CWIEME行業白皮書

　　新冠肺炎疫情對變壓器市場的影響是多方面的，錯綜復雜且深遠的。它影響著全球經濟，并逐漸滲透到能源領域，特別是電網市場。從絕對數量上來看，預計到2021年底，全球變壓器市場將恢復到2019年的水平。此外，2020年經歷的交貨時間延誤和供應鏈約束問題基本已經恢復正常，為2021年提供了樂觀的前景。《變壓器市場及組件的發展》白皮書下篇內容涵蓋可再生能源市場滲透、礦物油的替代物、數字化變壓器及固態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，通過減少碳足跡來應對氣候變化。電力行業也在大力推動可再生能源與電網的整合，以減少傳統化石燃料發電(尤其是煤)對環境的有害影響。

　　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，中國和美國的開發商在2020年底完成了創紀錄數量的項目。其中一項為中國的陸上風電項目，它在2020年12月31日這一非常緊迫的調試截止日期前達標完成。盡管受電力需求量下降、供應鏈中斷和世界許多地區的建設項目延期的影響，但長期合同、優先接入電網和新電廠的持續安裝支撐了2020年可再生能源的增長。同時盡管2019年新冠疫情導致經濟發展放緩，但2020年可再生能源領域的投資比2019年增長了約7%。

　　2020年，可再生能源在電力部門總支出(包括基礎網絡設施)中的份額約為45%，主要來自風力發電裝機，尤其是中國和美國。中國新增風電裝機容量達到驚人的72吉瓦，美國緊隨其后，新增陸地風電裝機容量超過15吉瓦。在全球范圍內，2020年風能裝機容量比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。根據國際能源署的數據，2021年可再生能源發電量將進一步增長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增長的一半及以上，預計可再生能源在發電中的份額將達到近30%，太陽能和風能預計將占增長的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的發展，因為全球各地的公共事業設備公司都改進了他們的輸配電基礎設施，以滿足這些注入電網的新電力。到2025年，亞太和歐洲地區的可再生能源產能預計將大幅增加，使它們成為變壓器供應商的熱點。東南亞國家的目標是到2025年，可再生能源在電力結構中的占比達到35%。據估計，這將在該地區創造150GVA新容量。隨著印度正向清潔電力轉型，預計到2030年將增加1270GVA網絡容量。原始設備制造商提供的變壓器與可再生能源(風能和太陽能)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 - 請點擊圖片查看)

　　礦物油的替代物—酯

　　在電網的早期，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，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，如果它被大量地釋放到環境中，會危害環境。如今，市面上出現了以酯為基礎的替代絕緣液，它們被視為更環保的解決方案，具有更好的絕緣性能。

　　在20世紀70年代末，合成酯被開發出來，以取代對消防安全至關重要的變壓器中的PCB基流體。20世紀90年代后期，以可再生種子油為基礎的天然酯作為環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地的市場份額，而在歐洲，合成酯則占主導地位。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。消防安全和環境考慮是促使終端用戶轉向基于酯的變壓器的兩個關鍵因素。之前已經出現許多大型礦物油變壓器火災的實例，對資產和周圍環境造成了重大損害。在2021年4月，紐約的一個變電站發生了變壓器火災，盡管它沒有導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境的破壞，監管機構制定了有關變壓器裝置的消防安全規定。隨著時間的推移，這些規定變得更加嚴格，它們鼓勵公共事業設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有法規。多年來，該條例不斷變化，以改善防火和滿足遏制的需要。在消防安全至關重要的醫院、機場、公共建筑和海上油氣平臺等關鍵設施的室內安裝中，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，預計也將滲透干式變壓器市場。在全球范圍內，電力技術研究院(PTR)預計酯基變壓器將在轉移干式變壓器的市場份額方面發揮重要的作用。

　　成本是限制更廣泛采用基于酯的變壓器的主要因素，只有少數供應商提供基于酯的解決方案。酯基變壓器的價格比常規礦物油變壓器高出20%。許多電力公司已經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濟可行性。

　　美國一家頂級的公共事業設備公司推測，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(如雨淋閥等)，與酯相關的固有防火安全不再需要這些系統，酯基變壓器的總安裝成本可以大幅節省。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備制造商設計更緊湊的變壓器。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。考慮到可以拆除消防安全系統、降低土木工程成本和酯填充變壓器的更長的壽命，電力技術研究院(PTR)預測在未來10年，酯基解決方案將積極滲透變壓器市場。

　　數字化變壓器

　　目前運行的變壓器在調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定值后，當變壓器已經開始惡化時，向操作人員發出警報。因此，持續監控變壓器的健康狀況以確保可靠性是一項操作要求，也是一項繁瑣的任務。避免變壓器意外故障的傳統方法是定期檢查并進行預防性維護。然而，近年來，在為資產管理公司提供可操作的、智能的數據方面，傳感解決方案以其經濟有效且可靠的特點，被證實具有較強的發展前景。據美國能源部表示，在實施數字化的預測性維護后，電力公司的變壓器故障減少了75%。根據實時變壓器運行狀況參數提供及時和準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公司進行的一項研究表明在具有在線監測能力的數字化配電變壓器中，變壓器的故障率降低了近40%，預期壽命提高了50%。數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展和其充電基礎設施的急劇增長的影響，電網動態預計也將發生顯著變化。美國一家頂級的公共事業設備公司進行了一項研究，預測其網絡未來所需的必要投資，并為增加電動汽車集成做好準備。根據該研究結果，到2030年，電力網絡中多達17%(12000個)的服務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，絕大多數電網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，導致變壓器過載，加速變壓器老化，最終導致電網升級。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。私人充電基礎設施通常安裝在家庭、辦公室和倉庫應用，如電動巴士、電動卡車和電動輕型商用車的充電器。公共充電基礎設施則可在道路、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，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。電力技術研究院(PTR)預測，在不久的將來，美國和歐洲地區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，發現當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量多的影響，而且對充電速率也很敏感。預計，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，以避免在短時間內更換或升級變壓器的可能性。電力技術研究院(PTR)預計，從2020-2026年，直流充電點有望以28.9%的復合年增長率滲透電動汽車充電市場。

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　　固態變壓器

　　由于需求模式的變化、更廣泛的電氣化、電動汽車的普及、節能技術的采用以及各種可再生能源的整合，電網目前正在逐步地實現現代化。在這些趨勢的影響下，過時的電網基礎設施的可靠性不再適用。這是因為改變了潮流動力學和物理現象，而電網最初的設計也不是為了適應當前的進步。為了解決這些漏洞，整車廠一直在尋求變壓器控制技術，以在線監測、分析和控制網絡參數。例如，日立ABB電網公司正在與新加坡南洋理工大學的一所領先的研究型大學合作，以推進SST技術的發展。與傳統變壓器相比，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絡互連等優點。其中最主要的優點是尺寸變小，重量變輕，體積變小。在AC/DC應用程序中，相較于傳統的變壓器，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。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，新型高速牽引驅動系統需要一個逆變器單元，一個固態變壓器以及一個牽引電動機，其他關鍵部件的需求預計在未來十年將推動固態變壓器市場蓬勃發展。另一個大力使用SSTs的是風力渦輪機，得益于其靈活性以及可控性。由風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，風能在饋入電網之前由升壓變壓器轉移到靜止同步補償裝置以改善功率因數。但現在，SSTs則可以在替代傳統變壓器和靜止同步補償裝置方面發揮雙重作用，改善無功補償。鑒于中國和印度的市場處于領先地位，考慮到該地區計劃中的風能項目，預計亞太地區將為固態變壓器市場提供重要的增長機會。

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　　由于可再生能源和電動汽車的蓬勃發展，電網動態正在發生巨大變化，迫使公共事業設備公司選擇有功功率控制技術。由于預見到這一點，原始設備制造商正在大力投資開發變壓器的尖端技術。生態可持續性、數字化和SST技術是變壓器市場的主要趨勢。考慮到消防安全系統的拆除，土木工程成本的降低和酯基變壓器壽命的延長，這將是一個生態可持續的選擇。電力技術研究院(PTR)預測，酯油基解決方案將在未來十年積極滲透變壓器市場。數字化使電力公司能夠對變壓器進行高于銘牌額定值的短期或長期操作。通過利用最優的熱條件，用智能傳感器監測關鍵參數，并做出合理的管理決策，公共事業設備公司可以在招標過程中防止變壓器容量規格過高。盡管電網現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。原始設備制造商正在與學術界合作，以改進SSTs的功能和服務。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替換傳統變壓器的商業案例。

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　　《變壓器市場及組件的發展》白皮書