網格需要改變。為了實現從車輛到暖氣系統再到爐灶的一切電氣化，美國電網必須擴大約57%並且變得更加靈活。太陽能和風能是再生能源最有可能主導未來的清潔能源電網。但它們主要出現在偏遠地區，遠離需要電力的中心。

這是一個問題。今天的傳輸系統根本就不是為了吸收所有遠端電力而設計的。在沙漠中特別晴朗的日子裡突然斷電可能會導致電網故障（小故障會傳播並導致停電）或電線過載。

但如果我們能夠更好地控制地點和方式呢？太陽能——或者說我們所有的能量——都在分配系統內流動，這樣我們就可以平衡所有的能量？這就是來自國家再生能源實驗室 (NREL)、佛羅裡達州立大學和俄亥俄州立大學的專家團隊正在努力做的事情。

在過去的四年裡，該團隊建立了一個測試平台來研究和磨練一種全新的電網技術，該技術可以幫助電網營運商更好地調節電力的流動方式和地點。該設備被稱為背靠背中壓轉換器，其重量和成本僅為其可替代技術的一小部分。

NREL 研究員 Barry Mather 表示：“這是一種全新類型的設備，為公用事業公司管理其配電系統開闢了一種全新的方式。”“如果系統內有這個額外的設備，則可以將更高水平的分散式能源放入電路中。”

Mather 正在領導這個項目，該項目由美國能源部提供部分資助，被稱為中壓碳化矽電網應用開發、測試台和分析項目 (GADTAMS)。GADTAMS 於 2023 年 12 月結束。

中壓電源轉換器的優點

中壓電力是透過窗外的電線輸送的電力—除非您住在歐洲。

「美國電網……嗯，它有點獨特，」馬瑟說。“我們擁有所謂的中壓配電，最終非常接近我們的客戶。”

如今，稱為變壓器的電網設備將中壓電力轉換為較高電壓（以便它可以通過高速電力線）或較低電壓（以便它可以安全地進入我們的家中）。

假設一根樹枝掉在電線上，導致附近地區斷電。如今，公用事業工作人員可以打開和關閉變壓器中的開關，將電力從附近的線路轉移到中斷的線路，並在工作人員移除樹木時恢復至少部分電力。

那太棒了。但我們可以做得更好。

用背靠背轉換器取代變壓器，電源可以自動重定向，從而減少停電時間。另外，變壓器很笨重，成本有點高，而且由於供應鏈不穩定，有些變壓器可能需要長達兩年的時間才能到達。背靠背轉換器的尺寸約為這些基於變壓器的低壓系統的五分之一和十分之一。

馬瑟說：“如果我們能夠進行直接中壓轉換，那麼我們就可以有效地完全擺脫變壓器。”

權力共享不僅在緊急情況下有益。當今許多屋頂太陽能電池板必須先將其能量轉換為低壓，然後轉換為中壓。使用中壓轉換器，這種能量可以跳過不必要的障礙。

「這有點像整個分配系統的權力套利，」馬瑟說。“它可以讓你減輕分散式資源的許多影響，特別是太陽能。”

簡而言之，中壓轉換器可以幫助公用事業公司安全地控制電力通過當地電網的方式和地點。這有助於使未來的清潔能源電網既具有彈性又可靠。

第一個安全研究中壓技術的測試平台

中壓轉換器仍然是一項相對較新的技術。這意味著它們必須經過廣泛的測試，以確保它們高效、價格實惠且足夠安全，可以引入美國電網。

但要建造或研究中壓設備並不容易。

NREL 研究工程師 Ramanathan Thiagarajan（簡稱“Ram”）表示：“啟動、運行和關閉程式的檢查清單必須不斷地編寫。”

在 NREL 的能源系統整合設施中，該團隊精心建造了一個可以受益於中壓轉換器的電力系統的複製品。團隊的首要任務是確保機組人員和原型機的安全。

整個測試台佔據了大約一輛城市公車大小的空間，被黑色柵欄圍起來，大約和普通人一樣高（但比勒布朗·詹姆斯矮）。在內部，絕緣電線從看起來有點像書櫃的轉換器蜿蜒到灰色金屬櫃，或沿著架子整齊地盤繞起來。

該團隊的學術合作夥伴建立了一個原型：一個 10 kV 碳化矽功率轉換器，旨在與其雙胞胎背對背工作。當研究人員準備將原型插入電網複製品時，他們將電壓一點一點地調高，直到達到中壓範圍。這台原型機太珍貴（而且昂貴），不能冒被強大電流湧浪損壞的風險。

「我們確實達到了 5 kV 範圍，」馬瑟說。“這不是一個很大的數字，但比其他任何人的操作都要高。”

它奏效了。然後，團隊可以了解系統控制電流的效果以及是否需要進行任何變更。接下來，他們計劃開放測試平台，進行更多關於中壓設備如何幫助網格適應或依賴氫氣作為另一種清潔能源。NREL 團隊也希望在專門用於中壓電力電子設備的全新設施中達到更高的電壓。

「總的來說，中壓電力轉換的時代似乎正在迅速臨近，」馬瑟說。「我們將看到越來越多的應用程式以及越來越多的人對此感興趣。

「我們非常高興現在擁有這個測試平台，不僅是為了這個 GADTAMS 項目，也是為了未來，」Mather 繼續說道。“它基本上是中壓電力電子開發的家。”