固态变压器如何助力人工智能热潮

<div data-chronoton-summary="&lt;ul&gt;&lt;br&gt;&lt;li&gt;&lt;strong&gt;固态变压器以更小体积实现更多功能：&lt;/strong&gt; 用先进半导体替代笨重的钢芯后，固态变压器的体积可缩小至传统变压器的十分之一，同时承担多种设备的功能，并将过程中的能量损耗减半。&lt;/li&gt;&lt;br&gt;&lt;li&gt;&lt;strong&gt;数据中心成为试验场：&lt;/strong&gt; Heron Power 等公司正率先瞄准数据中心，因为这里的电压要求较低，资金也在不断涌入。该公司今年早些时候筹集了1.4亿美元，其位于加利福尼亚州的工厂计划于2029年全面投产。&lt;/li&gt;&lt;br&gt;&lt;li&gt;&lt;strong&gt;高压输电仍是难点：&lt;/strong&gt; 固态变压器目前仍无法承受远距离输电线路所需的数十万伏电压，这意味着该技术最大的考验，也是最大的机遇，仍在前方。&lt;/li&gt;&lt;/ul&gt;" data-chronoton-post-id="1147684" data-chronoton-expand-collapse="1" data-chronoton-analytics-enabled="1"></div> <p class="wp-block-paragraph">变压器是电网中至关重要、却几乎不为人所注意的组成部分。这些设备有助于高效地远距离输送电力，但结构复杂，而且供应短缺。考虑到它们的基本设计大约一个世纪以来都没有太大变化，确实该升级了。&nbsp;</p> <p class="wp-block-paragraph">随着全球竞相满足电动汽车、数据中心等带来的日益增长的用电需求，研究人员和企业正着手推动变压器的现代化。新型固态变压器有望缓解部分供应问题，并确保电网能够承受不断增加的压力。</p> <p class="wp-block-paragraph">传统变压器通常依靠大量特种钢合金和绵延数英里的铜线，在不同电路之间传输电能。相比之下，固态变压器将磁性元件与大功率半导体结合起来，使设备更加紧凑，也能更精确地控制电力流动。&nbsp;</p> <p class="wp-block-paragraph">这些设备仍处于开发阶段，目前还无法替代所有传统变压器，尤其是那些在远距离输电所需的高电压下工作的大型变压器。不过，新一代变压器技术可能成为未来电网的关键组成部分。</p> <h3 class="wp-block-heading"><strong>电网的支柱</strong></h3> <p class="wp-block-paragraph">电力在电网中的传输并非完全高效：电流流经输电线路时，部分电能会以热量的形式损失。损耗量并不固定——电压越高，电流越小，损失的电能也越少。因此，升降电压是电网的一项关键功能。&nbsp;</p> <p class="wp-block-paragraph">以你当地的太阳能发电站为例。要让电力高效地输送到数百英里外的家中，就需要将电压提升到高于太阳能电站发电时的水平。这时就轮到变压器发挥作用了。&nbsp;</p> <p class="wp-block-paragraph">从发电站到家中插座的过程中，电力可能先经过太阳能电站的一台变压器，再经过附近变电站的另一台变压器，经过两次升压，达到足以通过高压输电线路传输的电压水平。太阳能电池板产生的还是直流电（DC），在进入变压器之前，需要先通过逆变器转换为交流电（AC）。接近目的地时，电压会再次降低，而且很可能至少降压两次：先在另一座变电站降压，再通过你所在社区的一台较小的变压器进一步降压。</p> <p class="wp-block-paragraph">如果你在美国，太阳能电站产生的电力可能先由逆变器转换为约480伏的交流电，再升压至115,000伏以通过输电线路传输，最后降至家庭使用的120伏和240伏。</p> <p class="wp-block-paragraph">传统变压器完成这项工作，靠的基本上就是一圈圈导线。变压器的铁芯通常由一种名为取向电工钢的特殊钢材制成，铁芯的两端分别绕有铜线圈。&nbsp;</p> <p class="wp-block-paragraph">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，电压就会升高；如果匝数更少，电压就会降低。输入电流流经变压器输入端的线圈时，会在铁芯中形成磁场。该磁场会在设备另一侧的线圈中感应出电压，使能量得以在新的电压水平下继续传输。这个过程称为磁感应。</p> <p class="wp-block-paragraph">北卡罗来纳州立大学电气与计算机工程教授 Srdjan Lukic 表示，变压器构成了输配电系统的支柱。除了升降电压之外，变压器还常常提供所谓的电气隔离，也就是说，电力并没有直接贯穿变压器的导电通路。这有助于限制扰动在电网中的传播，提高安全性。</p> <p class="wp-block-paragraph">Lukic 表示，问题在于，如今的变压器体积庞大、笨重，更换起来也困难且昂贵。</p> <h3 class="wp-block-heading"><strong>一种固态方案</strong></h3> <p class="wp-block-paragraph">固态变压器本质上是在现有变压器的典型设计中，加入所谓的电力电子器件，也就是用于转换和控制电能的半导体。</p> <p class="wp-block-paragraph">传统变压器的工作频率取决于它所连接的电网部分，而固态变压器则能主动控制电流频率。通常，固态变压器会先将电网输入的交流电转换为直流电，再利用碳化硅等半导体制成的开关器件，将其转换为频率更高的交流电。&nbsp;</p> <p class="wp-block-paragraph">接下来，磁性元件会改变电压。由于先进半导体使变压器能够高度控制电流的频率和稳定性，磁芯可以比传统变压器小得多。Lukic 表示，有些设备的体积约为传统变压器的十分之一，却具有相同的容量。</p> <p class="wp-block-paragraph">最后，其他电力电子器件会将高频交流电转换为所需的形式——通常是先转回直流电，最后再转换为频率较低的交流电。</p> <p class="wp-block-paragraph">如今，许多变压器的唯一任务就是升降电压。但固态变压器能做的远不止这些。它们还能承担整流器和逆变器等设备的功能（这些设备用于在交流电和直流电之间进行转换），从而缩小电气设备的总体占地面积，并有可能减少系统中的电能损耗。</p> <p class="wp-block-paragraph">今年8月，纽约电力局与美国电力科学研究院（EPRI）在 EPRI 的试验场，按照真实的电力系统运行条件，<a href="https://news.ncsu.edu/2026/08/solid-state-transformer-success/" target="_blank" rel="noopener">测试了一台一兆瓦</a>固态变压器。该设备由 Lukic 的实验室制造。他表示，这是首次对这一容量的固态变压器进行此类测试。 </p> <p class="wp-block-paragraph">该原型机的效率约为98%，也就是说，输入能量中只有2%损失掉了。Lukic 表示，相比之下，同等规格的传统变压器与整流器组合起来，效率约为96%。2%的差距可能看起来很小，但意义重大，因为这意味着固态变压器可以将传统设备的电能损耗减半。&nbsp;</p> <p class="wp-block-paragraph">Lukic 表示，该项目的一个主要目标，是帮助电力公司增强对这些新型部件的信心。这一点至关重要，因为这些设备未来可能会应用于电网。短期内，固态变压器可以用于数据中心内部，为服务器机架供电。&nbsp;</p> <p class="wp-block-paragraph">该原型机仍是一个电压相对较低的系统，工作电压约为15,000伏。大型数据中心等工业设施往往需要接入更高的电压，而输电线路的工作电压通常达到数十万伏。要让固态变压器适应这些更高的电压，还需要进一步的工程开发。不过，Lukic 表示，这次测试成功证明了固态变压器可以在真实条件下运行。&nbsp;</p> <p class="wp-block-paragraph">Lukic 表示，目前开发固态变压器的企业大多将重点放在数据中心。大量资金正涌入，支持这项新技术的开发，而且这里的电压要求，也没有未来远距离输电所需的大型变压器那么高。&nbsp;</p> <p class="wp-block-paragraph">今年2月，Heron Power 筹集了<a href="https://www.canarymedia.com/articles/climatetech-finance/heron-power-raises-140m-electrical-transformers" target="_blank" rel="noopener">1.4亿美元</a>，用于将其固态变压器商业化，该公司将这款产品称为 Heron Link。创始人兼首席执行官 Drew Baglino 表示，这项技术可以用于数据中心、太阳能发电阵列和电网储能电池。Baglino 说，公司目前正开始进行更大规模的技术测试。位于加利福尼亚州斯科茨谷的 Heron 总部内，容量为10兆瓦时的电池即将与 Heron 变压器配合开展测试。他还表示，公司正计划与附近的一座太阳能电站开展试点项目。</p> <p class="wp-block-paragraph">固态变压器面临的一项挑战是，其电力电子器件的故障模式比传统变压器更多。传统设备发生故障时，通常意味着整台设备需要退出运行，从而造成供电中断。但 Baglino 表示，Heron 在设计时就考虑到了这一点：公司采用模块化设计，让许多小型设备协同工作。如果其中一个发生故障，系统的其余部分仍可继续运行，直到故障部件被更换，而更换时也不需要关闭整个系统。</p> <p class="wp-block-paragraph">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。该工厂预计将于2027年开始生产，并于2029年达到每年生产总容量40吉瓦变压器的满负荷产能。&nbsp;&nbsp;</p> <h3 class="wp-block-heading"><strong>电网的未来</strong></h3> <p class="wp-block-paragraph">伍德麦肯兹公司的供应链分析师 Benjamin Boucher 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17亿美元。他补充说，配电变压器领域还获得了另外13亿美元的投资，这些体积较小的设备有助于将电力转换为适合家庭和企业使用的电压。&nbsp;</p> <p class="wp-block-paragraph">但即便如此，这些投资仍赶不上电网快速扩张的步伐。大型传统变压器的交付等待时间正延长至最长五年，而连接新建发电站、远距离输电线路，以及数据中心等高用电需求场所，都需要这类变压器。</p> <p class="wp-block-paragraph">“变压器已成为电力公司、发电项目开发商，甚至数据中心所面临的最大瓶颈之一，”Boucher 说。最大的挑战在于，新建变压器制造业务很难迅速投产，因为这是一个技术要求相当高、需要大量专业劳动力的过程。因此，即使是多年前宣布建设的工厂，距离投产仍有数年时间，Boucher 表示。</p> <p class="wp-block-paragraph">固态变压器有望缓解部分压力。但 Lukic 表示，用于发电站并网和输电线路的高压设备，才是固态变压器追求的终极目标。现有固态技术还无法用于这些场景，因此行业需要开发新的材料和设计，以承受高电压，并在紧凑的设备内安全地处理电力。</p> <p class="wp-block-paragraph">“我们正面临与电网基础设施相关的重大风险，”Boucher 说。“没有变压器，实际上就没有电网。”&nbsp;&nbsp;</p>