变压器是我们电网中至关重要但几乎看不见的组成部分。这些设备帮助高效地远距离输送电力，但它们结构复杂且供应短缺。而且，由于它们的基本设计在大约一个世纪以来几乎没有变化，它们确实需要升级。

随着世界竞相满足电动汽车、数据中心等带来的日益增长的电力需求，研究人员和公司正寻求对变压器进行现代化改造。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长的压力。

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，固态型号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。

这些设备仍在开发中，目前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工作的最大型变压器。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。

电网的骨干

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。为了让这些电力高效地输送到数百英里外的你家，它需要达到比太阳能电站所发电压更高的电压。变压器就此登场。

在从发电厂到你家插座的路径上，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电压水平，从而能够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，可能至少降低两次：一次在另一个变电站，另一次在你家附近的一台较小的变压器。

如果你在美国，太阳能电站发出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 伏以进入输电线路，最后再降回 120 伏和 240 伏供你家中使用。

传统变压器完成这项工作靠的基本上就是一圈圈的导线。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。铜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；如果匝数更少，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，这正是能量得以以新的电压继续流动的原因。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 Srdjan Lukic 表示，变压器构成了电力输配的骨干。除了承担升降电压的任务外，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。

Lukic 表示，问题在于如今的变压器体积庞大且笨重，同时难以更换且成本高昂。

一个可靠的选择

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能的半导体。

传统变压器以其所接入电网部分的频率运行，而固态变压器实际上可以控制电流的频率。通常，固态变压器首先将来自电网的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，磁性元件负责改变电压。由于先进的半导体使变压器能够对电流的频率和稳定性施加如此多的控制，磁芯可以比传统变压器小得多。Lukic 表示，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的形式——通常是先转回直流电，最后再转换为较低频率的交流电。

如今，升压和降压是许多变压器的唯一职责。但固态变压器能做更多事情。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，缩小了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，在接近真实的公用事业条件下测试了一台 1 兆瓦的固态变压器。该设备在 Lukic 的实验室中制造，他表示，这是该容量级别的变压器首次进行此类测试。

该原型机的效率约为 98%——这意味着它只损失了 2% 的输入能量。相比之下，Lukic 表示，一台等效的传统变压器和整流器加在一起效率约为 96%。2% 的差距看似不大，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，Lukic 说。

Lukic 表示，该项目的一个主要目标是帮助电力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会用于电网。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。

该原型机仍是一个相对低压的系统，运行电压约为 15000 伏。大型数据中心等工业设施通常需要更高电压的接入，而输电线路的运行电压通常高达数十万伏。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 Lukic 表示，这次测试成功证明了固态变压器能够在真实条件下工作。

Lukic 表示，目前开发固态变压器的公司大多聚焦于数据中心。大量资金正涌入以支持这项新技术的开发，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，该公司将其称为 Heron Link。创始人兼 CEO Drew Baglino 表示，这项技术可用于数据中心、太阳能阵列和电网电池。Baglino 说，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，价值 10 兆瓦时的电池很快将使用 Heron 变压器进行测试。Baglino 表示，公司还计划与附近的一个太阳能农场开展试点。

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，一旦发生故障，通常意味着整个设备会被停机，导致供电中断。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，由许多小型设备协同工作。如果其中一个出现故障，系统其余部分会继续运行，直到受影响的部件被更换，而这不需要关闭整个系统。

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。

电网的未来

Wood Mackenzie 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电力变压器供应链投入 17 亿美元，这些变压器用于高压输电。他补充说，还有额外 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。

但即便有这些投资，也跟不上电网的快速增长。大型传统变压器的等待时间——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——已延长至长达五年。

“变压器已成为公用事业公司、发电开发商甚至数据中心的最大瓶颈之一，”Boucher 说。最大的挑战在于，启动新的变压器制造非常困难，因为这是一个技术性很强的过程，需要大量专业劳动力。因此，Boucher 说，即便是多年前宣布的设施，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 Lukic 表示，用于发电厂并网和输电线路所需的高压器件，是固态变压器领域的圣杯。现有的固态技术尚无法用于这些应用，因此业界需要开发新材料和新设计，以在紧凑的器件中支持高电压并安全地处理电力。

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