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)雜且深遠的。它影響著全球經(jīng)濟，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，尤其是中國和美國。中國新增風(fēng)電裝機容量達到驚人的72吉瓦，美國緊隨其后，新增陸地風(fēng)電裝機容量超過15吉瓦。在全球范圍內(nèi)，2020年風(fēng)能裝機容量比2019年增加了近一倍，達到111吉瓦，而太陽能光伏裝機容量也增加了近四分之一，達到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)電量將進一步增長8%以上，達到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)的可變負載周期兼容，并且能夠在峰值負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行預(yù)防性維護。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)濟有效且可靠的特點，被證實具有較強的發(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行基于其狀況的維護，而不是基于時間的維護，從而優(yōu)化其運營，并將日常維護成本降低近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。基于可達性，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。

(請點擊圖片查看)

　　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、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，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，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會。

(請點擊圖片查看)

(請點擊圖片查看)

　　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?？紤]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SSTs的功能和服務(wù)。改進的功能，如與電動汽車充電器的集成，可能會加強在未來幾年用SSTs替換傳統(tǒng)變壓器的商業(yè)案例。

　　點擊左下方 “閱讀原文” 可下載

　　《變壓器市場及組件的發(fā)展》白皮書