西班牙電網運營商Red Eléctrica自豪地宣布，2025年4月16日工作日，全國半島系統的電力需求首次完全由可再生能源滿足。

僅僅12天后，即4月28日星期一中午12點33分，西班牙和葡萄牙的電網完全崩潰，約有5500萬人陷入該地區有史以來最大規模的停電之一。整個城市在白天斷電。在馬德里、巴塞羅那及其他重要樞紐繁忙的機場，出發公告板一片空白。沒電。沒有網絡。甚至大多數人理所當然的手機服務也嚴重受損。那只是斷開連接和干擾。道路上的紅綠燈停止工作，交通擁堵，人們不禁擔心電力何時能恢復。

撞擊的規模和規模令人不安，但最可怕的是它發生的速度。幾分鐘內，整個伊比利亞半島的發電量從約25GW降至不到1.2GW。

雖然這聽起來像是一起意外事故，但鑒于過去幾十年電網的快速變化，類似事件仍將持續發生。全球范圍內，電力系統正從大型集中式發電向多樣化、分布式發電源發展，代表著一次重大的范式轉變。這不僅僅是“電力”問題，更是“系統”問題。它涉及電網各部分如何相互作用以維持穩定，需要一個整體性的解決方案。

西班牙電網運營商Red Eléctrica自豪地宣布，2025年4月16日工作日，全國半島系統的電力需求首次完全由可再生能源滿足。

僅僅12天后，即4月28日星期一中午12點33分，西班牙和葡萄牙的電網完全崩潰，約有5500萬人陷入該地區有史以來最大規模的停電之一。整個城市在白天斷電。在馬德里、巴塞羅那及其他重要樞紐繁忙的機場，出發公告板一片空白。沒電。沒有網絡。甚至大多數人理所當然的手機服務也嚴重受損。那只是斷開連接和干擾。道路上的紅綠燈停止工作，交通擁堵，人們不禁擔心電力何時能恢復。

撞擊的規模和規模令人不安，但最可怕的是它發生的速度。幾分鐘內，整個伊比利亞半島的發電量從約25GW降至不到1.2GW。

雖然這聽起來像是一起意外事故，但鑒于過去幾十年電網的快速變化，類似事件仍將持續發生。全球范圍內，電力系統正從大型集中式發電向多樣化、分布式發電源發展，代表著一次重大的范式轉變。這不僅僅是“電力”問題，更是“系統”問題。它涉及電網各部分如何相互作用以維持穩定，需要一個整體性的解決方案。

電網正在經歷一場巨大的轉型——從燃煤和燃氣電廠，發展到分布在廣闊距離的數百萬太陽能電池板和風力渦輪機。它不僅僅是一項技術交換.它完全重新構想了電力的產生、傳輸和使用方式。如果我們搞錯了，就會為像西班牙和葡萄牙那樣的災難性停電埋下伏筆。好消息是，我們伊利諾伊理工學院團隊在過去二十年里開發并由我們公司Syndem商業化的解決方案，已經實現了全球標準化，并正逐步進入大規模部署。它被稱為虛擬同步機，可能是我們邁向可再生能源未來時保持電力穩定的關鍵。

可再生能源的快速部署

國際能源署（IEA）制定了2050年實現凈零排放的路線圖，要求全球近90%的電力發電來自可再生的分布式能源，其中太陽能光伏（PV）和風能占近70%。我們親眼見證了電力系統從集中式發電向分布式發電的范式轉變。

IEA預計，2025年至2030年間可再生能源裝機數量將翻倍以上，凸顯了將可再生能源順利整合進現有電網的緊迫性。關鍵技術細微差別許多分布式能源資源（DER）產生直流電（DC），而電網則使用交流電（AC）。為了將這些資源連接到電網，逆變器將直流電轉換為交流電。為了進一步理解這一點，我們需要討論逆變器技術。

 德克薩斯理工大學貝貝任任教授團隊為SYNDEM測試平臺構建了包含12個模塊和一個變電站模塊的模塊，該模塊由108個轉換器組成。 北北任/德克薩斯理工大學

目前部署在現場的大多數逆變器直接控制電流（功率）注入在持續跟隨柵極電壓的同時連接到柵極，通常稱為柵網跟隨逆變器。因此，這種類型的逆變器是電流源，意味著其電流受控，但端子電壓由連接的對象決定。柵后逆變器依賴穩定的柵極來實現注入電力來自可再生能源，并能正常運行。當網格穩定時這不是問題，但當網格不穩定時，問題就會出現。例如，當電網停電或遭遇嚴重干擾時，電網跟隨逆變器通常會跳閘，意味著它們在電網最需要時無法提供支持。

近年來，針對電網不穩定性的嘗試促使形成網格逆變器的出現。顧名思義，這些逆變器可以幫助形成電網。這些通常指控制終端電壓的逆變器，包括振幅和頻率，間接控制電流注入進入了網格。該逆變器表現為電壓源，意味著其端子電壓被調節，但電流由連接的對象決定。與跟網逆變器不同，柵網成型逆變器可以獨立于電網運行。這使得它們在電網中斷或無法使用時非常有用，比如停電時。它們還可以幫助平衡供需，支持電壓，甚至在電網停機時重啟部分電網。

一個問題是“網格形成”這個詞對不同人來說含義不同。其中一些缺乏明確的物理意義或在復雜網格條件下的穩健性能。許多網格形成控制是基于模型的，在大型系統中可能無法適當擴展。因此，這些逆變器的設計和控制方式可能存在顯著差異。不同公司生產的網格成形逆變器可能不兼容，尤其是在大型或復雜的電力系統中，這些系統可能包括電網規模的電池系統、高壓直流（HVDC）鏈路、太陽能光伏板和風力渦輪機。術語的模糊性正日益成為網格形成逆變器的障礙，目前尚未發布任何標準。

現代化電網時的系統性挑戰

讓我們暫時拉遠，審視在將現有電網過渡到未來狀態時需要解決的更廣泛結構性挑戰。這一轉變通常被稱為權力體系的民主化。就像政治中民主意味著每個人都有發言權一樣，電力系統的轉變意味著每個電網參與者都能發揮作用。政治民主與電力系統的主要區別在于，電力系統需要保持頻率和電壓的穩定性。如果我們采用純民主的方式管理電網，將為潛在的系統性失敗埋下種子。

第二個系統性挑戰是兼容性。現有的電網早就設計給少數大型電廠——而不是為數百萬個小型間歇性能源，比如太陽能電池板或風力渦輪機。理想情況下，我們應該建設一個全新的電網以滿足當今需求，但那樣會帶來太多干擾，成本過高，耗時也太長。唯一可行的辦法是讓各種網格播放器與網格兼容。為了更好地理解這一點，可以考慮調制解調器的發明，它解決了計算機與電話系統之間的兼容性問題，或者USB端口的廣泛采用。這些發明使許多設備，如相機、打印機和手機，能夠兼容計算機。

第三個系統性挑戰是可擴展性。接幾塊太陽能板到電網是一回事。連接數百萬臺設備卻仍能安全可靠運行，完全不同。這就像遛一只大狗和一次遛數百只吉娃娃一樣。未來的電力系統必須采用能夠在不同尺度下運行的架構，使電網在需要時能夠分拆成更小的電網，或重新連接，作為一個電網自主運行，這一點至關重要。這對于確保在極端天氣事件、自然災害和/或電網故障時的韌性至關重要。

為了應對這些系統性挑戰，技術需要經歷一次翻天覆地的變革。如今的電網基于電動機，電力由集中式設施中的大型同步機器發電，通常動態較慢。明天的電網將依賴電力電子轉換器——小型、分布式且動態快速。這是一個重大變化，我們需要仔細規劃。

關鍵在于同步

傳統的化石燃料發電廠使用同步機器發電，因為它們在連接時可以與彼此或電網同步。換句話說，它們自主調節速度和電網頻率，圍繞預設值，滿足電力系統的最高要求。這一同步機制支撐了電網的穩定運行和有機擴展，持續了一個多世紀。因此，在當今電網中保持同步機制對于應對從現有電網過渡到未來的系統性挑戰至關重要。

與傳統電廠不同，逆變器本身并非同步，但必須同步。關鍵的實現技術稱為v非儀式同步機（VSM）。這些并非真正的機器，而是通過特殊軟件代碼控制的電力電子轉換器，表現得像物理渦輪機一樣。你可以把它們看作擁有電力轉換器的身體，同時擁有老式同步旋轉機的大腦。通過VSM，分布式能源資源可以同步并支持電網，尤其是在意外發生時。

 Syndem的一體化可重構和可編程電力電子轉換器教育套件

這自然解決了兼容性和可擴展性的系統性挑戰。與傳統同步機類似，分布式能源資源現已兼容電網，并可在任何尺度進行集成。但情況會更好。首先，逆變器可以在現有電力系統中添加，而無需重大硬件改動。其次，VSM支持建立小型本地能源網絡——稱為微電網——這些網絡能夠獨立運行，并在需要時重新連接到主電網。這種靈活性在緊急情況或停電時尤為重要。最后，VSM為慣性問題提供了優雅的解決方案，這種問題傳統上由大型紡車提供，有助于緩沖電網免受突發變化的影響。從設計上講，VSM可以提供類似甚至更好的慣性特性。

VSM有望在未來十年成為主流，部分原因是全球標準的支持。經過多年的努力，IEEE批準并發布了首個全球VSM標準——IEEE標準2988-2024。該會議成員包括與主要制造商有關聯的成員，包括通用電氣、西門子、日立能源、施耐德電氣和伊頓，以及監管機構和公用事業機構，如北美電力可靠性公司（NERC）、中大陸獨立系統運營商（MISO）、國家電網、南加州愛迪生、杜克能源公司和Energinet。

整體SYNDEM架構

直到現在，專家們的討論大多主要集中在能源生產上。但這只是一半的方程——另一半是需求：不同負載如何消耗電力。它們的行為在維持電網穩定性方面也起著關鍵作用，尤其是在發電依賴間歇性可再生能源時。

負載有許多不同，包括電機、互聯網設備和照明等。它們在物理上不同，但技術上有一個共同點：它們前端都會配備整流器，因為電機應用中使用電機驅動（由整流器組成）更高效;互聯網設備和LED燈使用直流電，前端還需要整流器。與逆變器類似，這些整流器也可以作為VSM控制，唯一的區別是功率流向不同。整流器消耗電力，逆變器供電。

因此，未來電網中的大多數發電和用電設施都可以配備并統一相同的同步機制，以同步與民主化（SYNDEM）方式維持電網穩定。是的，你沒看錯。即使是使用電力的設備——如電機、電腦和LED燈——也能通過根據瞬時電網狀況自主調整電力需求，在調節電網方面發揮類似的積極作用。較低關鍵的負載可以根據需要調整更大比例的功率需求，甚至可達100%。相比之下，更關鍵的負載可以以更小比例調整功率需求，或維持功率需求。因此，SYNDEM電網中的電力平衡不再主要依賴于調節供需，而是動態調整供需，這使得間歇性可再生能源更容易維持電網穩定。

對于許多負載來說，短期內調整需求5%到10%通常不是問題。總體來看，這為電網提供了顯著的支持。由于VSM響應迅速，此類負載提供的支撐等同于慣性和/或旋轉儲備——即非滿載同步發電機的額外功率。這可以減少目前電力系統中對大型旋轉儲備的需求，并減少協調發電設施的工作量。它還減輕了傳統大型發電設施退役導致慣性減弱的影響。

在SYNDEM電網中，所有活躍的電網參與者，無論規模大小，無論是傳統還是可再生能源，供電還是消費電網，都將遵循統一的SYNDEM法治，并在維護電網穩定、普及電力系統以及為自主運營鋪平道路方面扮演同等角色。值得強調的是，自主運營可以在不依賴通信網絡或人工干預的情況下實現，從而降低成本并提升安全性。

SYNDEM架構將VSM提升到新的高度，解決了上述三大系統性挑戰：民主化、兼容性和可擴展性。通過這種架構，你可以像構建模塊一樣，在不同尺度上堆疊網格。每個家庭網格可以獨立運行，多個家庭網格可以連接形成鄰里網格，多個社區網格可以連接形成社區網格，依此類推。此外，這種網格可以根據需要分解成更小的網格，并能自主連接成單一網格，無需更改代碼或發出命令。

整體理論已經確立，支持技術已到位，管理標準也得到了批準。然而，在SYNDEM架構中VSM的全面實現依賴于合資企業和全球部署。這不是任何一個團隊單獨完成的任務。我們必須一起行動。無論你是政策制定者、創新者、投資者，還是僅僅關心維持電力供應的人，你都可以發揮作用。加入我們，讓全球電力系統變得穩定、可靠、可持續，最終實現完全自主。