CWIEME行業(yè)白皮書

　　新冠肺炎疫情對變壓器市場的影響是多方面的，錯綜復(fù)雜且深遠(yuǎn)的。它影響著全球經(jīng)濟(jì)，并逐漸滲透到能源領(lǐng)域，特別是電網(wǎng)市場。從絕對數(shù)量上來看，預(yù)計到2021年底，全球變壓器市場將恢復(fù)到2019年的水平。此外，2020年經(jīng)歷的交貨時間延誤和供應(yīng)鏈約束問題基本已經(jīng)恢復(fù)正常，為2021年提供了樂觀的前景?！蹲儔浩魇袌黾敖M件的發(fā)展》白皮書下篇內(nèi)容涵蓋可再生能源市場滲透、礦物油的替代物、數(shù)字化變壓器及固態(tài)變壓器這四個主要市場趨勢。

　　可再生能源的市場滲透率

　　在具有里程碑意義的《巴黎協(xié)定》之后，世界各國政府都制定了雄心勃勃的可再生能源目標(biāo)，通過減少碳足跡來應(yīng)對氣候變化。電力行業(yè)也在大力推動可再生能源與電網(wǎng)的整合，以減少傳統(tǒng)化石燃料發(fā)電(尤其是煤)對環(huán)境的有害影響。

　　可再生能源已被證明不受新冠疫情影響，同時受補貼政策逐步截止的影響，到2020年新增裝機(jī)容量將超過1億吉瓦。受政策期限的影響，中國和美國的開發(fā)商在2020年底完成了創(chuàng)紀(jì)錄數(shù)量的項目。其中一項為中國的陸上風(fēng)電項目，它在2020年12月31日這一非常緊迫的調(diào)試截止日期前達(dá)標(biāo)完成。盡管受電力需求量下降、供應(yīng)鏈中斷和世界許多地區(qū)的建設(shè)項目延期的影響，但長期合同、優(yōu)先接入電網(wǎng)和新電廠的持續(xù)安裝支撐了2020年可再生能源的增長。同時盡管2019年新冠疫情導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)發(fā)展放緩，但2020年可再生能源領(lǐng)域的投資比2019年增長了約7%。

　　2020年，可再生能源在電力部門總支出(包括基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施)中的份額約為45%，主要來自風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)，尤其是中國和美國。中國新增風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到驚人的72吉瓦，美國緊隨其后，新增陸地風(fēng)電裝機(jī)容量超過15吉瓦。在全球范圍內(nèi)，2020年風(fēng)能裝機(jī)容量比2019年增加了近一倍，達(dá)到111吉瓦，而太陽能光伏裝機(jī)容量也增加了近四分之一，達(dá)到127吉瓦。根據(jù)國際能源署的數(shù)據(jù)，2021年可再生能源發(fā)電量將進(jìn)一步增長8%以上，達(dá)到8300太瓦時。2021年，可再生能源推動了全球電力供應(yīng)增長的一半及以上，預(yù)計可再生能源在發(fā)電中的份額將達(dá)到近30%，太陽能和風(fēng)能預(yù)計將占增長的2/3。到2021年，僅中國就可能占到全球可再生電力增長的近一半，美國、歐盟和印度緊隨其后。

　　可再生能源的普及也極大地推動了變壓器行業(yè)的發(fā)展，因為全球各地的公共事業(yè)設(shè)備公司都改進(jìn)了他們的輸配電基礎(chǔ)設(shè)施，以滿足這些注入電網(wǎng)的新電力。到2025年，亞太和歐洲地區(qū)的可再生能源產(chǎn)能預(yù)計將大幅增加，使它們成為變壓器供應(yīng)商的熱點。東南亞國家的目標(biāo)是到2025年，可再生能源在電力結(jié)構(gòu)中的占比達(dá)到35%。據(jù)估計，這將在該地區(qū)創(chuàng)造150GVA新容量。隨著印度正向清潔電力轉(zhuǎn)型，預(yù)計到2030年將增加1270GVA網(wǎng)絡(luò)容量。原始設(shè)備制造商提供的變壓器與可再生能源(風(fēng)能和太陽能)的可變負(fù)載周期兼容，并且能夠在峰值負(fù)荷下維持更長的運行時間，將能夠獲得大部分市場份額。

(各國可再生能源政策的實施目標(biāo) - 請點擊圖片查看)

　　礦物油的替代物—酯

　　在電網(wǎng)的早期，礦物油就被用于變壓器的絕緣和冷卻。盡管礦物油是一種有效的冷卻劑和電介質(zhì)，但與其他替代燃料相比，它更易著火。加上其不可生物降解的性質(zhì)，如果它被大量地釋放到環(huán)境中，會危害環(huán)境。如今，市面上出現(xiàn)了以酯為基礎(chǔ)的替代絕緣液，它們被視為更環(huán)保的解決方案，具有更好的絕緣性能。

　　在20世紀(jì)70年代末，合成酯被開發(fā)出來，以取代對消防安全至關(guān)重要的變壓器中的PCB基流體。20世紀(jì)90年代后期，以可再生種子油為基礎(chǔ)的天然酯作為環(huán)保解決方案被引入變壓器市場。天然酯更適合用于密封型變壓器，而合成酯則適用于密封型和呼吸型變壓器。盡管在過去的幾十年里，合成和天然酯都是并行發(fā)展的。但與合成酯相比，基于天然酯的電力變壓器在美洲擁有多數(shù)地的市場份額，而在歐洲，合成酯則占主導(dǎo)地位。此外，合成酯主要是用于新的變壓器裝置，而不是對舊的變壓器裝置進(jìn)行改造。消防安全和環(huán)境考慮是促使終端用戶轉(zhuǎn)向基于酯的變壓器的兩個關(guān)鍵因素。之前已經(jīng)出現(xiàn)許多大型礦物油變壓器火災(zāi)的實例，對資產(chǎn)和周圍環(huán)境造成了重大損害。在2021年4月，紐約的一個變電站發(fā)生了變壓器火災(zāi)，盡管它沒有導(dǎo)致任何重大的電力中斷事件，但造成了2.5萬美元的損失。為了確保操作人員的安全和防止環(huán)境的破壞，監(jiān)管機(jī)構(gòu)制定了有關(guān)變壓器裝置的消防安全規(guī)定。隨著時間的推移，這些規(guī)定變得更加嚴(yán)格，它們鼓勵公共事業(yè)設(shè)備單位采用基于酯的變壓器。在倫敦的一個歷史遺址，五個礦物油變壓器最近被重新填充合成酯，因為它們的安裝不再符合現(xiàn)有法規(guī)。多年來，該條例不斷變化，以改善防火和滿足遏制的需要。在消防安全至關(guān)重要的醫(yī)院、機(jī)場、公共建筑和海上油氣平臺等關(guān)鍵設(shè)施的室內(nèi)安裝中，干式變壓器通常比油式變壓器更受歡迎。然而，酯基變壓器具有更好的防火性能，預(yù)計也將滲透干式變壓器市場。在全球范圍內(nèi)，電力技術(shù)研究院(PTR)預(yù)計酯基變壓器將在轉(zhuǎn)移干式變壓器的市場份額方面發(fā)揮重要的作用。

　　成本是限制更廣泛采用基于酯的變壓器的主要因素，只有少數(shù)供應(yīng)商提供基于酯的解決方案。酯基變壓器的價格比常規(guī)礦物油變壓器高出20%。許多電力公司已經(jīng)進(jìn)行了全生命周期的成本分析，以驗證集成式酯基變壓器的經(jīng)濟(jì)可行性。

　　美國一家頂級的公共事業(yè)設(shè)備公司推測，使用酯填充的新變壓器，其壽命將增加33%。通過移除主動滅火系統(tǒng)(如雨淋閥等)，與酯相關(guān)的固有防火安全不再需要這些系統(tǒng)，酯基變壓器的總安裝成本可以大幅節(jié)省。同樣，使用酯基流體，多個變壓器可以安裝在一個住房，可以顯著降低土木工程成本。

　　此外，先進(jìn)的酯熱性能允許原始設(shè)備制造商設(shè)計更緊湊的變壓器。提供更高的kVA額定從值而減少的占地面積，有助于降低制造成本?？紤]到可以拆除消防安全系統(tǒng)、降低土木工程成本和酯填充變壓器的更長的壽命，電力技術(shù)研究院(PTR)預(yù)測在未來10年，酯基解決方案將積極滲透變壓器市場。

　　數(shù)字化變壓器

　　目前運行的變壓器在調(diào)試時大多裝有基本傳感器。這些傳感器最多只能在達(dá)到某個設(shè)定值后，當(dāng)變壓器已經(jīng)開始惡化時，向操作人員發(fā)出警報。因此，持續(xù)監(jiān)控變壓器的健康狀況以確?？煽啃允且豁棽僮饕?，也是一項繁瑣的任務(wù)。避免變壓器意外故障的傳統(tǒng)方法是定期檢查并進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)。然而，近年來，在為資產(chǎn)管理公司提供可操作的、智能的數(shù)據(jù)方面，傳感解決方案以其經(jīng)濟(jì)有效且可靠的特點，被證實具有較強(qiáng)的發(fā)展前景。據(jù)美國能源部表示，在實施數(shù)字化的預(yù)測性維護(hù)后，電力公司的變壓器故障減少了75%。根據(jù)實時變壓器運行狀況參數(shù)提供及時和準(zhǔn)確的信息可以幫助針對負(fù)載和老化問題做出明智的決策。一家獨立的咨詢和工程服務(wù)公司進(jìn)行的一項研究表明在具有在線監(jiān)測能力的數(shù)字化配電變壓器中，變壓器的故障率降低了近40%，預(yù)期壽命提高了50%。數(shù)字變壓器提供的可操作的信息將使電力公司能夠進(jìn)行基于其狀況的維護(hù)，而不是基于時間的維護(hù)，從而優(yōu)化其運營，并將日常維護(hù)成本降低近50%。受電動汽車的快速發(fā)展和其充電基礎(chǔ)設(shè)施的急劇增長的影響，電網(wǎng)動態(tài)預(yù)計也將發(fā)生顯著變化。美國一家頂級的公共事業(yè)設(shè)備公司進(jìn)行了一項研究，預(yù)測其網(wǎng)絡(luò)未來所需的必要投資，并為增加電動汽車集成做好準(zhǔn)備。根據(jù)該研究結(jié)果，到2030年，電力網(wǎng)絡(luò)中多達(dá)17%(12000個)的服務(wù)變壓器因超載而需要更換。這反映了基于一輛新能源汽車的需求，更換變壓器的成本約為100美元。目前，絕大多數(shù)電網(wǎng)都有足夠的承載能力，但電動汽車的增加會使峰值負(fù)荷需求上升，導(dǎo)致變壓器過載，加速變壓器老化，最終導(dǎo)致電網(wǎng)升級?；诳蛇_(dá)性，電動汽車充電器可分為私人充電器和公共充電器。私人充電基礎(chǔ)設(shè)施通常安裝在家庭、辦公室和倉庫應(yīng)用，如電動巴士、電動卡車和電動輕型商用車的充電器。公共充電基礎(chǔ)設(shè)施則可在道路、高速公路、加油站、超市和機(jī)場等場地使用。隨著越來越多的電動乘用車上路，對更高充電功率和更短充電時間的需求呈指數(shù)增長。一般情況下，交流充電器和低功耗直流充電器不需要升級電網(wǎng)，但總充電容量達(dá)到1MW及以上的充電集線器則需要升級電網(wǎng)。電力技術(shù)研究院(PTR)預(yù)測，在不久的將來，美國和歐洲地區(qū)的商用車和公交車將迅速電氣化，這將極大地推動變壓器市場的發(fā)展。模擬一種典型配電變壓器在不同電動汽車穿透比下的老化趨勢，發(fā)現(xiàn)當(dāng)電動汽車穿透比達(dá)到30%時，與未充電情況相比，可使配電變壓器的老化速度加快近40%。此外，變壓器老化是敏感的，不僅是受電動汽車充電站數(shù)量多的影響，而且對充電速率也很敏感。預(yù)計，與充電速度相對較慢的交流充電器相比，充電斜坡率較高的直流充電器對變壓器健康的影響更大。因此，目前即將上線的變壓器規(guī)格將需要考慮高電動汽車充電負(fù)荷，特別是快速直流充電點，以避免在短時間內(nèi)更換或升級變壓器的可能性。電力技術(shù)研究院(PTR)預(yù)計，從2020-2026年，直流充電點有望以28.9%的復(fù)合年增長率滲透電動汽車充電市場。

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　　固態(tài)變壓器

　　由于需求模式的變化、更廣泛的電氣化、電動汽車的普及、節(jié)能技術(shù)的采用以及各種可再生能源的整合，電網(wǎng)目前正在逐步地實現(xiàn)現(xiàn)代化。在這些趨勢的影響下，過時的電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的可靠性不再適用。這是因為改變了潮流動力學(xué)和物理現(xiàn)象，而電網(wǎng)最初的設(shè)計也不是為了適應(yīng)當(dāng)前的進(jìn)步。為了解決這些漏洞，整車廠一直在尋求變壓器控制技術(shù)，以在線監(jiān)測、分析和控制網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。例如，日立ABB電網(wǎng)公司正在與新加坡南洋理工大學(xué)的一所領(lǐng)先的研究型大學(xué)合作，以推進(jìn)SST技術(shù)的發(fā)展。與傳統(tǒng)變壓器相比，SST具有無功補償、諧波失真降低、智能保護(hù)、故障穿越控制、不同頻率和電壓的網(wǎng)絡(luò)互連等優(yōu)點。其中最主要的優(yōu)點是尺寸變小，重量變輕，體積變小。在AC/DC應(yīng)用程序中，相較于傳統(tǒng)的變壓器，大約一半的電損耗和三分之一的體重及體積的減少，是由于使用SST技術(shù)。以其更低的重量/體積比以及高功率密度的特點，SSTs在高鐵、高速列車以及大功率電力機(jī)車被廣泛使用。此外，新型高速牽引驅(qū)動系統(tǒng)需要一個逆變器單元，一個固態(tài)變壓器以及一個牽引電動機(jī)，其他關(guān)鍵部件的需求預(yù)計在未來十年將推動固態(tài)變壓器市場蓬勃發(fā)展。另一個大力使用SSTs的是風(fēng)力渦輪機(jī)，得益于其靈活性以及可控性。由風(fēng)能的間歇性特性引起的電壓波動可以通過SSTs來抑制，不需要額外的無功補償器。通常情況下，風(fēng)能在饋入電網(wǎng)之前由升壓變壓器轉(zhuǎn)移到靜止同步補償裝置以改善功率因數(shù)。但現(xiàn)在，SSTs則可以在替代傳統(tǒng)變壓器和靜止同步補償裝置方面發(fā)揮雙重作用，改善無功補償。鑒于中國和印度的市場處于領(lǐng)先地位，考慮到該地區(qū)計劃中的風(fēng)能項目，預(yù)計亞太地區(qū)將為固態(tài)變壓器市場提供重要的增長機(jī)會。

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　　由于可再生能源和電動汽車的蓬勃發(fā)展，電網(wǎng)動態(tài)正在發(fā)生巨大變化，迫使公共事業(yè)設(shè)備公司選擇有功功率控制技術(shù)。由于預(yù)見到這一點，原始設(shè)備制造商正在大力投資開發(fā)變壓器的尖端技術(shù)。生態(tài)可持續(xù)性、數(shù)字化和SST技術(shù)是變壓器市場的主要趨勢。考慮到消防安全系統(tǒng)的拆除，土木工程成本的降低和酯基變壓器壽命的延長，這將是一個生態(tài)可持續(xù)的選擇。電力技術(shù)研究院(PTR)預(yù)測，酯油基解決方案將在未來十年積極滲透變壓器市場。數(shù)字化使電力公司能夠?qū)ψ儔浩鬟M(jìn)行高于銘牌額定值的短期或長期操作。通過利用最優(yōu)的熱條件，用智能傳感器監(jiān)測關(guān)鍵參數(shù)，并做出合理的管理決策，公共事業(yè)設(shè)備公司可以在招標(biāo)過程中防止變壓器容量規(guī)格過高。盡管電網(wǎng)現(xiàn)代化提供了靈活性和潛在的好處，但SSTs的成本更高，壽命更短，這對廣泛采用SSTs提出了挑戰(zhàn)。原始設(shè)備制造商正在與學(xué)術(shù)界合作，以改進(jìn)SSTs的功能和服務(wù)。改進(jìn)的功能，如與電動汽車充電器的集成，可能會加強(qiáng)在未來幾年用SSTs替換傳統(tǒng)變壓器的商業(yè)案例。

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　　《變壓器市場及組件的發(fā)展》白皮書