虚拟同步机可以帮助稳定电网

西班牙电网运营商Red Eléctrica自豪地宣布，2025年4月16日工作日，全国半岛系统的电力需求首次完全由可再生能源满足。

仅仅12天后，即4月28日星期一中午12点33分，西班牙和葡萄牙的电网完全崩溃，约有5500万人陷入该地区有史以来最大规模的停电之一。整个城市在白天断电。在马德里、巴塞罗那及其他重要枢纽繁忙的机场，出发公告板一片空白。没电。没有网络。甚至大多数人理所当然的手机服务也严重受损。那只是断开连接和干扰。道路上的红绿灯停止工作，交通拥堵，人们不禁担心电力何时能恢复。

撞击的规模和规模令人不安，但最可怕的是它发生的速度。几分钟内，整个伊比利亚半岛的发电量从约25GW降至不到1.2GW。

虽然这听起来像是一起意外事故，但鉴于过去几十年电网的快速变化，类似事件仍将持续发生。全球范围内，电力系统正从大型集中式发电向多样化、分布式发电源发展，代表着一次重大的范式转变。这不仅仅是“电力”问题，更是“系统”问题。它涉及电网各部分如何相互作用以维持稳定，需要一个整体性的解决方案。

西班牙电网运营商Red Eléctrica自豪地宣布，2025年4月16日工作日，全国半岛系统的电力需求首次完全由可再生能源满足。

仅仅12天后，即4月28日星期一中午12点33分，西班牙和葡萄牙的电网完全崩溃，约有5500万人陷入该地区有史以来最大规模的停电之一。整个城市在白天断电。在马德里、巴塞罗那及其他重要枢纽繁忙的机场，出发公告板一片空白。没电。没有网络。甚至大多数人理所当然的手机服务也严重受损。那只是断开连接和干扰。道路上的红绿灯停止工作，交通拥堵，人们不禁担心电力何时能恢复。

撞击的规模和规模令人不安，但最可怕的是它发生的速度。几分钟内，整个伊比利亚半岛的发电量从约25GW降至不到1.2GW。

虽然这听起来像是一起意外事故，但鉴于过去几十年电网的快速变化，类似事件仍将持续发生。全球范围内，电力系统正从大型集中式发电向多样化、分布式发电源发展，代表着一次重大的范式转变。这不仅仅是“电力”问题，更是“系统”问题。它涉及电网各部分如何相互作用以维持稳定，需要一个整体性的解决方案。

电网正在经历一场巨大的转型——从燃煤和燃气电厂，发展到分布在广阔距离的数百万太阳能电池板和风力涡轮机。它不仅仅是一项技术交换.它完全重新构想了电力的产生、传输和使用方式。如果我们搞错了，就会为像西班牙和葡萄牙那样的灾难性停电埋下伏笔。好消息是，我们伊利诺伊理工学院团队在过去二十年里开发并由我们公司Syndem商业化的解决方案，已经实现了全球标准化，并正逐步进入大规模部署。它被称为虚拟同步机，可能是我们迈向可再生能源未来时保持电力稳定的关键。

可再生能源的快速部署

国际能源署（IEA）制定了2050年实现净零排放的路线图，要求全球近90%的电力发电来自可再生的分布式能源，其中太阳能光伏（PV）和风能占近70%。我们亲眼见证了电力系统从集中式发电向分布式发电的范式转变。

IEA预计，2025年至2030年间可再生能源装机数量将翻倍以上，凸显了将可再生能源顺利整合进现有电网的紧迫性。关键技术细微差别许多分布式能源资源（DER）产生直流电（DC），而电网则使用交流电（AC）。为了将这些资源连接到电网，逆变器将直流电转换为交流电。为了进一步理解这一点，我们需要讨论逆变器技术。

 德克萨斯理工大学贝贝任任教授团队为SYNDEM测试平台构建了包含12个模块和一个变电站模块的模块，该模块由108个转换器组成。 北北任/德克萨斯理工大学

目前部署在现场的大多数逆变器直接控制电流（功率）注入在持续跟随栅极电压的同时连接到栅极，通常称为栅网跟随逆变器。因此，这种类型的逆变器是电流源，意味着其电流受控，但端子电压由连接的对象决定。栅后逆变器依赖稳定的栅极来实现注入电力来自可再生能源，并能正常运行。当网格稳定时这不是问题，但当网格不稳定时，问题就会出现。例如，当电网停电或遭遇严重干扰时，电网跟随逆变器通常会跳闸，意味着它们在电网最需要时无法提供支持。

近年来，针对电网不稳定性的尝试促使形成网格逆变器的出现。顾名思义，这些逆变器可以帮助形成电网。这些通常指控制终端电压的逆变器，包括振幅和频率，间接控制电流注入进入了网格。该逆变器表现为电压源，意味着其端子电压被调节，但电流由连接的对象决定。与跟网逆变器不同，栅网成型逆变器可以独立于电网运行。这使得它们在电网中断或无法使用时非常有用，比如停电时。它们还可以帮助平衡供需，支持电压，甚至在电网停机时重启部分电网。

一个问题是“网格形成”这个词对不同人来说含义不同。其中一些缺乏明确的物理意义或在复杂网格条件下的稳健性能。许多网格形成控制是基于模型的，在大型系统中可能无法适当扩展。因此，这些逆变器的设计和控制方式可能存在显著差异。不同公司生产的网格成形逆变器可能不兼容，尤其是在大型或复杂的电力系统中，这些系统可能包括电网规模的电池系统、高压直流（HVDC）链路、太阳能光伏板和风力涡轮机。术语的模糊性正日益成为网格形成逆变器的障碍，目前尚未发布任何标准。

现代化电网时的系统性挑战

让我们暂时拉远，审视在将现有电网过渡到未来状态时需要解决的更广泛结构性挑战。这一转变通常被称为权力体系的民主化。就像政治中民主意味着每个人都有发言权一样，电力系统的转变意味着每个电网参与者都能发挥作用。政治民主与电力系统的主要区别在于，电力系统需要保持频率和电压的稳定性。如果我们采用纯民主的方式管理电网，将为潜在的系统性失败埋下种子。

第二个系统性挑战是兼容性。现有的电网早就设计给少数大型电厂——而不是为数百万个小型间歇性能源，比如太阳能电池板或风力涡轮机。理想情况下，我们应该建设一个全新的电网以满足当今需求，但那样会带来太多干扰，成本过高，耗时也太长。唯一可行的办法是让各种网格播放器与网格兼容。为了更好地理解这一点，可以考虑调制解调器的发明，它解决了计算机与电话系统之间的兼容性问题，或者USB端口的广泛采用。这些发明使许多设备，如相机、打印机和手机，能够兼容计算机。

第三个系统性挑战是可扩展性。接几块太阳能板到电网是一回事。连接数百万台设备却仍能安全可靠运行，完全不同。这就像遛一只大狗和一次遛数百只吉娃娃一样。未来的电力系统必须采用能够在不同尺度下运行的架构，使电网在需要时能够分拆成更小的电网，或重新连接，作为一个电网自主运行，这一点至关重要。这对于确保在极端天气事件、自然灾害和/或电网故障时的韧性至关重要。

为了应对这些系统性挑战，技术需要经历一次翻天覆地的变革。如今的电网基于电动机，电力由集中式设施中的大型同步机器发电，通常动态较慢。明天的电网将依赖电力电子转换器——小型、分布式且动态快速。这是一个重大变化，我们需要仔细规划。

关键在于同步

传统的化石燃料发电厂使用同步机器发电，因为它们在连接时可以与彼此或电网同步。换句话说，它们自主调节速度和电网频率，围绕预设值，满足电力系统的最高要求。这一同步机制支撑了电网的稳定运行和有机扩展，持续了一个多世纪。因此，在当今电网中保持同步机制对于应对从现有电网过渡到未来的系统性挑战至关重要。

与传统电厂不同，逆变器本身并非同步，但必须同步。关键的实现技术称为v非仪式同步机（VSM）。这些并非真正的机器，而是通过特殊软件代码控制的电力电子转换器，表现得像物理涡轮机一样。你可以把它们看作拥有电力转换器的身体，同时拥有老式同步旋转机的大脑。通过VSM，分布式能源资源可以同步并支持电网，尤其是在意外发生时。

 Syndem的一体化可重构和可编程电力电子转换器教育套件

这自然解决了兼容性和可扩展性的系统性挑战。与传统同步机类似，分布式能源资源现已兼容电网，并可在任何尺度进行集成。但情况会更好。首先，逆变器可以在现有电力系统中添加，而无需重大硬件改动。其次，VSM支持建立小型本地能源网络——称为微电网——这些网络能够独立运行，并在需要时重新连接到主电网。这种灵活性在紧急情况或停电时尤为重要。最后，VSM为惯性问题提供了优雅的解决方案，这种问题传统上由大型纺车提供，有助于缓冲电网免受突发变化的影响。从设计上讲，VSM可以提供类似甚至更好的惯性特性。

VSM有望在未来十年成为主流，部分原因是全球标准的支持。经过多年的努力，IEEE批准并发布了首个全球VSM标准——IEEE标准2988-2024。该会议成员包括与主要制造商有关联的成员，包括通用电气、西门子、日立能源、施耐德电气和伊顿，以及监管机构和公用事业机构，如北美电力可靠性公司（NERC）、中大陆独立系统运营商（MISO）、国家电网、南加州爱迪生、杜克能源公司和Energinet。

整体SYNDEM架构

直到现在，专家们的讨论大多主要集中在能源生产上。但这只是一半的方程——另一半是需求：不同负载如何消耗电力。它们的行为在维持电网稳定性方面也起着关键作用，尤其是在发电依赖间歇性可再生能源时。

负载有许多不同，包括电机、互联网设备和照明等。它们在物理上不同，但技术上有一个共同点：它们前端都会配备整流器，因为电机应用中使用电机驱动（由整流器组成）更高效;互联网设备和LED灯使用直流电，前端还需要整流器。与逆变器类似，这些整流器也可以作为VSM控制，唯一的区别是功率流向不同。整流器消耗电力，逆变器供电。

因此，未来电网中的大多数发电和用电设施都可以配备并统一相同的同步机制，以同步与民主化（SYNDEM）方式维持电网稳定。是的，你没看错。即使是使用电力的设备——如电机、电脑和LED灯——也能通过根据瞬时电网状况自主调整电力需求，在调节电网方面发挥类似的积极作用。较低关键的负载可以根据需要调整更大比例的功率需求，甚至可达100%。相比之下，更关键的负载可以以更小比例调整功率需求，或维持功率需求。因此，SYNDEM电网中的电力平衡不再主要依赖于调节供需，而是动态调整供需，这使得间歇性可再生能源更容易维持电网稳定。

对于许多负载来说，短期内调整需求5%到10%通常不是问题。总体来看，这为电网提供了显著的支持。由于VSM响应迅速，此类负载提供的支撑等同于惯性和/或旋转储备——即非满载同步发电机的额外功率。这可以减少目前电力系统中对大型旋转储备的需求，并减少协调发电设施的工作量。它还减轻了传统大型发电设施退役导致惯性减弱的影响。

在SYNDEM电网中，所有活跃的电网参与者，无论规模大小，无论是传统还是可再生能源，供电还是消费电网，都将遵循统一的SYNDEM法治，并在维护电网稳定、普及电力系统以及为自主运营铺平道路方面扮演同等角色。值得强调的是，自主运营可以在不依赖通信网络或人工干预的情况下实现，从而降低成本并提升安全性。

SYNDEM架构将VSM提升到新的高度，解决了上述三大系统性挑战：民主化、兼容性和可扩展性。通过这种架构，你可以像构建模块一样，在不同尺度上堆叠网格。每个家庭网格可以独立运行，多个家庭网格可以连接形成邻里网格，多个社区网格可以连接形成社区网格，依此类推。此外，这种网格可以根据需要分解成更小的网格，并能自主连接成单一网格，无需更改代码或发出命令。

整体理论已经确立，支持技术已到位，管理标准也得到了批准。然而，在SYNDEM架构中VSM的全面实现依赖于合资企业和全球部署。这不是任何一个团队单独完成的任务。我们必须一起行动。无论你是政策制定者、创新者、投资者，还是仅仅关心维持电力供应的人，你都可以发挥作用。加入我们，让全球电力系统变得稳定、可靠、可持续，最终实现完全自主。