固态变压器如何为 AI 用电需求供电

变压器是我们电网中至关重要却几乎看不见的组成部分。这些设备帮助电力高效地远距离传输，但它们结构复杂且供应短缺。而且，鉴于其基本设计在大约一个世纪里几乎没有变化，它们确实需要升级。

随着世界竞相满足电动汽车、数据中心等日益增长的电力需求，研究人员和企业正致力于让变压器现代化。新型固态版本可能有助于缓解部分供应担忧，并确保电网能够承受日益增大的压力。

传统变压器通常依赖大量特种钢合金和数英里长的铜线，来完成在电路之间传输电力的工作。相比之下，固态变压器将磁性元件与大功率半导体相结合，使其更加紧凑，并能对电流进行更多控制。

这些设备仍处于开发阶段，目前还无法取代所有传统变压器，尤其是那些在长距离输电所需的高电压下运行的最大型变压器。但新一代变压器技术可能成为我们未来电网的关键组成部分。

电力在电网中传输并非完全高效：当电流经输电线路时，一部分会以热量形式损失。损失多少各不相同——电压越高，电流越低，损失的电力就越少。因此，电网的一个关键功能就是升压和降压。

以你当地的太阳能电站为例。为了让电力高效地传输到数百英里外的你家，它需要达到比太阳能电站所发电力更高的电压。变压器就此登场。

在从发电厂到你家插座的过程中，电力可能会经过太阳能电站的一台变压器和附近变电站的另一台变压器，两次升压以达到足够高的水平，从而能在高压输电线路上传输。太阳能电池板产生的也是直流（DC）电，在流入变压器之前需要通过逆变器转换为交流（AC）电。在接近目的地时，电压会再次被降低，可能至少两次：一次在另一个变电站，另一次在你社区里一台较小的变压器上。

如果你在美国，太阳能电站的电力可能会由逆变器转换为约480伏的交流电，升压至115,000伏用于输电线路，最后再降压至120伏和240伏供你家中使用。

传统变压器利用本质上相当于线圈绕组的结构来完成这项工作。变压器的铁芯通常由一种称为取向电工钢的特殊钢材制成。铜线线圈位于铁芯的两端。

每个线圈的匝数决定了变压器两端的电压：如果次级线圈的匝数多于初级线圈，电压就升高；如果匝数较少，电压就降低。当输入电流通过变压器上游端的线圈时，会在铁芯中形成磁场。该磁场在设备另一侧的线圈中感应出电压，从而使能量以新的电压继续流动。这一过程称为电磁感应。

北卡罗来纳州立大学电气与计算机工程教授斯尔詹·卢基奇（Srdjan Lukic）表示，变压器构成了电力输配的骨干。除了承担升降压的任务外，变压器通常还提供所谓的电气隔离，即没有直接的电气路径穿过变压器。这有助于限制扰动在电网中传播，从而提高安全性。

卢基奇说，问题在于当今的变压器体积庞大且笨重，而且更换起来既困难又昂贵。

固态变压器本质上是在当今变压器的典型架构上增加了所谓的电力电子器件——即用于转换和控制电力的半导体。

传统变压器以其所连接电网部分的频率运行，而固态变压器实际上控制电流的频率。通常，固态变压器首先将来自电网的输入交流电转换为直流电，然后利用由碳化硅等半导体制成的开关将其转换为更高频率的交流电。

在此基础上，磁性元件改变电压。由于先进半导体使变压器能够对电流的频率和稳定性施加如此大的控制，磁芯可以比传统变压器小得多。卢基奇说，有些产品的体积仅约为传统变压器的十分之一，但容量相同。

最后，额外的电力电子器件将高频交流电转换为所需形式——通常先转换回直流电，最后转换为较低频率的交流电。

如今，升降电压是许多变压器的唯一职责。但固态变压器能做的远不止于此。它们承担了整流器和逆变器（将交流电转换为直流电，反之亦然）等设备的功能，从而缩小电气设备的总体占用空间，并有可能减少系统中损耗的电量。

今年8月，纽约电力局和电力研究院（EPRI）在EPRI的测试场地上，在接近真实公用事业运行的条件下测试了一台1兆瓦的固态变压器。该设备在卢基奇的实验室中制造，他说，这是首次对如此容量的变压器进行此类测试。

该原型的效率约为98%——这意味着它只损失了输入能量的2%。卢基奇说，相比之下，一台同等容量的传统变压器和整流器组合的效率约为96%。2%的差距看似很小，但意义重大，因为这意味着固态变压器可以将传统设备的功率损耗减半，卢基奇说。

卢基奇说，该项目的一个主要目标是帮助公用事业公司对这些新组件建立更多信心。这一点至关重要，因为这些设备未来可能用于电网。短期内，固态变压器可用于数据中心内部，为服务器机架供电。

该原型仍是一个相对低压的系统，运行电压约为15,000伏。大型数据中心等工业设施通常需要更高电压的接入，而输电线路通常运行在数十万伏的电压下。卢基奇说，要让固态变压器适应这些更高电压，还需要进一步的工程开发。但这次测试成功证明，固态变压器能够在真实条件下工作。

卢基奇说，开发固态变压器的公司目前主要聚焦于数据中心。支持开发这项新技术的资金大量涌入，而且其电压要求不像未来用于长距离输电的大型变压器那样高。

今年2月，Heron Power融资1.4亿美元，以将其固态变压器商业化，该公司称之为Heron Link。创始人兼首席执行官德鲁·巴格利诺表示，这项技术可用于数据中心、太阳能阵列和电网电池。巴格利诺说，该公司现在正开始在更大规模上测试其技术。位于加利福尼亚州斯科茨谷的Heron总部内，容量达10兆瓦时的电池将很快用Heron变压器进行测试。巴格利诺说，公司还计划与附近的一个太阳能农场开展试点项目。

固态变压器面临的一个挑战是，其电力电子器件的故障模式比传统变压器更多。在传统设备中，故障通常意味着整个设备将下线，导致供电中断。但巴格利诺说，Heron在设计时就考虑到了这一点：公司采用模块化设计，由许多协同工作的小型设备组成。如果其中一个出现故障，系统其余部分会继续工作，直到受影响的部件可以更换，而无需关闭整个系统。

Heron Power目前正在加利福尼亚州建设一座耗资1亿美元的工厂，用于制造先进变压器。该工厂应于2027年开始生产，并在2029年达到每年40吉瓦变压器产能的满产水平。

伍德麦肯兹的供应链分析师本杰明·布歇表示，近年来，电网设备制造商已向美国用于高压输电的电力变压器供应链投入了17亿美元。他补充说，此外还有13亿美元投资于配电变压器，即帮助为家庭和企业转换电力的较小设备。

但即便是这样的投资，也跟不上电网的快速增长。大型传统变压器——即连接新发电厂、长距离输电以及数据中心等高需求场所所需的那种变压器——的等待时间已延长至五年之久。

“变压器已成为公用事业公司、发电开发商乃至数据中心面临的最大瓶颈之一，”布歇说。最大的挑战在于，启动新的变压器制造十分困难，因为这是一个技术性很强的流程，需要大量专业劳动力。布歇说，因此，即便是多年前宣布的工厂，距离投产也仍需数年时间。

固态变压器可能有助于缓解部分压力。但卢基奇说，发电厂接入和输电线路所需的高压设备才是固态变压器的圣杯。现有的固态技术尚不能用于这些应用，因此行业需要开发新材料和新设计，以在紧凑的设备中支持高电压并安全处理电力。

“我们正面临与电网基础设施相关的巨大风险，”布歇说。“没有变压器，你就没有真正意义上的电网。”

大规模电网级电池发展蓬勃，但较小的住宅系统却滞后了。