将以柔直并网为主数据来源:海上风电场输电方式研究彭穗等,海上风电场输电方式研究郑明等,天风证券研究所 交流海缆达到一定长度存在过电压问题,需要安装高抗,而直流海缆不存在过电压问题,但需要安装换流器。交流海缆达到一定长度存在过电压问题,需要安
42、装高抗,而直流海缆不存在过电压问题,但需要安装换流器。 交流海缆结构投资成本:变电站交流海缆结构投资成本:变电站+ +海缆海缆+ +敷设敷设+ +无功功率补偿。无功功率补偿。海底电缆交流输电中,当海缆线路达到一定长度需装设高抗以抑制过电压。参考一般工程经验,当输电距离达到40 km时需在海缆一端装设高抗,当超过40 km但小于80 km时需在两端装设高抗,如超过80 km需要在海缆中间建设中继站安装高抗。 直流海缆结构投资成本:换流站直流海缆结构投资成本:换流站+ +海缆海缆+ +敷设。敷设。直流输电线路相比于交流线路来说要少用一根导线,使得线路造价较低;输送容量大、使用寿命长, 并且输送距离
43、基本上不受限制并且可以方便地进行分期建设和增容扩建,但需要为其搭建大的直流平台且需海上组装换流器。图:图:高压交流电缆海上风电结构高压交流电缆海上风电结构图:图:柔性直流柔性直流海缆海缆海上风电结构海上风电结构17技术趋势二:中长期远海风电将以柔直并网为主技术趋势二:中长期远海风电将以柔直并网为主数据来源:海上风电场输电方式研究彭穗等,天风证券研究所 经济性方面:远距离柔性直流海缆送出更具优势。经济性方面:远距离柔性直流海缆送出更具优势。 对于容量400MW及以上的海上风电汇集外送,交直流输电方案对应的造价曲线交叉点对应的输送距离为6070km左右。当输电距离在70km以内时,建议采用交流输电
44、方案;当输电距离超过70km,应结合实际情况论证采用柔性直流输电方案。风电场容量风电场容量/ /MWMW输电方式输电方式输送距离输送距离/ /kmkm20406080100400交流1117.724.53238.7400直流17.62226.430.835.2500交流9.514.319.22529.7500直流15.917.919.921.923.9600交流10.115.621.127.733.2600直流18.820.92325.127.2700交流11.117.624.131.938.4700直流21.523.625.727.829.9800交流13.221.429.739.447.6
45、800直流24.526.829.131.433.71000交流16.327.338.351.162.11000直流3236.240.444.648.8表:不同输送容量和输送距离下交直流方案的工程造价(亿元)表:不同输送容量和输送距离下交直流方案的工程造价(亿元)18技术趋势二:中长期远海风电将以柔直并网为主技术趋势二:中长期远海风电将以柔直并网为主数据来源:提高XLPE高压直流海缆经济性的研究展望张洪亮等, 交联聚乙烯绝缘海底电缆在中国海洋风电建设中的典型应用和发展前景张建民等,高压直流海底电缆软接头的研发祁登权等,东方电缆招股说明书,中国新能源网,国际风力电网,中国电力网,天风证券研究所 柔
46、性直流海缆的技术壁垒:绝缘加工及软接头技术。柔性直流海缆的技术壁垒:绝缘加工及软接头技术。 绝缘加工:相比交流海缆绝缘结构要求更高。绝缘加工:相比交流海缆绝缘结构要求更高。 区别于交流海缆,直流海缆在工作过程中出现温升后可能导致绝缘内最大场强由靠近导体直流海缆在工作过程中出现温升后可能导致绝缘内最大场强由靠近导体屏蔽处向靠近绝缘屏蔽处迁移屏蔽处向靠近绝缘屏蔽处迁移,因此对比交流海缆,直流海缆绝缘屏蔽与绝缘界面的完好要求更高,因此,以XLPE为代表的挤包绝缘直流海缆批量制造过程中绝缘结构的三层共三层共挤(导体屏蔽、绝缘、绝缘屏蔽)是最关键的工序挤(导体屏蔽、绝缘、绝缘屏蔽)是最关键的工序。三层共
47、挤是通过3个独立挤出机完成材料熔融塑化后推进至共挤机头,再通过模具系统进行设计尺寸下的连续挤出。导体屏蔽和绝缘屏蔽均为半导电材料,与绝缘共挤后将形成内外两个界面,光滑均一的界面对直流海缆电场分布及长期电气性能稳定性至关重要。 软接头技术:受工人技术水平影响较大。软接头技术:受工人技术水平影响较大。 连续长度是海缆的基本要求之一,如果制造设备有限制,将使得单根海缆长度满足不了工程的需要,而软接头技术可以保证在接头处海缆的各项性能与正常海缆的性能基本一致,可在制造厂内用软接头将电缆连接到所需要的长度;大长度海缆在运输、敷设和运行过程中,发生故障是难免的,因此软接头又是修复海缆故障的重要手段。电缆与
48、软接头匹配安电缆与软接头匹配安装主要靠手工完成,工艺复杂,安装周期长,工人的技术水平对其质量的影响较大。装主要靠手工完成,工艺复杂,安装周期长,工人的技术水平对其质量的影响较大。 直流海缆的技术要求比交流会更高,考虑到远海项目的推广程度,我国“十四五”期间远海项目仍处于示范项目阶段,随着近海资源被逐步开发,我们预计“十五五”期间远海项目将进入规模化阶段,柔性直流海缆或将代替高压交流海缆成为并网的主要海缆类型。图:南澳工程图:南澳工程160 kV直流海底电缆结构示意图直流海底电缆结构示意图图:软接头制作流程图:软接头制作流程三、海缆行业市场空间?三、海缆行业市场空间?海缆市场空间优于其他被大型化
49、摊薄的环节。19请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明20我国阵列海缆市场空间预测:风电场规模化下我国阵列海缆市场空间预测:风电场规模化下21-25年单千瓦价值量稳定年单千瓦价值量稳定数据来源:66kV海上风电交流集电方案技术经济性研究蔡蓉等,上海勘测设计研究院有限公司,中广核官网,中国招标投标公共服务平台,浙江政务服务网,中国三峡官网,天风证券研究所 我们预计我国阵列海缆单位价值量较为稳定,我们预计我国阵列海缆单位价值量较为稳定,2121- -2525年单千瓦价值稳定,年单千瓦价值稳定,CAGRCAGR为为0.1%0.1%,阵列海缆整体市场规模,阵列海缆整体市场规模CAGRCAGR为为25%
50、25%,其中其中66kV66kV阵列海缆占比阵列海缆占比20252025年将达到年将达到30%30%。核心假设如下:。核心假设如下: 假设1:根据上海勘测设计研究院有限公司的研究数据,在其他条件不变的情况下,风场规模每变动1%,阵列海缆单位功率造价同方向变动0.22%,考虑到阵列海缆价格下降趋势,预计阵列海缆单位造价变动百分比是风场规模变动百分比的0.1倍。2021-2025年35kV海缆单千瓦价值同比变动3%/-1%/1%/1%/1%。 假设2:66kV阵列电缆相比35kV长度减少30%40%。以2022年中广核浙江象山涂茨项目66kV海底电缆采购单千米造价与华润电力苍南2#海上风电项目35