这种基本电网技术设备的全球短缺成为能源项目的瓶颈。
对Silicon Ranch太阳能开发公司的首席技术官尼克·德弗里斯（Nick de Vries）来说，变压器就像是州际公路的匝道入口：它能提升太阳能发电厂的电压，匹配电网输电线的电压。“它们就是你的‘车票’。”德弗里斯说，“如果没有高压变压器，你就得不到项目。”
最近，获得这张“车票”变得很困难。根据能源分析公司伍德麦肯兹的报告，由于全球变压器的需求激增，获取新变压器的等待时间已经翻了一番，从2021年的50周到现在的近2年时间，而对于更为专业的、能将电站电压提升到输电线路电压的大型电力变压器，等待时间则长达4年。自2020年以来，成本也上涨了60%至80%。
大约5年前，德弗里斯开始担心变压器短缺会使他的太阳能项目推迟上线，因此早在真正需要变压器之前好几年，他就开始下订单了。总部位于纳什维尔的Silicon Ranch如今拥有了变压器定制渠道，能够确保供应链问题不会拖延其太阳能项目。
陷入困境的并非这一家企业。根据伍德麦肯兹的报告，因为等待变压器接入本地电网，全球1/4的可再生能源项目可能会延迟。在印度，220千伏变压器的等待时间已从8个月跃升至14个月，可能会影响近150千兆瓦的新太阳能开发项目。
而且，受影响的不仅仅是可再生能源项目。变压器短缺问题波及公用事业公司、房屋业主、企业、铁路系统、电动汽车充电站等所有需要电网连接的主体。华盛顿州克拉勒姆县（《暮光之城》系列电影的拍摄地）的官员们从2022年5月开始拒绝新的住房建设申请，因为他们无法获得足够的基座安装式变压器来将电力降低到家用电压。为了解决已经支付新电力服务费用客户的拖延问题，电力公司尽力寻找翻新的变压器，也就是所谓的“牧场变压器”（Ranch Runner），这些变压器能起到一定作用，但可能不会像新变压器那样耐用。
这种短缺带来了一系列连锁反应，影响了公共政策，也影响了公共安全。当变压器因磨损出现故障、被雷暴击中，或者因战争、破坏等而受损时，无法迅速更换变压器会增加停电风险。比利时根特大学的电气工程师和能源系统专家约翰内斯·拉维恩（Joannes Laveyne）表示，《欧洲绿色协议》计划到2030年建设一个大规模的欧洲传输网络，加快电气化发展，但由于变压器的等待时间一再拖延，这一计划面临着风险。
而对于电力工程师来说，这场危机也是一次机遇。他们正在重新设计变压器，使用不那么抢手的材料来提高耐用性，其中包含电力电子器件，以方便交流电（AC）和直流电（DC）之间的转换。与今天的变压器相比，他们将通过设计来提高标准化、减少定制化。他们的创新不仅可以增强这项关键基础设施抵御脆弱供应链的能力，还能更好地适应未来电网。
压器是一种简单但历史悠久的设备，发明于19世纪80年代。变压器通常有一个双面铁芯或钢芯，每一面缠绕着铜线，被称为“绕组”，绕组相互之间并没有直接连接，而是通过铁芯的电磁感应将电流从一个线圈传递到另一个线圈。通过改变铜线在铁芯每一面上的缠绕圈数，工程师可以调整变压器的输出电压，使其高于或低于输入电压。
这种基本设置是各种尺寸的变压器的基础。一台大型电力变压器的质量可与两头蓝鲸相当，把来自化石燃料或核电站的电力（通常在几千伏）提高到与输电线路中的几百千伏相匹配。这些输电线路中的电力到达城市时，会遇到一个变电站，变电站中的变压器可将电压降低到几十千伏，供本地电力分配。更小的配电变压器再进一步降低电压，最终降至可在家庭和企业中安全使用的几百伏。
电气工程师、乔治亚理工学院分布式能源中心主任迪帕克·迪万（Deepak Divan）表示，这种设计的简单性正是其优势所在。变压器是又大又笨重的设备，可使用数十年。它们的高耐用性支撑着电网。
不过，它们有点像自行车的齿轮和链条——擅长完成简单的转换任务，但仅此而已。例如，传统变压器只适用于交流电，没有额外组件，无法转换为直流电。而交流-直流电转换非常重要，因为许多未来参与更清洁能源的技术设备都需要大量的变压器，它们都需要直流电，其中包括制造氢燃料的电解槽、电动汽车充电站和储能设备。固态电力电子设备可以无缝处理交流-直流转换。“如果能有一种电力电子设备替代变压器，那该多好？”迪万说，“你可控制它。而且，如果做得好的话，理论上它可以变得更小。”
态变压器的概念已在学术界和工业界讨论多年。迪万及其团队将他们的版本称为“模块化可控变压器”（MCT）。它使用的是半导体和有源电子元件，不仅可以将电力转换为不同的电压，还可以一步实现直流-交流转换。它还采用了新型绝缘材料和其他措施来保护变压器免受雷击和电涌的影响。2023年，迪万及其团队凭借其中一项设计获得了《IEEE电力电子学汇刊》授予的一个奖项。
迪万的模块化变压器不需要为每种应用进行定制，这有助于突破制造瓶颈。但作为一项新兴技术，它比传统变压器的价格高且更脆弱。例如，目前的半导体元件无法承受超过1.7千伏左右的电负载。而迪万表示，接入电网的设备至少需要承受13千伏的电压，这意味着需要将这些变压器模块堆叠起来，并希望这个整体能够承受现实世界的各种挑战。
“假设将10个转换模块串联堆叠起来承受高电压，如果其中一个出现了故障，会发生什么？如果其中一个模块收到的信号延迟了200纳秒，又会发生什么？整个系统会崩溃吗？这些都是非常值得关注、非常有挑战性的问题。”迪万说。
在美国橡树岭国家实验室的电网研究集成与部署中心（GRID-C），马杜·钦塔瓦里（Madhu Chinthavali）也在评估下一代变压器新技术。加入电力电子器件可以使变压器以不同于传统的方式管理电力输送，这可帮助增加更多的太阳能和风能，还可以帮助变压器将信息转化为行动，例如即时响应电网停电或故障。这种先进变压器并不适用于所有地方，但在关键之处使用它们有助于增加电网负载。电网研究集成与部署中心的负责人钦塔瓦里表示，变压器配备可传输数据的智能设备，可以更好地为电网运营商提供实时信息，增强电网的整体韧性和耐用性。
Silicon Ranch的德弗里斯说，新型电力电子变压器如果能够既经济又可靠，将成为太阳能领域的一大突破。它们将简化太阳能电厂到输电线路之间的电压调节这一复杂工作。目前，由于太阳的能量自然可变，操作员必须不断进行电压调节，同时这也加快了逆变器、电容器和其他组件的磨损。
压器短缺是由市场力量造成的，主要来自电力需求和材料供应链。例如，几乎所有变压器的铁芯都由晶粒取向电工钢（GOES）制成，这种材料也用于制造电动机和电动汽车充电器。这些邻近产业的扩张加剧了对晶粒取向电工钢的需求，分流了大量材料供应。
除此之外，在20年前经历了一段繁荣期后，变压器制造业整体放缓。日立能源、西门子能源和弗吉尼亚变压器等公司已宣布计划在澳大利亚、中国、哥伦比亚、芬兰、德国、墨西哥、美国和越南建设新厂，扩大生产。但这些努力无法在短期内缓解供应紧张的问题。
与此同时，变压器需求在过去两年里飙升，对于一些美国制造商来说，需求增长甚至高达70%。根据德国电气设备制造商莱茵豪森机械制造厂（Maschinenfabrik Reinhausen，位于雷根斯堡）董事总经理维尔弗里德·布罗伊尔（Wilfried Breuer）的研究，自2020年以来，全球对100千伏以上大型电力变压器的需求增长超过47%，预计到2030年还将增加30%。电网基础设施的老化、新型可再生能源发电、电气化的扩大、电动汽车充电站的增加，以及新数据中心的建设都增加了对这些设备的需求。
更糟糕的是，典型的大型电力变压器并非简单地来自生产线。美国爱达荷国家实验室的电力系统研究员比约恩·瓦根史密斯（Bjorn Vaagensmith）说，每台变压器都是定制生产的。在这个低产量行业中，“一个工厂一年可能只生产50台这样的变压器。”他说。
大型电力变压器的设计取决于其服务的变电站或发电厂的布局、电压需求，以及进出电力线路的方向。例如，衬套（连接电力线与变压器的向上延伸臂）必须建在特定的位置，以便与电力线连接。
这种定制化使制造速度缓慢，且增加了更换故障变压器的难度。根特大学的拉维恩表示，这也是许多能源公司不能提前订购大型电力变压器的原因。“想象一下，你收到了变压器，但审批流程最终停滞或延迟，甚至（项目）都可能被取消了。那时，你就只能守着一个根本无法使用的变压器。”
减少定制、使用更加通用的变压器可以缓解供应链问题，并减少电力中断。为此，通用电气Vernova高级研究公司（GEVAR）的团队帮助开发了一款“柔性大型电力变压器”。2021年，该团队开始在密西西比州Cooperative Energy运营的一个变电站进行165千伏版本的实地测试，目前该设备仍在使用中。
GEVAR的高级总工程师、该项目的负责人易卜拉希马·恩迪亚耶（Ibrahima Ndiaye）表示，突破点在于如何在不改变变压器任何特性（包括其电压比）的情况下，使传统变压器具备改变其阻抗（即对电流的阻力）的能力。
阻抗和电压比是变压器的两个关键特性，通常需要针对每种使用情况进行定制。如果可以独立调节这两个因素，就可以针对不同的用途修改变压器。然而，恩迪亚耶表示，最初看起来，在不改变变压器电压比的情况下调整阻抗是不可能的。
而解决方案则出乎意料地简单。工程师在变压器铁芯的两面添加了相同数量的绕组，但方向相反，从而抵消了电压增加，允许调节一个参数而不自动改变另一个参数。恩迪亚耶说：“目前世界上没有（其他）变压器具有这种能力。”
恩迪亚耶表示，这种柔性大型电力变压器可以作为通用备件替代发生故障的大型电力变压器，不需要为每台变压器都定制一个备件。相应地，这可以减少对这类变压器和关键材料（如晶粒取向电工钢）的需求。有了灵活的大型电力变压器，即使要应对的是可变的可再生能源或大规模可变负载（如一大排的电动车充电站），电网仍能可靠地运行。
西门子能源公司同样在开发所谓的“快速响应变压器”，这是一种即插即用的备用设备，能够在几周时间内替换发生故障的变压器。可再生能源公司Avangrid今年推出了一款移动变压器，该变压器可以在几个月内用卡车送往太阳能或风能项目现场。
国斯图加特大学的能源研究员斯蒂芬·腾博伦（Stefan Tenbohlen）表示，传统变压器的设计已有百年历史，它还存在改进空间，不必被替换。他与人联合创办了“大学变压器研究联盟”，正在尝试联系改进传统设计的国际研究人员。该公司的主要目标是确保新型变压器的使用寿命更长。
其中一种方法是尝试不同的绝缘技术。一般使用纸和矿物油对铜绕组进行绝缘，防止过热。新的方法则用天然酯代替矿物油，从而使变压器内部可安全达到更高温度，并在此过程中延长设备的使用寿命。爱达荷国家实验室的瓦根史密斯曾试验过用陶瓷纸（一种由硅酸铝纤维制成的轻薄且耐超高温的材料）作为绝缘材料。“我们把它加热到1000℃，这对变压器来说是高到难以想象的温度了，但它依旧没问题。”他说。
改变大型电力变压器使用的其他材料也会有帮助。例如，空心芯变压器使用的钢材要少得多。田纳西州橡树岭实验室的科学家们一直在测试3D打印电工钢空心芯。改用空心芯和3D打印技术将缓解美国对晶粒取向电工钢钢材的需求。根据2022年美国能源部的一份报告，当前美国只有一家公司生产的变压器采用了晶粒取向电工钢。
压器制造曾经是一个周期性行业，需求时高时低，这种长期存在的模式形成了一种根深蒂固的思维方式。因此，美国公共电力协会（位于弗吉尼亚州阿林顿）的电网安全、技术和运营服务高级副总裁艾德丽安·洛托（Adrienne Lotto）说，虽然有明显的迹象表明电力基础设施将迎来持续增长，过去的日子也一去不复返，但许多变压器制造商仍然对扩大产能持谨慎态度。她这样总结了他们的态度：“如果需求会再次减少，为什么要投资数百万美元去扩建生产设施呢？”
然而，更大的电力需求即将到来。乔治亚理工学院的迪万在近期与他人合著的《能源2040：调整创新、经济与脱碳》（Energy 2040: Aligning Innovation, Economics and Decarbonization，施普林格出版社）一书中列出了一些惊人的数字。所有等待接入美国电网的能源项目的总容量为2600千兆瓦，是美国当前总发电容量的2倍多。根据对美国电动汽车普及情况的平均估计，到2040年，美国将拥有1.25亿辆电动汽车。由于人工智能的繁荣发展，到这个十年末，美国数据中心的电力需求可能翻一番。美国国家可再生能源实验室发现，为了应对所有的增加负荷，到2050年，美国的变压器容量需要增加多达260%。
根据国际能源署的数据，2023年的全球电力供应约占全球终端能源消费总量的20%左右，随着各个国家和地区为实现脱碳而转向电气化，到2030年，这一比例可能会达到30%。在这段时间里，预计印度和中国将是需求增长最快的两个国家。在2024年第一季度，印度安装的太阳能容量超过了以往任何一个季度，然而，如前所述，由于变压器短缺，这些太阳能项目的启动时间还在推迟。
迪万表示，全球电力系统尚未习惯这种剧变。由于变压器这类长期存在的技术变化非常缓慢，公用事业公司在研发上的投入极少，可能只有预算的0.1%。但迪万说，他们必须为即将到来的变化作好准备。“公用事业公司无法阻止这场即将到来的海啸。压力已经迫在眉睫。”
文章来源于 悦智网 ，作者 Andrew Moseman
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