电网可以处理更多的可再生能源，但需要一些帮助
电网需要改变。要实现从汽车到供暖系统再到炉灶等所有设备的电气化，美国电网必须扩大约 57%，并且还要更加灵活。太阳能和风能是最有可能主导未来清洁能源电网的可再生能源。但它们主要分布在偏远地区，远离需要电力的枢纽。这就是问题所在。当今的输电系统根本就不是为接收所有远程电力而设计的。沙漠中阳光特别充足的日子里突然出现的电力突发可能会导致电网故障（小的瞬时电流可能会传播并导致断电）或导致电力线过载。
但是，如果我们能够更好地控制太阳能（或所有能源）在配电系统中的流动位置和方式，从而平衡所有电力，情况会怎样？这就是美国国家可再生能源实验室 (NREL)、佛罗里达州立大学和俄亥俄州立大学的专家团队正在努力实现的目标。
在过去四年中，该团队建立了一个试验平台来研究和完善一种全新的电网技术，这种技术可以帮助电网运营商更好地管理电力的流动方式和流向。这种设备被称为背对背中压转换器，它可以做到这一点，而且重量和成本只是其所取代技术的一小部分。
NREL 研究员 Barry Mather 表示：“这是一种全新类型的设备，为公用事业公司管理其配电系统开辟了一条全新的途径。如果系统内有这种额外的设备，就可以将更高水平的分布式能源资源纳入电路。”
马瑟负责领导这个项目，该项目部分资金来自美国能源部，被称为中压碳化硅电网应用开发、试验台和分析项目（GADTAMS）。GADTAMS 于 2023 年 12 月结束。但该项目的成功，包括首个同类原型和功能齐全的试验台，用于研究和改进这些新型电网技术，可能有助于美国电网的发展。
中压电源转换器的优势
中压电是通过你窗外的电线输送的电——除非你住在欧洲。
“美国电网……嗯，有点独特，”马瑟说。“我们采用所谓的中压配电，距离客户很近。”
如今，被称为变压器的电网设备将中压电转换为更高的电压（这样它就可以在高速电线上快速传输）或更低的电压（这样它就可以安全地进入我们的家中）。
假设一根树枝掉落在电线上，导致附近地区的电力中断。如今，电力工人可以打开和关闭变压器的开关，将电力从附近的线路转移到中断的线路上，并在工人移走树木的同时恢复至少部分电力。
太棒了。但我们可以做得更好。
用背靠背转换器代替变压器，电力可以自动重定向，减少停电时间。此外，变压器笨重、成本较高，而且由于供应链不稳定，有些变压器可能需要长达两年的时间才能到达。背靠背转换器的尺寸约为那些基于变压器的低压系统的五分之一，重量约为十分之一。
“如果我们能够实现直接中压转换，”马瑟说，“那么我们就可以有效地完全摆脱变压器。”
电力共享不仅仅在紧急情况下有用。如今许多屋顶太阳能电池板必须先将其能量转换为低压，然后再转换为中压。使用中压转换器，这些能量可以跳过不必要的障碍。
“这有点像跨配电系统的电力套利，”马瑟说。“它能让你减轻分布式资源（尤其是太阳能）带来的许多影响。”
简而言之，中压转换器可以帮助公用事业公司安全地控制电力在当地电网中的流动方式和地点。这有助于使未来的清洁能源电网既有弹性又可靠。
首个安全研究中压技术的试验台
中压转换器仍是一项相对较新的技术。这意味着它们必须经过大量测试，以确保其效率高、价格合理且足够安全，可以引入美国电网。
但建造或研究中压设备并不容易。
国家可再生能源实验室研究工程师拉马纳坦·蒂亚加拉詹 (Ramanathan Thiagarajan，昵称“Ram”) 表示：“启动、运行和关闭程序的清单必须一遍又一遍地编写。”
在 NREL 的能源系统集成设施中，该团队精心构建了一个可以从中压转换器中获益的电力系统复制品。安全（对于机组人员和原型机而言）是该团队的首要任务。
整个试验台占地约有一辆城市公交车那么大，四周是一道黑色围栏，高度与普通人差不多（但比勒布朗·詹姆斯矮）。试验台内部，绝缘电线从转换器（看起来有点像书架）蜿蜒而出，延伸到灰色金属柜，或整齐地盘绕在架子上。
该团队的学术合作伙伴制造了一个原型：一个 10 千伏的碳化硅电源转换器，设计用于与其孪生兄弟背对背工作。当研究人员准备将原型插入电网复制品时，他们将电压一点点地调高，直到达到中压范围。原型太珍贵（而且昂贵），不能冒着被过强电流损坏的风险。
“我们确实达到了 5 千伏的电压范围，”马瑟说。“这不是一个很大的数字，但比其他任何人操作时达到的电压都要高。”
并且它确实成功了。然后，团队可以看到他们的系统控制电流流动情况如何，以及他们是否需要做出任何改变。接下来，他们计划开放他们的试验台，以进行更多研究，研究中压设备如何帮助电网适应或依赖氢作为另一种清洁能源。NREL 团队还希望在一个专门用于中压电力电子的全新设施中达到更高的电压。
“中压电源转换的时代似乎正在迅速到来，”马瑟说，“我们将会看到越来越多的应用，越来越多的人对此感兴趣。”
“我们非常高兴现在有了这个测试平台——不仅是为了这个 GADTAMS 项目，也是为了未来，”马瑟继续说道。“它基本上是中压电力电子开发的家园。”
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