工程師改造變壓器，拯救電網(wǎng)

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

對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?！八鼈兙褪悄愕摹嚻薄?。”德弗里斯說，“如果沒有高壓變壓器，你就得不到項目。”

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告，由于全球變壓器的需求激增，獲取新變壓器的等待時間已經(jīng)翻了一番，從2021年的50周到現(xiàn)在的近2年時間，而對于更為專業(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，等待時間則長達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)心變壓器短缺會使他的太陽能項目推遲上線，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)鏈問題不會拖延其太陽能項目。

陷入困境的并非這一家企業(yè)。根據(jù)伍德麥肯茲的報告，因為等待變壓器接入本地電網(wǎng)，全球1/4的可再生能源項目可能會延遲。在印度，220千伏變壓器的等待時間已從8個月躍升至14個月，可能會影響近150千兆瓦的新太陽能開發(fā)項目。

而且，受影響的不僅僅是可再生能源項目。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，因為他們無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“牧場變壓器”（Ranch Runner），這些變壓器能起到一定作用，但可能不會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、破壞等而受損時，無法迅速更換變壓器會增加停電風(fēng)險。比利時根特大學(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》計劃到2030年建設(shè)一個大規(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間一再拖延，這一計劃面臨著風(fēng)險。

而對于電力工程師來說，這場危機也是一次機遇。他們正在重新設(shè)計變壓器，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)新不僅可以增強這項關(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)將電流從一個線圈傳遞到另一個線圈。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)。一臺大型電力變壓器的質(zhì)量可與兩頭藍鯨相當(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城市時，會遇到一個變電站，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)計的簡單性正是其優(yōu)勢所在。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，因為許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、電動汽車充電站和儲能設(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。”

態(tài)變壓器的概念已在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界討論多年。迪萬及其團隊將他們的版本稱為“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變壓器免受雷擊和電涌的影響。2023年，迪萬及其團隊?wèi){借其中一項設(shè)計獲得了《IEEE電力電子學(xué)匯刊》授予的一個獎項。

迪萬的模塊化變壓器不需要為每種應(yīng)用進行定制，這有助于突破制造瓶頸。但作為一項新興技術(shù)，它比傳統(tǒng)變壓器的價格高且更脆弱。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，并希望這個整體能夠承受現(xiàn)實世界的各種挑戰(zhàn)。

“假設(shè)將10個轉(zhuǎn)換模塊串聯(lián)堆疊起來承受高電壓，如果其中一個出現(xiàn)了故障，會發(fā)生什么？如果其中一個模塊收到的信號延遲了200納秒，又會發(fā)生什么？整個系統(tǒng)會崩潰嗎？這些都是非常值得關(guān)注、非常有挑戰(zhàn)性的問題?！钡先f說。

在美國橡樹嶺國家實驗室的電網(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，例如即時響應(yīng)電網(wǎng)停電或故障。這種先進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)負載。電網(wǎng)研究集成與部署中心的負責(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)運營商提供實時信息，增強電網(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，操作員必須不斷進行電壓調(diào)節(jié)，同時這也加快了逆變器、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機和電動汽車充電器。這些鄰近產(chǎn)業(yè)的擴張加劇了對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，變壓器需求在過去兩年里飆升，對于一些美國制造商來說，需求增長甚至高達70%。根據(jù)德國電氣設(shè)備制造商萊茵豪森機械制造廠（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、電氣化的擴大、電動汽車充電站的增加，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。美國愛達荷國家實驗室的電力系統(tǒng)研究員比約恩·瓦根史密斯（Bjorn Vaagensmith）說，每臺變壓器都是定制生產(chǎn)的。在這個低產(chǎn)量行業(yè)中，“一個工廠一年可能只生產(chǎn)50臺這樣的變壓器。”他說。

大型電力變壓器的設(shè)計取決于其服務(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?！跋胂笠幌拢闶盏搅俗儔浩?，但審批流程最終停滯或延遲，甚至（項目）都可能被取消了。那時，你就只能守著一個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高級研究公司（GEVAR）的團隊幫助開發(fā)了一款“柔性大型電力變壓器”。2021年，該團隊開始在密西西比州Cooperative Energy運營的一個變電站進行165千伏版本的實地測試，目前該設(shè)備仍在使用中。

GEVAR的高級總工程師、該項目的負責(zé)人易卜拉希馬·恩迪亞耶（Ibrahima Ndiaye）表示，突破點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（即對電流的阻力）的能力。

阻抗和電壓比是變壓器的兩個關(guān)鍵特性，通常需要針對每種使用情況進行定制。如果可以獨立調(diào)節(jié)這兩個因素，就可以針對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)一個參數(shù)而不自動改變另一個參數(shù)。恩迪亞耶說：“目前世界上沒有（其他）變壓器具有這種能力。”

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，不需要為每臺變壓器都定制一個備件。相應(yīng)地，這可以減少對這類變壓器和關(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)對的是可變的可再生能源或大規(guī)?？勺冐撦d（如一大排的電動車充電站），電網(wǎng)仍能可靠地運行。

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變壓器，該變壓器可以在幾個月內(nèi)用卡車送往太陽能或風(fēng)能項目現(xiàn)場。

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)計已有百年歷史，它還存在改進空間，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)系改進傳統(tǒng)設(shè)計的國際研究人員。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銅繞組進行絕緣，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)部可安全達到更高溫度，并在此過程中延長設(shè)備的使用壽命。愛達荷國家實驗室的瓦根史密斯曾試驗過用陶瓷紙（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℃，這對變壓器來說是高到難以想象的溫度了，但它依舊沒問題。”他說。

改變大型電力變壓器使用的其他材料也會有幫助。例如，空心芯變壓器使用的鋼材要少得多。田納西州橡樹嶺實驗室的科學(xué)家們一直在測試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)是一個周期性行業(yè)，需求時高時低，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（位于弗吉尼亞州阿林頓）的電網(wǎng)安全、技術(shù)和運營服務(wù)高級副總裁艾德麗安·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擴大產(chǎn)能持謹慎態(tài)度。她這樣總結(jié)了他們的態(tài)度：“如果需求會再次減少，為什么要投資數(shù)百萬美元去擴建生產(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)對美國電動汽車普及情況的平均估計，到2040年，美國將擁有1.25億輛電動汽車。由于人工智能的繁榮發(fā)展，到這個十年末，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驗室發(fā)現(xiàn)，為了應(yīng)對所有的增加負荷，到2050年，美國的變壓器容量需要增加多達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總量的20%左右?，隨著各個國家和地區(qū)為實現(xiàn)脫碳而轉(zhuǎn)向電氣化，到2030年，這一比例可能會達到30%。在這段時間里，預(yù)計印度和中國將是需求增長最快的兩個國家。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季度，然而，如前所述，由于變壓器短缺，這些太陽能項目的啟動時間還在推遲。

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 - 機器人前沿（4.2,北京）