這種基本電網(wǎng)技術(shù)設(shè)備的全球短缺成為能源項(xiàng)目的瓶頸。

對(duì)Silicon Ranch太陽能開發(fā)公司的首席技術(shù)官尼克·德弗里斯（Nick de Vries）來說，變壓器就像是州際公路的匝道入口：它能提升太陽能發(fā)電廠的電壓，匹配電網(wǎng)輸電線的電壓。“它們就是你的‘車票’?！钡赂ダ锼拐f，“如果沒有高壓變壓器，你就得不到項(xiàng)目?！?/p>

最近，獲得這張“車票”變得很困難。根據(jù)能源分析公司伍德麥肯茲的報(bào)告，由于全球變壓器的需求激增，獲取新變壓器的等待時(shí)間已經(jīng)翻了一番，從2021年的50周到現(xiàn)在的近2年時(shí)間，而對(duì)于更為專業(yè)的、能將電站電壓提升到輸電線路電壓的大型電力變壓器，等待時(shí)間則長達(dá)4年。自2020年以來，成本也上漲了60%至80%。

大約5年前，德弗里斯開始擔(dān)心變壓器短缺會(huì)使他的太陽能項(xiàng)目推遲上線，因此早在真正需要變壓器之前好幾年，他就開始下訂單了?？偛课挥诩{什維爾的Silicon Ranch如今擁有了變壓器定制渠道，能夠確保供應(yīng)鏈問題不會(huì)拖延其太陽能項(xiàng)目。

陷入困境的并非這一家企業(yè)。根據(jù)伍德麥肯茲的報(bào)告，因?yàn)榈却儔浩鹘尤氡镜仉娋W(wǎng)，全球1/4的可再生能源項(xiàng)目可能會(huì)延遲。在印度，220千伏變壓器的等待時(shí)間已從8個(gè)月躍升至14個(gè)月，可能會(huì)影響近150千兆瓦的新太陽能開發(fā)項(xiàng)目。

而且，受影響的不僅僅是可再生能源項(xiàng)目。變壓器短缺問題波及公用事業(yè)公司、房屋業(yè)主、企業(yè)、鐵路系統(tǒng)、電動(dòng)汽車充電站等所有需要電網(wǎng)連接的主體。華盛頓州克拉勒姆縣（《暮光之城》系列電影的拍攝地）的官員們從2022年5月開始拒絕新的住房建設(shè)申請(qǐng)，因?yàn)樗麄儫o法獲得足夠的基座安裝式變壓器來將電力降低到家用電壓。為了解決已經(jīng)支付新電力服務(wù)費(fèi)用客戶的拖延問題，電力公司盡力尋找翻新的變壓器，也就是所謂的“牧場(chǎng)變壓器”（Ranch Runner），這些變壓器能起到一定作用，但可能不會(huì)像新變壓器那樣耐用。

這種短缺帶來了一系列連鎖反應(yīng)，影響了公共政策，也影響了公共安全。當(dāng)變壓器因磨損出現(xiàn)故障、被雷暴擊中，或者因戰(zhàn)爭(zhēng)、破壞等而受損時(shí)，無法迅速更換變壓器會(huì)增加停電風(fēng)險(xiǎn)。比利時(shí)根特大學(xué)的電氣工程師和能源系統(tǒng)專家約翰內(nèi)斯·拉維恩（Joannes Laveyne）表示，《歐洲綠色協(xié)議》計(jì)劃到2030年建設(shè)一個(gè)大規(guī)模的歐洲傳輸網(wǎng)絡(luò)，加快電氣化發(fā)展，但由于變壓器的等待時(shí)間一再拖延，這一計(jì)劃面臨著風(fēng)險(xiǎn)。

而對(duì)于電力工程師來說，這場(chǎng)危機(jī)也是一次機(jī)遇。他們正在重新設(shè)計(jì)變壓器，使用不那么搶手的材料來提高耐用性，其中包含電力電子器件，以方便交流電（AC）和直流電（DC）之間的轉(zhuǎn)換。與今天的變壓器相比，他們將通過設(shè)計(jì)來提高標(biāo)準(zhǔn)化、減少定制化。他們的創(chuàng)新不僅可以增強(qiáng)這項(xiàng)關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施抵御脆弱供應(yīng)鏈的能力，還能更好地適應(yīng)未來電網(wǎng)。

壓器是一種簡單但歷史悠久的設(shè)備，發(fā)明于19世紀(jì)80年代。變壓器通常有一個(gè)雙面鐵芯或鋼芯，每一面纏繞著銅線，被稱為“繞組”，繞組相互之間并沒有直接連接，而是通過鐵芯的電磁感應(yīng)將電流從一個(gè)線圈傳遞到另一個(gè)線圈。通過改變銅線在鐵芯每一面上的纏繞圈數(shù)，工程師可以調(diào)整變壓器的輸出電壓，使其高于或低于輸入電壓。

這種基本設(shè)置是各種尺寸的變壓器的基礎(chǔ)。一臺(tái)大型電力變壓器的質(zhì)量可與兩頭藍(lán)鯨相當(dāng)，把來自化石燃料或核電站的電力（通常在幾千伏）提高到與輸電線路中的幾百千伏相匹配。這些輸電線路中的電力到達(dá)城市時(shí)，會(huì)遇到一個(gè)變電站，變電站中的變壓器可將電壓降低到幾十千伏，供本地電力分配。更小的配電變壓器再進(jìn)一步降低電壓，最終降至可在家庭和企業(yè)中安全使用的幾百伏。

電氣工程師、喬治亞理工學(xué)院分布式能源中心主任迪帕克·迪萬（Deepak Divan）表示，這種設(shè)計(jì)的簡單性正是其優(yōu)勢(shì)所在。變壓器是又大又笨重的設(shè)備，可使用數(shù)十年。它們的高耐用性支撐著電網(wǎng)。

不過，它們有點(diǎn)像自行車的齒輪和鏈條——擅長完成簡單的轉(zhuǎn)換任務(wù)，但僅此而已。例如，傳統(tǒng)變壓器只適用于交流電，沒有額外組件，無法轉(zhuǎn)換為直流電。而交流-直流電轉(zhuǎn)換非常重要，因?yàn)樵S多未來參與更清潔能源的技術(shù)設(shè)備都需要大量的變壓器，它們都需要直流電，其中包括制造氫燃料的電解槽、電動(dòng)汽車充電站和儲(chǔ)能設(shè)備。固態(tài)電力電子設(shè)備可以無縫處理交流-直流轉(zhuǎn)換?！叭绻苡幸环N電力電子設(shè)備替代變壓器，那該多好？”迪萬說，“你可控制它。而且，如果做得好的話，理論上它可以變得更小?！?/p>

態(tài)變壓器的概念已在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界討論多年。迪萬及其團(tuán)隊(duì)將他們的版本稱為“模塊化可控變壓器”（MCT）。它使用的是半導(dǎo)體和有源電子元件，不僅可以將電力轉(zhuǎn)換為不同的電壓，還可以一步實(shí)現(xiàn)直流-交流轉(zhuǎn)換。它還采用了新型絕緣材料和其他措施來保護(hù)變壓器免受雷擊和電涌的影響。2023年，迪萬及其團(tuán)隊(duì)?wèi){借其中一項(xiàng)設(shè)計(jì)獲得了《IEEE電力電子學(xué)匯刊》授予的一個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)。

迪萬的模塊化變壓器不需要為每種應(yīng)用進(jìn)行定制，這有助于突破制造瓶頸。但作為一項(xiàng)新興技術(shù)，它比傳統(tǒng)變壓器的價(jià)格高且更脆弱。例如，目前的半導(dǎo)體元件無法承受超過1.7千伏左右的電負(fù)載。而迪萬表示，接入電網(wǎng)的設(shè)備至少需要承受13千伏的電壓，這意味著需要將這些變壓器模塊堆疊起來，并希望這個(gè)整體能夠承受現(xiàn)實(shí)世界的各種挑戰(zhàn)。

“假設(shè)將10個(gè)轉(zhuǎn)換模塊串聯(lián)堆疊起來承受高電壓，如果其中一個(gè)出現(xiàn)了故障，會(huì)發(fā)生什么？如果其中一個(gè)模塊收到的信號(hào)延遲了200納秒，又會(huì)發(fā)生什么？整個(gè)系統(tǒng)會(huì)崩潰嗎？這些都是非常值得關(guān)注、非常有挑戰(zhàn)性的問題。”迪萬說。

在美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室的電網(wǎng)研究集成與部署中心（GRID-C），馬杜·欽塔瓦里（Madhu Chinthavali）也在評(píng)估下一代變壓器新技術(shù)。加入電力電子器件可以使變壓器以不同于傳統(tǒng)的方式管理電力輸送，這可幫助增加更多的太陽能和風(fēng)能，還可以幫助變壓器將信息轉(zhuǎn)化為行動(dòng)，例如即時(shí)響應(yīng)電網(wǎng)停電或故障。這種先進(jìn)變壓器并不適用于所有地方，但在關(guān)鍵之處使用它們有助于增加電網(wǎng)負(fù)載。電網(wǎng)研究集成與部署中心的負(fù)責(zé)人欽塔瓦里表示，變壓器配備可傳輸數(shù)據(jù)的智能設(shè)備，可以更好地為電網(wǎng)運(yùn)營商提供實(shí)時(shí)信息，增強(qiáng)電網(wǎng)的整體韌性和耐用性。

Silicon Ranch的德弗里斯說，新型電力電子變壓器如果能夠既經(jīng)濟(jì)又可靠，將成為太陽能領(lǐng)域的一大突破。它們將簡化太陽能電廠到輸電線路之間的電壓調(diào)節(jié)這一復(fù)雜工作。目前，由于太陽的能量自然可變，操作員必須不斷進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)，同時(shí)這也加快了逆變器、電容器和其他組件的磨損。

壓器短缺是由市場(chǎng)力量造成的，主要來自電力需求和材料供應(yīng)鏈。例如，幾乎所有變壓器的鐵芯都由晶粒取向電工鋼（GOES）制成，這種材料也用于制造電動(dòng)機(jī)和電動(dòng)汽車充電器。這些鄰近產(chǎn)業(yè)的擴(kuò)張加劇了對(duì)晶粒取向電工鋼的需求，分流了大量材料供應(yīng)。

除此之外，在20年前經(jīng)歷了一段繁榮期后，變壓器制造業(yè)整體放緩。日立能源、西門子能源和弗吉尼亞變壓器等公司已宣布計(jì)劃在澳大利亞、中國、哥倫比亞、芬蘭、德國、墨西哥、美國和越南建設(shè)新廠，擴(kuò)大生產(chǎn)。但這些努力無法在短期內(nèi)緩解供應(yīng)緊張的問題。

與此同時(shí)，變壓器需求在過去兩年里飆升，對(duì)于一些美國制造商來說，需求增長甚至高達(dá)70%。根據(jù)德國電氣設(shè)備制造商萊茵豪森機(jī)械制造廠（Maschinenfabrik Reinhausen，位于雷根斯堡）董事總經(jīng)理維爾弗里德·布羅伊爾（Wilfried Breuer）的研究，自2020年以來，全球?qū)?00千伏以上大型電力變壓器的需求增長超過47%，預(yù)計(jì)到2030年還將增加30%。電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的老化、新型可再生能源發(fā)電、電氣化的擴(kuò)大、電動(dòng)汽車充電站的增加，以及新數(shù)據(jù)中心的建設(shè)都增加了對(duì)這些設(shè)備的需求。

更糟糕的是，典型的大型電力變壓器并非簡單地來自生產(chǎn)線。美國愛達(dá)荷國家實(shí)驗(yàn)室的電力系統(tǒng)研究員比約恩·瓦根史密斯（Bjorn Vaagensmith）說，每臺(tái)變壓器都是定制生產(chǎn)的。在這個(gè)低產(chǎn)量行業(yè)中，“一個(gè)工廠一年可能只生產(chǎn)50臺(tái)這樣的變壓器?！彼f。

大型電力變壓器的設(shè)計(jì)取決于其服務(wù)的變電站或發(fā)電廠的布局、電壓需求，以及進(jìn)出電力線路的方向。例如，襯套（連接電力線與變壓器的向上延伸臂）必須建在特定的位置，以便與電力線連接。

這種定制化使制造速度緩慢，且增加了更換故障變壓器的難度。根特大學(xué)的拉維恩表示，這也是許多能源公司不能提前訂購大型電力變壓器的原因?！跋胂笠幌?，你收到了變壓器，但審批流程最終停滯或延遲，甚至（項(xiàng)目）都可能被取消了。那時(shí)，你就只能守著一個(gè)根本無法使用的變壓器?！?/p>

減少定制、使用更加通用的變壓器可以緩解供應(yīng)鏈問題，并減少電力中斷。為此，通用電氣Vernova高級(jí)研究公司（GEVAR）的團(tuán)隊(duì)幫助開發(fā)了一款“柔性大型電力變壓器”。2021年，該團(tuán)隊(duì)開始在密西西比州Cooperative Energy運(yùn)營的一個(gè)變電站進(jìn)行165千伏版本的實(shí)地測(cè)試，目前該設(shè)備仍在使用中。

GEVAR的高級(jí)總工程師、該項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人易卜拉希馬·恩迪亞耶（Ibrahima Ndiaye）表示，突破點(diǎn)在于如何在不改變變壓器任何特性（包括其電壓比）的情況下，使傳統(tǒng)變壓器具備改變其阻抗（即對(duì)電流的阻力）的能力。

阻抗和電壓比是變壓器的兩個(gè)關(guān)鍵特性，通常需要針對(duì)每種使用情況進(jìn)行定制。如果可以獨(dú)立調(diào)節(jié)這兩個(gè)因素，就可以針對(duì)不同的用途修改變壓器。然而，恩迪亞耶表示，最初看起來，在不改變變壓器電壓比的情況下調(diào)整阻抗是不可能的。

而解決方案則出乎意料地簡單。工程師在變壓器鐵芯的兩面添加了相同數(shù)量的繞組，但方向相反，從而抵消了電壓增加，允許調(diào)節(jié)一個(gè)參數(shù)而不自動(dòng)改變另一個(gè)參數(shù)。恩迪亞耶說：“目前世界上沒有（其他）變壓器具有這種能力?！?/p>

恩迪亞耶表示，這種柔性大型電力變壓器可以作為通用備件替代發(fā)生故障的大型電力變壓器，不需要為每臺(tái)變壓器都定制一個(gè)備件。相應(yīng)地，這可以減少對(duì)這類變壓器和關(guān)鍵材料（如晶粒取向電工鋼）的需求。有了靈活的大型電力變壓器，即使要應(yīng)對(duì)的是可變的可再生能源或大規(guī)?？勺冐?fù)載（如一大排的電動(dòng)車充電站），電網(wǎng)仍能可靠地運(yùn)行。

西門子能源公司同樣在開發(fā)所謂的“快速響應(yīng)變壓器”，這是一種即插即用的備用設(shè)備，能夠在幾周時(shí)間內(nèi)替換發(fā)生故障的變壓器?？稍偕茉垂続vangrid今年推出了一款移動(dòng)變壓器，該變壓器可以在幾個(gè)月內(nèi)用卡車送往太陽能或風(fēng)能項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)。

國斯圖加特大學(xué)的能源研究員斯蒂芬·騰博倫（Stefan Tenbohlen）表示，傳統(tǒng)變壓器的設(shè)計(jì)已有百年歷史，它還存在改進(jìn)空間，不必被替換。他與人聯(lián)合創(chuàng)辦了“大學(xué)變壓器研究聯(lián)盟”，正在嘗試聯(lián)系改進(jìn)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的國際研究人員。該公司的主要目標(biāo)是確保新型變壓器的使用壽命更長。

其中一種方法是嘗試不同的絕緣技術(shù)。一般使用紙和礦物油對(duì)銅繞組進(jìn)行絕緣，防止過熱。新的方法則用天然酯代替礦物油，從而使變壓器內(nèi)部可安全達(dá)到更高溫度，并在此過程中延長設(shè)備的使用壽命。愛達(dá)荷國家實(shí)驗(yàn)室的瓦根史密斯曾試驗(yàn)過用陶瓷紙（一種由硅酸鋁纖維制成的輕薄且耐超高溫的材料）作為絕緣材料?！拔覀儼阉訜岬?000℃，這對(duì)變壓器來說是高到難以想象的溫度了，但它依舊沒問題?！彼f。

改變大型電力變壓器使用的其他材料也會(huì)有幫助。例如，空心芯變壓器使用的鋼材要少得多。田納西州橡樹嶺實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們一直在測(cè)試3D打印電工鋼空心芯。改用空心芯和3D打印技術(shù)將緩解美國對(duì)晶粒取向電工鋼鋼材的需求。根據(jù)2022年美國能源部的一份報(bào)告，當(dāng)前美國只有一家公司生產(chǎn)的變壓器采用了晶粒取向電工鋼。

壓器制造曾經(jīng)是一個(gè)周期性行業(yè)，需求時(shí)高時(shí)低，這種長期存在的模式形成了一種根深蒂固的思維方式。因此，美國公共電力協(xié)會(huì)（位于弗吉尼亞州阿林頓）的電網(wǎng)安全、技術(shù)和運(yùn)營服務(wù)高級(jí)副總裁艾德麗安·洛托（Adrienne Lotto）說，雖然有明顯的跡象表明電力基礎(chǔ)設(shè)施將迎來持續(xù)增長，過去的日子也一去不復(fù)返，但許多變壓器制造商仍然對(duì)擴(kuò)大產(chǎn)能持謹(jǐn)慎態(tài)度。她這樣總結(jié)了他們的態(tài)度：“如果需求會(huì)再次減少，為什么要投資數(shù)百萬美元去擴(kuò)建生產(chǎn)設(shè)施呢？”

然而，更大的電力需求即將到來。喬治亞理工學(xué)院的迪萬在近期與他人合著的《能源2040：調(diào)整創(chuàng)新、經(jīng)濟(jì)與脫碳》（Energy 2040: Aligning Innovation, Economics and Decarbonization，施普林格出版社）一書中列出了一些驚人的數(shù)字。所有等待接入美國電網(wǎng)的能源項(xiàng)目的總?cè)萘繛?600千兆瓦，是美國當(dāng)前總發(fā)電容量的2倍多。根據(jù)對(duì)美國電動(dòng)汽車普及情況的平均估計(jì)，到2040年，美國將擁有1.25億輛電動(dòng)汽車。由于人工智能的繁榮發(fā)展，到這個(gè)十年末，美國數(shù)據(jù)中心的電力需求可能翻一番。美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)，為了應(yīng)對(duì)所有的增加負(fù)荷，到2050年，美國的變壓器容量需要增加多達(dá)260%。

根據(jù)國際能源署的數(shù)據(jù)，2023年的全球電力供應(yīng)約占全球終端能源消費(fèi)總量的20%左右?，隨著各個(gè)國家和地區(qū)為實(shí)現(xiàn)脫碳而轉(zhuǎn)向電氣化，到2030年，這一比例可能會(huì)達(dá)到30%。在這段時(shí)間里，預(yù)計(jì)印度和中國將是需求增長最快的兩個(gè)國家。在2024年第一季度，印度安裝的太陽能容量超過了以往任何一個(gè)季度，然而，如前所述，由于變壓器短缺，這些太陽能項(xiàng)目的啟動(dòng)時(shí)間還在推遲。

迪萬表示，全球電力系統(tǒng)尚未習(xí)慣這種劇變。由于變壓器這類長期存在的技術(shù)變化非常緩慢，公用事業(yè)公司在研發(fā)上的投入極少，可能只有預(yù)算的0.1%。但迪萬說，他們必須為即將到來的變化作好準(zhǔn)備?！肮檬聵I(yè)公司無法阻止這場(chǎng)即將到來的海嘯。壓力已經(jīng)迫在眉睫?！?/p>

文章來源于 悅智網(wǎng) ，作者 Andrew Moseman

邀約｜AMD 技術(shù)日 ：Physical AI - 機(jī)器人前沿（4.2,北京）