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固态变压器：电网电气化的未来？
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当我们谈到电气化进程正在席卷我们的经济和产业时，我们大多会想到电动汽车、电池、快速充电器、可再生能源等等。
但归根结底，所有这些新技术仍然依赖于相当古老的设计，才能将发电厂和太阳能发电厂产生的高功率电力基本转换为汽车、家庭、数据中心、工业工厂等使用的电力。
现代变压器的核心设计可以追溯到19世纪末，早期的商业模型由小威廉·斯坦利开发，后来随着交流电系统的扩展而不断改进，并得到了西屋公司和尼古拉·特斯拉的大力支持。其基本原理——利用铁芯和铜线圈进行电磁感应——在一个多世纪以来基本保持不变。
当变压器的唯一作用是在相对稳定和可预测的条件下将来自电网的标准电流输送到合适的水平时，这种设计是足够好的。
但现在，随着电网和发电变得越来越分散，对电流质量的要求也越来越严格，这已经远远不够了。
幸运的是，半导体行业在材料方面取得的进步，为一种新型的潜在变压器——固态变压器——开辟了道路。
百年电网：传统变压器的工作原理
传统变压器的技术基础
如前所述，变压器是一种将给定电压的电流输入转换为更高或更低电压的装置。传统变压器的容量和电流转换能力由铁芯周围铜线圈或铝线圈的数量决定。断路器、套管、熔断器等附加部件以及其他材料用于确保变压器的安全运行。
虽然这些机器笨重且不够灵活，但它们非常耐用，可以使用数十年甚至一个世纪。这也是一项大生意。 预计到2025年市场规模将达到69亿美元。 预计到 2034 年将以 7.97% 的复合年增长率增长，达到 135.9 亿美元。
然而，如今的变压器仍然相对简陋，采用的是1900世纪初发明的早期技术。随着我们在交通运输、网络连接和其他现代应用中对电力的依赖程度越来越高，这可能会成为一个问题，尤其是在电网不再仅仅依靠少数大型发电厂，而是更多地依赖间歇性、分散式可再生能源的情况下。
“老式的钢、铜、油变压器没有任何监控，也没有任何控制。一旦发生电力激增或发电厂停运，这可能会造成安全隐患。”
固态变压器（SST）的工作原理
正是出于这种担忧，工程师们正在寻求重新设计变压器。他们不再使用铜和铁，而是将注意力转向电动汽车和半导体中使用的新材料，例如碳化硅和氮化镓。
设计上的另一个根本区别在于，固态变压器（SST）并非由一个巨大的铁铜块构成，而是由许多小型模块组装而成。因此，其容量可以轻松改变，任何故障点也都可以轻松更换。
固态变压器与传统变压器在几个关键技术点上有所不同：
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| 特性 | 传统变压器 | 固态变压器（SST） |
|---|---|---|
| 核心技术部门 | 铁芯+铜绕组 | 功率半导体（SiC/GaN） |
| 尺寸和重量 | 又大又重 | 紧凑、模块化 |
| 交流/直流转换 | 需要单独的整流器 | 集成交流/直流功能 |
| 网格智能 | 被动 | 实时控制和故障隔离 |
| 双向流动 | 有限 | 完全双向支持 |
| 相对成本 | 底线 | 高出 5-10 倍（当前阶段） |
解决全球变压器供应短缺问题
传统变压器的另一个问题是，它们现在很难找到。
随着电气化和多吉瓦数据中心的建设，对电网容量的需求不断增长，美国公用事业公司正争相寻找足够的变压器来维持电网，甚至进一步改善电网。
一个关键因素是电网老化，即使像变压器这样坚固耐用的设备，也可能需要每50-70年左右更换一次。美国超过一半的配电变压器，约40万台， 已经超过其预期使用寿命.
再加上大宗商品价格上涨，尤其是铜价上涨，导致变压器价格自 2019 年以来上涨了 45% 至 95%，具体涨幅取决于变压器的类别。
“功率半导体的价格一直在下降。不幸的是，钢铁、铜和石油的价格却并非如此。大宗商品价格波动剧烈，而且通常呈上涨趋势。”
另一个推高成本的因素是对外国钢铁和其他金属征收关税，对于像中国或巴西这样提供变压器所需材料质量的国家，关税通常高达 50% 或更高。
最后，变压器供应方面的投资仍然不足，许多公司甚至在2000世纪初倒闭，部分原因是电力公司对电网的投资太少。因此，现在变压器的供应链，包括 它需要一种特殊等级的钢材（电工钢）。只是数量不够。
然而，即使固态变压器能够提供急需的额外电力供应，它们也无法立即解决新型变压器的成本问题。这是因为，就目前而言，它们的价格仍然是传统变压器的5到10倍。
固态变压器应用：固态变压器的优势所在
人工智能数据中心和高功率基础设施
综上所述，旧式变压器和固态变压器在容量上的这些差异彻底改变了它们的使用方式。
它们可以接管目前使用的许多不同电源设备的任务，同时平滑功率水平，将交流电转换为直流电（或反之亦然），连接到电网和电池等等。
这使得固态存储技术（SST）成为数据中心极具吸引力的选择，因为数据中心面临的供电问题远比普通用户复杂得多。例如，固态存储技术可以同时省去不间断电源（UPS）、连接国家电网、电池储能园区以及本地可再生能源发电（用户侧供电）的需求。
更紧凑的固态变压器还能节省数据中心的大量空间，从而释放出更多容量用于安装更多计算机架或冷却等配套系统。因此，对于数据中心等特殊情况而言，虽然成本有所增加，但也能带来额外的节省，因为数据中心需要的功能远超传统变压器所能提供的。
“如果把我们移除的所有东西的成本加起来，我们只占总成本的 60% 到 70%。”
DG Matrix 联合创始人兼首席执行官 Haroon Inam 告诉 TechCrunch。
目前，数据中心是这项新技术的首批客户，因为他们非常欣赏其灵活性和紧凑性。此外，这项技术还使他们能够“免排队”购买新的变压器。最后，它还提供了以往需要大量额外投资才能实现的电力稳定性，例如，Heron Link 的变压器可以在备用电源上线前为计算机架提供 30 秒的电力。
可再生能源和电网储能
目前大多数发电系统都是基于交流电设计的，因为交流电最初是由煤电、燃气电或水力发电厂中旋转的涡轮机产生的。但光伏发电作为一种新兴的能源，其产生的却是直流电，因此需要逆变器先将其转换为交流电，才能输送到电网。
电池也是如此，它们可能连接到交流电网，但需要直流电作为输入和输出。
因此，能够同时承担逆变器和变压器功能的固态变压器，其最终价格可能与两个独立的标准系统相同。
电动汽车充电和双向支持
空间和设施的整体占地面积可能是电动汽车充电站的限制因素。在这方面，SST（太阳能集热器）的密度可以转化为竞争优势。
与电池组一样，它们也能受益于自身改变电压的能力，同时还能执行交流-直流逆变器的任务。
最后，充电站中的固态变压器可以帮助将它们变成额外的储能单元，因为同一设备可以在从电网获取电力和向电网提供能量之间交替。
目前，电动汽车车主不太可能对扮演“移动电池”的角色感兴趣。但未来，自动驾驶车队或许可以通过在关键时刻“出租”储能容量来提高盈利能力，并利用充电站和太阳能充电桩在用电高峰期向电网回注能量。
随着电动汽车电池组的耐用性越来越强，频繁的充放电循环对其性能的影响也越来越小甚至没有影响，这种趋势也将变得越来越普遍。
智能电网的未来
目前，对于电力公司而言，SST 技术过于昂贵且过于新颖，难以整合到其电网中。
然而，从长远来看，它们可能会彻底改变电网的管理方式。它们尤其可以降低输配电成本，而输配电成本正是导致公用事业账单上涨的主要原因之一。
这是因为固态变压器能够响应不断变化的情况，使电网运营商能够通过相同的线路输送更多电力，从而在电力消耗不断增长的情况下减少对新线路的需求。
“实际上，你可以降低基础设施的成本，因为你可以通过同样的电线杆和电线输送更多的千瓦时电量。这就是智能技术能够发挥巨大作用的地方，它取代了100年前设计的被动机械装置。”
值得注意的是，碳化硅和其他用于电力应用的半导体材料，得益于电动汽车的蓬勃发展，才在不到十年前开始大规模生产。因此，随着更高效的制造方法不断开发，以及行业规模经济的逐步实现，它们的成本会逐渐降低，这也就不足为奇了。
这很可能是公用事业公司开始大规模安装固态变压器的必要步骤，这将带来第二波规模经济效益。
固态变压器市场结论
固态变压器仍是一项非常新的技术，目前仍在寻找其首个大众市场应用。数据中心似乎正在逐步为其提供应用平台，而光伏电站的应用也日益增多。
下一步将扩大生产规模，并在实际运行中证明这种变压器设计比更成熟的传统设计更高效、更可靠和/或最终更便宜。
一些初创公司一直在推动SST（可持续软件技术），其中包括 苍鹭动力由一位特斯拉前高管创立， DG 矩阵专注于数据中心， 安培符号总部位于新加坡，但在美国也有产能。
这些初创公司还是电力行业的巨头最终会主导这个市场，还有待观察。传统变压器公司对这种技术变革的反应可能是投资者需要关注的关键因素。
投资固态变压器：伊顿（ETN）
(ETN )
伊顿是一家大型电气设备供应商，在美国电力转换设备、低压和中压电气设备以及航空航天液压和燃油泵领域排名第一。
该公司预计到 2025 年将创造 24 亿美元的收入，实现 8% 的有机销售增长；美洲是该公司最大的业务板块，数据中心最近成为其最大的客户板块（几乎占总收入的四分之一）。
这使得公司处于能够从电气化、数据中心建设、再工业化（尤其是半导体制造厂）和可再生能源发展等趋势中获益的绝佳位置，以至于公司明确的目标是：
“我们将成为世界领先的电源管理公司。”
为了实现这一目标，该公司投资 1 亿美元，将其生产能力扩大了 2 万平方英尺。
此外，该公司还管理着一个“移动出行”部门，以满足对商用卡车变速器和离合器（美洲排名第一）以及电动出行的需求。
到 2025 年，该公司 90% 的盈利将来自电气和航空航天领域。
航空航天领域包括为民用和军用飞机提供关键部件，例如 F-35、波音 KC-46A、西科斯基 CH-53K、波音 777X、波音 B737MAX、空客 A350、空客 A320NEO 等。此外，它还为 SpaceX、蓝色起源、阿丽亚娜集团、亚马逊、欧洲通信卫星集团等公司提供用于太空应用的部件。
受电气设备需求不断增长的影响，伊顿的积压订单在整个 2020 年代稳步增长，并在 2025 年达到创纪录的水平。
2025 年 8 月，伊顿以 8600 万美元收购了固态变压器公司 Resilient Power Systems。
这家初创公司设计了可直接连接到现有配电网的超紧凑型电动汽车充电站，而伊顿则看到了数据中心和储能领域的进一步增长前景，其现有的关系可以帮助更快地达成更多交易。
“我们很高兴加入伊顿，并相信双方团队、能力和领先技术相结合，将支持我们在新产品和新市场（包括数据中心）的持续增长。我们超紧凑型固态变压器可以提高能源效率，缩短项目上市时间，并支持可靠的电网。”
——Resilient联合创始人兼首席执行官汤姆·凯斯特
由于大多数 SST 公司仍然是非上市公司，Resilient Power Systems 的技术与伊顿丰富的经验、销售网络和制造能力相结合，对于投资者来说，似乎是参与整个电力转换行业的好方法，既不会因为这项新技术进入市场而面临中断的风险，反而可以从中受益。
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