变压器供应瓶颈威胁电网稳定：负荷增长下的美国电力系统现代化困境

美国电力系统的现代化进程正因关键新电力变压器供应缓慢而受阻。先进计算与全经济电气化预计将推动电力需求到2030年增长近16%，从而需要更多且更大的变压器——这是根据12月美国国家可再生能源实验室（NREL）的研究。这一需求在极端天气事件（如洛杉矶山火和东海岸飓风）要求重建配电系统的情况下尤为突出。

然而，全球供应链中断持续延缓变压器的获取，而变压器对于稳定电力系统电压和效率至关重要。

“如今订购一台新变压器，交货可能需要长达三年，”美国电气制造商协会（NEMA）政府关系总监Peter Ferrell表示，“五年前，这一等待时间仅为四到六周。”

制造商指出，加快变压器获取需要时间和投资。“短期内，大型投资领域将面临阵痛，项目已被推迟一至两年，”施耐德电气北美变压器业务总经理Jeffrey DeSain表示，“供应链和制造商需要多种投资去风险方案才能赶上需求。”

制造商和分析师认为，负荷增长对现有基础设施的压力可能持续数年，甚至十年以上。与此同时，变压器供应解决方案（如标准化变压器设计或组织并资助储备供应）需要政策制定者的合作，且能否实施尚不确定，许多人表示。

超过8万种变压器类型

电力系统中升压和降压的多种变压器，其交货期存在差异。日立能源北美变压器市场营销与销售主管Doug Wolken指出，在风电和太阳能项目中，小型垫装变压器将电压升至生产现场变电站的中型或大型变压器；天然气、核能和水电站的大型变压器则将电压升至输电系统。

在配电变电站，大型垫装变压器将输电系统电压降至中型或小型垫装变压器；小型杆装或垫装配电变压器则为家庭和企业降压。Wolken补充道。

美国系统在2024年底拥有6000万至8000万台配电变压器，而到2050年的需求“可能比2021年水平增加高达260%”，NREL报告称。该实验室表示，约55%的住宅变压器已接近使用寿命终点，其中许多已超过40年。

根据2024年国家基础设施咨询委员会（NIAC）行业利益相关者报告，美国电力系统中有超过8万种变压器类型。伍德麦肯兹（WoodMac）4月报告显示，大型变压器交货期在80至120周之间；特种电工钢（对降低变压器损耗至关重要）在国内仍昂贵且难以获取。

各制造商放缓情况不一。日立能源的Wolken表示，垫装配电变压器的交货期“是疫情前的两到三倍”，“输电级变压器的交货期现为三年至六年，特种变压器耗时最长。”

公用事业公司普吉特海湾能源（Puget Sound Energy）发言人Andrew Padula确认，部分设备交货期延长。WoodMac供应链数据与分析高级分析师Ben Boucher表示，“现实地看，这些交货期延长在短期内不会改善”，因为其成因正在加剧。

变压器需求增长的驱动因素

制造商和分析师表示，持续负荷增长、老化系统基础设施和日益严重的极端天气事件正推动变压器需求。Xcel Energy发言人Kevin Coss表示，当前短缺始于新冠疫情期间的制造停工和全球供应链放缓；许多因素继续推高变压器需求。

“我们正接近变压器需求前所未有的时期，”NREL高级研究员兼配电边缘集团经理Killian McKenna（变压器供应研究作者）表示。电力需求增长正使接近寿命终点的基础设施承压，来源包括“可再生能源、数据中心、建筑和车辆电气化（如电动汽车充电站和热泵）”。McKenna补充道。

飓风和山火等极端天气事件进一步造成配电系统变压器损失。McKenna表示，更换需求超过公用事业库存，以应对日常故障和新客户请求。飓风海伦妮和米尔顿过后，杜克能源（Duke Energy）需更换约1.6万台变压器——根据其11月收益报告。WoodMac的Boucher指出，这超过其他公用事业一年的需求。

洛杉矶重建尚未真正开始——据市政府官员称。截至2月2日，南加州爱迪生公司（Southern California Edison）员工、承包商和互助伙伴已在伊顿和帕利塞兹山火区域安装近400台变压器，该公用事业发言人Jeffrey Monford报告。

“比特币挖矿、人工智能训练和量子计算、美国制造业回流以及系统现代化计划将带来巨大的新增电力使用，”NEMA的Ferrell表示。需求“在制造基础和供应链规模仅为五年前市场设计的情况下呈指数级飙升。”

由配电系统资源组成的虚拟电厂热潮可能减轻系统压力——开发商称。但电动汽车充电或电热泵带来的显著新增负荷可能需要更大或更多配电变压器，施耐德电气的DeSain、NREL的McKenna等人表示。

在2022-23年对增长需求的延迟反应后，制造商于2024年宣布6亿美元的新变压器产能投资，WoodMac的Boucher称。施耐德电气“正投资数亿美元用于产能扩张”，DeSain补充道。日立能源北美正投资5亿美元用于变压器制造产能（至2027年），Wolken表示；这是15亿美元全球变压器生产投资的一部分，基于预计持续至少10年的需求。

但制造商和分析师表示，这些投资可能不足以满足需求，其他创新方案已被提出。

变压器短缺的解决方案

NIAC报告中描述的七种解决方案中，三种已被制造商、公用事业和其他利益相关者采用。爱迪生电力研究所（EEI）安全与准备高级副总裁Scott Aaronson表示，更准确的需求预测和电力公司、制造商与电工钢等原材料供应商之间的长期协议已在实践中。

针对极端天气事件的公用事业韧性规划已促成“风暴库存”——即配电系统基础设施的内部供应。Aaronson称，“大型公用事业公司可能通过互助网络获得大型电力变压器和1万台以上配电变压器。”

Xcel的Coss表示，综合规划已能预测变压器需求的时间和地点，并与制造商合作确保供应。“直到最近，很少有公用事业、制造商和供应链伙伴建立战略联盟，但五年期计划和长期协议正成为常态，”施耐德电气的DeSain表示。“多年度视角和选择更标准的设计、材料和电子元件可降低风险。”

“更换老化基础设施可能是巨大机遇或错失机遇，”NREL的McKenna表示。“未能预见未来负荷增长和韧性需求的近期决策将带来高劳动力成本”，但为长期需求建设可使其成为一次性成本。

NIAC报告呼吁联邦政策和资金支持扩大变压器生产，这将提交2025年国会，作为刚发布的Moran-Cortez Masto法案。“延长联邦45X国内制造税收抵免将支持更多美国变压器生产，”NEMA的Ferrell表示，并补充说“州或联邦劳动力增长计划可能是最佳政策方案，因为自动化制造如此多独特类型的变压器和组件不现实。”

NIAC报告还提议建立虚拟变压器储备，以美国政府为最后买家。“储备不是实物库存，而是保留备用制造能力的方式，”NEMA的Ferrell表示。“这将是对维持中长期制造能力确定性的承诺，但尚不清楚如何确定所需联邦投资、由谁提供以及如何管理储备。”然而，Aaronson表示，风险很小，因为当前需求增长似乎是长期的。

NIAC报告最重要的提议可能是标准化变压器设计。“标准化将使设备共享更容易，并更快生产更多变压器以满足增长需求，”EEI的Aaronson表示。但由于变压器类型众多，“可能无法显著缩短生产时间，”NEMA的Ferrell表示。公用事业可同意标准规格，“但这将很困难，因为南加州的新公用事业与缅因州的老公用事业运营需求差异很大。”

施耐德电气的DeSain和日立能源的Wolken表示同意。美国电力系统“是世界上最独特的机器之一，变压器针对非常具体的本地配电系统复杂性设计和制造，使标准化成为真正挑战，”Wolken表示。平均而言，每1000台配电变压器中可能有200多种不同设计。Wolken称，“但在公用事业领导下，某些领域可能实现一定程度的标准化。”

即使变压器种类从8万种减少到6万种，“也能使制造过程更高效一些，”EEI的Aaronson表示。标准化可能看似复杂，WoodMac的Boucher表示。但当严重天气事件发生时，公用事业“接受任何能获得的变压器，这表明标准化规格和设计是现实的，且可成为解决当前短缺的关键，”他补充道。