网格需要改变。为了实现从车辆到供暖系统再到炉灶的一切电气化，美国电网必须扩大约57%并且变得更加灵活。太阳能和风能是可再生能源最有可能主导未来的清洁能源电网。但它们主要出现在偏远地区，远离需要电力的中心。

这是一个问题。今天的传输系统根本就不是为了吸收所有远程电力而设计的。在沙漠中特别晴朗的日子里突然断电可能会导致电网故障（小故障会传播并导致停电）或电线过载。

但如果我们能够更好地控制地点和方式呢？太阳能——或者说我们所有的能量——都在分配系统内流动，这样我们就可以平衡所有的能量？这就是来自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做的事情。

在过去的四年里，该团队建立了一个测试平台来研究和磨练一种全新的电网技术，该技术可以帮助电网运营商更好地调节电力的流动方式和地点。该设备被称为背靠背中压转换器，其重量和成本仅为其可替代技术的一小部分。

NREL 研究员巴里·马瑟 (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种全新的方式。”“如果系统内有这个额外的设备，则可以将更高水平的分布式能源放入电路中。”

Mather 正在领导这个项目，该项目由美国能源部提供部分资助，被称为中压碳化硅电网应用开发、测试台和分析项目 (GADTAMS)。GADTAMS 于 2023 年 12 月结束。但该项目的成功，包括第一个原型和用于研究和改进这些新颖电网技术的全功能测试台，可以帮助美国电网发展。

中压电源转换器的优点

中压电力是通过窗外的电线输送的电力——除非您住在欧洲。

“美国电网……嗯，它有点独特，”马瑟说。“我们拥有所谓的中压配电，最终非常接近我们的客户。”

如今，称为变压器的电网设备将中压电力转换为较高电压（以便它可以通过高速电力线）或较低电压（以便它可以安全地进入我们的家中）。

假设一根树枝掉落在电线上，导致附近地区断电。如今，公用事业工作人员可以打开和关闭变压器中的开关，将电力从附近的线路转移到中断的线路，并在工作人员移走树木时恢复至少部分电力。

那太棒了。但我们可以做得更好。

用背靠背转换器替换变压器，电源可以自动重定向，从而减少停电时间。另外，变压器很笨重，成本有点高，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这些基于变压器的低压系统的五分之一和十分之一。

马瑟说：“如果我们能够进行直接中压转换，那么我们就可以有效地完全摆脱变压器。”

权力共享不仅在紧急情况下有益。当今许多屋顶太阳能电池板必须首先将其能量转换为低压，然后转换为中压。使用中压转换器，这种能量可以跳过不必要的障碍。

“这有点像整个分配系统的权力套利，”马瑟说。“它可以让你减轻分布式资源的许多影响，特别是太阳能。”

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通过当地电网的方式和地点。这有助于使未来的清洁能源电网既具有弹性又可靠。

第一个安全研究中压技术的测试平台

中压转换器仍然是一项相对较新的技术。这意味着它们必须经过广泛的测试，以确保它们高效、价格实惠且足够安全，可以引入美国电网。

但建造或研究中压设备并不容易。

NREL 研究工程师 Ramanathan Thiagarajan（简称“Ram”）表示：“启动、运行和关闭程序的检查清单必须不断地编写。”

在 NREL 的能源系统集成设施中，该团队精心构建了一个可以受益于中压转换器的电力系统的复制品。团队的首要任务是确保机组人员和原型机的安全。

整个测试台占据了大约一辆城市公交车大小的空间，被黑色栅栏围起来，大约和普通人一样高（但比勒布朗·詹姆斯矮）。在内部，绝缘电线从看起来有点像书柜的转换器蜿蜒到灰色金属柜，或者沿着架子整齐地盘绕起来。

该团队的学术合作伙伴构建了一个原型：一个 10 kV 碳化硅功率转换器，旨在与其双胞胎背对背工作。当研究人员准备将原型插入电网复制品时，他们将电压一点一点地调高，直到达到中压范围。该原型机太珍贵（而且昂贵），不能冒被强大电流浪涌损坏的风险。

“我们确实达到了 5 kV 范围，”马瑟说。“这不是一个很大的数字，但比其他任何人的操作都要高。”

它奏效了。然后，团队可以了解系统控制电流的效果以及是否需要进行任何更改。接下来，他们计划开放测试平台，进行更多关于中压设备如何帮助网格适应或依赖氢作为另一种清洁能源。NREL 团队还希望在专门用于中压电力电子设备的全新设施中达到更高的电压。

“总的来说，中压电力转换的时代似乎正在迅速临近，”马瑟说。“我们将看到越来越多的应用程序以及越来越多的人对此感兴趣。

“我们非常高兴现在拥有这个测试平台，不仅是为了这个 GADTAMS 项目，也是为了未来，”Mather 继续说道。“它基本上是中压电力电子开发的家园。”