北卡罗来纳州立大学、纽约电力局（NYPA）与美国电力研究院（EPRI）合作，在一条13.2千伏的活跃配电馈线上完成了兆瓦级固态变压器（SST）的实地演示，三方将其称为首次在真实配电条件下对兆瓦级SST进行的独立验证。
这台由北卡罗来纳州立大学研制的原型机被接入EPRI位于马萨诸塞州莱诺克斯的电力传输实验室，在为期三天的现场测试中，该设备为一辆电动汽车供电、注入无功功率以支持电网，并被多次通电和断电。
“这是首次经过独立验证的兆瓦级固态变压器在活跃公用配电馈线上的验证案例，”SST项目首席研究员、北卡罗来纳州立大学电气与计算机工程系Lampe杰出教授Srdjan Lukic表示，“这是推动电力变压器技术发展的重要一步。”
从实验室原型到1兆伏安现场演示
这一成果标志着SST技术的重大跨越，研究人员数十年来一直在追求这种技术，因为它有潜力将电压转换与通常需要独立电力转换和电网支持设备才能实现的功能结合起来。与传统的50赫兹或60赫兹变压器不同，SST采用基于半导体的电力转换器和高频隔离技术，来调节电压、支持双向电力流动、提供交流或直流输出，并管理电能质量。EPRI在2025年12月发布的一份白皮书中指出，以数万赫兹而非电网频率运行变压器，可以大幅减小磁性元件的体积和重量，同时集成的传感和控制系统能够主动管理电力流动。正如POWER此前报道的那样，这些能力已引发数据中心及其他大型直流负载、电动汽车充电、储能、可再生能源集成以及配电网应用领域的关注。
这一概念的历史可追溯得更早。通用电气早在1960年代末就提出了电子变压器的构想，EPRI则于1995年推出了智能通用变压器，并对该概念进行了近二十年的研究。随着半导体和材料技术的进步，相关开发不断加速，但更高功率的中压系统在很大程度上仍停留在原型和小规模演示阶段。EPRI在2025年12月的调研中列出了多种系统，从25千伏安的配电SST、400千瓦的电动汽车充电器，到500千伏安的混合设计，同时指出北卡罗来纳州立大学自身的FREEDM原型已从10千伏安提升至超过20千伏安。
尽管如此，EPRI仍将SST技术定性为“主要处于试点或原型阶段”，并指出扩大功率等级和验证长期性能仍是有待完成的工作。
将SST推向中压领域
北卡罗来纳州立大学的这项工作可追溯至2008年启动的一个由美国国家科学基金会资助的项目。Lukic向POWER表示，当时“我们现在使用的许多元件根本还不存在，甚至在研究领域都很少见，更别说商业化了。”经过多次迭代，FREEDM中心从10千伏安的实验室原型发展到使用15千伏碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）的20千伏安以上系统。EPRI在2025年的评估中指出，这些早期系统证明了高频中压转换的可行性，并为后续设计提供了参考。
NYPA与北卡罗来纳州立大学于2018年开始合作现在的项目，当时双方共同申请了美国能源部（DOE）的支持，以开发一套能够在配电馈线上运行的系统。美国能源部交通技术办公室最初通过DE-EE0008450号奖项资助了这项工作。NYPA为建设和现场测试提供了资金和支持，北卡罗来纳州立大学则负责设计和制造SST的电力电子硬件。NYPA高级研发工程师及该项目负责人Ramadan Elmoudi表示，NYPA的角色包括帮助将大学的研究成果引入实际公用电力环境。
“我们赢得了这个由美国能源部资助的项目，目标是从我们之前建造的实验室原型，发展到能够真正连接到实际配电馈线并在真实环境中运行的系统，”Lukic说，“所以我们把多年来在这些实验原型中积累的知识，最终打造成了这套系统，并在NYPA的帮助和支持下完成了部署。”
北卡罗来纳州立大学还借此项目培养了未来可能推动该技术发展的工程师。“我们的角色实际上是搭建固态变压器，也就是实际的电力电子硬件，”Lukic说，“完成这项工作的不是工程师，而是研究生，他们如今将带着这项技术从学术界走向工业界。”
串联堆叠模块解决电压难题
不过，8月宣布的技术突破主要集中在电网连接方面。Lukic解释说，虽然电力电子转换器在480伏及类似电压等级已经很常见，但将其直接连接到中压配电馈线会带来不同的问题：单个半导体开关器件无法承受电网施加的全部电压。北卡罗来纳州立大学通过一种模块化架构解决了这一限制，即在中压侧将多个较小的电力电子模块串联连接，使馈线电压能够在各模块间分摊。
但串联堆叠又带来了新的工程挑战。“现在的挑战变成了：我们如何协调这些串联连接的模块，更重要的是，我们如何确保中压侧与低压侧之间的隔离，”Lukic说。
团队专门为该系统设计了一台隔离变压器。Lukic称其为“系统中的关键创新之一”，也是“过去几年里我们在NYPA的帮助下解决的最后一个难关”。这种架构还赋予了SST超越电压转换的能力。其电力电子器件可以在电网接口处控制有功和无功功率，这也是莱诺克斯现场测试要直接验证的功能。
在活跃的13.2千伏配电馈线上进行三天测试
需要指出的是，莱诺克斯的测试并非旨在进行满功率测试。由于现场条件限制了负载可用的功率，测试重点转向了SST能否在配电接口处成功运行。“这次演示的关键目标很简单，就是看：我们能否将这套系统连接到配电馈线上，并向负载供电？”Lukic告诉POWER。
该SST被接入一条15千伏级别、线间电压运行在13.2千伏的配电线路。在6月中旬为期三天的测试期间，研究人员至少对系统进行了10次通电和断电操作，同时测试了不同功能和运行模式。SST向现场的一辆电动汽车提供了有功功率，并根据操作指令向馈线注入了无功功率。
“我们证明了不仅可以向车辆输送有功功率，还可以按照系统运营商的指令向电网回送无功功率，”Lukic说，“我们还展示了SST输出的电能质量相当高，无论是谐波失真还是回注电网的电流质量都表现良好。”
与此同时，NYPA在这些操作步骤推进过程中密切关注这套陌生设备的表现。“连接这台设备，不需要看到火花，这本身就是一项重大成就，”Elmoudi说，“能够实现连接和断开，并观察对电网的影响，这一点非常关键。也就是说，把这台设备接入电网后什么都没发生，也没有被电网‘排斥’，这是个好信号。然后再开始接入负载，观察电力流动如何影响电网，以及如何影响SST本身。”
这次测试也让NYPA直接接触到了新一代中压电力电子技术。Elmoudi提到了该机构此前使用堆叠式晶闸管设备进行无功功率控制和电力流动管理的经验，并表示先进的碳化硅器件可以提高效率并缩小设备体积，从而可能拓宽此类系统的应用场景。“正如Srdjan所说，通过堆叠这些电力电子器件，并在中压与这些设备之间实现创新绝缘，这是一个巨大的飞跃，”他说。
SST的效率评估则是单独在实验室中进行的，因为在那里北卡罗来纳州立大学能够更精确地测量电力电子模块。“在实际演示现场，我们并没有专注于测量整个装置从电网到负载的效率，”Lukic说，“原因很简单，这是我们已经在实验室里表征过的内容，而现场使用的测量流程和设备分辨率不足以让我们获得比实验室更好的效率估算或测量结果。”
北卡罗来纳州立大学对单个模块从中压接入端到SST直流母线之间的效率进行了表征。“该效率峰值约为98%，”Lukic表示。他指出，这一数字适用于单模块转换阶段，并不是莱诺克斯完整1兆伏安系统从电网到负载的实测效率。
SST可能的市场方向
目前来看，尽管莱诺克斯的测试结果表明该技术在实验室之外的实地运行中取得了良好进展，但Lukic区分了在目标环境中演示架构与生产出公用电力公司或大型电力用户可以常规采购的设备之间的差距。“我认为从商业化的角度来说，概念验证已经完成，”他指出。
北卡罗来纳州立大学和NYPA自身并不打算将SST商业化。Lukic表示，该项目的部分目的是回答SST开发者与潜在客户之间存在的问题。NYPA将EPRI引入该项目，以扩大这种交流。“EPRI在不同视角和不同领域拥有众多公用电力公司和供应商的资源，”Elmoudi说，“所以希望这能加速这项设备的商业化进程，将其推向可以批量设计和制造的水平。”
潜在市场可能不止于电动汽车充电领域。Lukic认同中压配电、数据中心、可再生能源与储能集成以及微电网都是正在考虑的应用方向。他还提到欧洲对住宅安装的兴趣，在那里减少开关设备、线路和设备占地面积具有重要意义。“当然，最大的应用领域是所有人都在谈论的数据中心，也许那就是能帮助我们更快推动这项技术发展的‘杀手级应用’，”Lukic说。
对于最终需要直流电力的设施而言，一个潜在优势是可以将电压转换和电力转换整合到一个更紧凑的系统中。该大学还指出，对于电力基础设施必须靠近负载布置的大型项目而言，更小的设备占地面积是一项优势。
NYPA则看到了更广泛的配电网角色。“我们通过这个项目的积极成果了解到，固态变压器可以作为我们清洁能源工具箱中的另一种工具，帮助纽约州运营和维护一个紧凑、高效、有韧性的电网，”Elmoudi说。
标准制定与电网生存能力仍是待解难题
不过，要从这次成功的三天现场测试走向常规部署，还需要满足公用电力公司对中压设备在数十年使用寿命期内应能承受的各种条件要求。“我们必须从目前展示系统在目标环境中运行的阶段，发展到让终端用户有信心这些设备能像传统变压器一样使用寿命长久，并且真正把所有故障场景和使用情形都考虑周全并解决，尤其是从安全性和可靠性角度来看，对固态变压器而言更是如此，”Lukic说。
为北卡罗来纳州立大学的设备开发的隔离级是其中一项研发重点。Lukic称其为“一个非常独特且有趣的解决方案”，但表示它仍是“系统中需要在性能要求和认证方面得到充分理解和深入探索的新元件”。
公用电力公司也必须在经历了几代传统变压器和开关设备使用经验之后，逐渐适应将半导体电子设备直接置于配电系统接口的做法。“另一个关键因素是让公用电力公司的人员对这种设备感到放心，相信它确实能够在电网上经受住各种问题的考验，”Lukic说。
EPRI在12月发布的白皮书中列出了一个广泛的测试议程，包括不同负载条件下的效率、控制验证、过压和欠压耐受能力、短路和过载保护、雷击和操作过电压、谐波失真、热循环、加速老化、环境测试、安全与合规性、通信以及网络安全。该白皮书还指出，成本、可靠性、标准和互操作性是制约中压设备更广泛部署的障碍。
Elmoudi还补充说，标准化是当前最迫切的缺口之一。“我认为下一个重大步骤将是标准化，因为我们目前还没有任何针对SST的标准，”他说。他建议IEEE或其他标准化组织制定相关要求，涵盖“如何设计、如何制造、如何测试，以及如何调试和维护”。
他指出，在异常电网条件下的保护和生存能力同样是根本性的问题。“如果发生雷击，SST会怎样？如果出现穿越性故障，SST又会怎样？所有这些问题都需要得到解答，”Elmoudi说，“我们需要把这项技术展示给行业，邀请他们参与创新与合作。”
Q&A
Q1：固态变压器与传统变压器相比有什么优势？
A：固态变压器采用半导体电力转换器和高频隔离技术，能够将电压转换与电力转换、无功功率支持等功能整合在一起，同时体积和重量比传统50/60赫兹变压器更小，还能提供交流或直流输出并管理电能质量。
Q2：这次兆瓦级固态变压器测试具体做了什么？
A：北卡罗来纳州立大学研制的兆瓦级固态变压器被接入EPRI位于马萨诸塞州莱诺克斯实验室的13.2千伏活跃配电馈线，三天内完成了至少10次通断电操作，为一辆电动汽车供电，并按指令向电网注入无功功率。
Q3：固态变压器距离商业化还有多远？
A：目前概念验证已经完成，但要实现商业化还需要解决标准化、长期可靠性验证、故障场景应对以及让公用电力公司对该设备的安全性和可靠性建立信心等问题，相关测试和标准制定工作仍在进行中。