Виртуальные синхронные машины и архитектура SYNDEM для устойчивости энергосетей
Инверторы, управляемые как виртуальные синхронные машины, воспроизводят инерцию обычных турбогенераторов и позволяют подключать возобновляемые источники без потери устойчивости сети. В 2024 году вышел первый международный стандарт на такие инверторы, а в Texas Tech собран испытательный стенд из 108 преобразователей.
Больше десяти лет по всему миру растут как грибы дата-центры, а электрификация охватывает транспорт, умное жильё, промышленность, сельское хозяйство и многие другие отрасли. Вместе эти тенденции резко подняли мировой спрос на электроэнергию. Небывалая потребность заставляет операторов сетей всё активнее обращаться к солнечной и ветровой генерации: такие станции строятся намного быстрее угольных, нефтяных, газовых и атомных и позволяют закрыть сиюминутную нехватку мощности. В результате к сети в больших масштабах подключаются возобновляемые источники энергии, электромобили, умные здания и системы накопления.
По отчёту Международного энергетического агентства (МЭА) за 2025 год, установленная мощность возобновляемой генерации с 2025 по 2030 год более чем удвоится. Там же говорится, что возобновляемые источники обходят уголь и становятся крупнейшим источником выработки электроэнергии в мире — примерного равенства они достигли в 2025 году. Мировая выработка на возобновляемых источниках вырастет примерно на 8% в 2026 году и ещё на 9% в 2027-м. Соответственно их доля в мировой выработке электроэнергии поднимется с 33% в 2025 году до 37% к 2027-му. На этом фоне расширение и модернизация сетей продолжаются, и всё важнее становится умение успешно подключать растущую долю возобновляемой генерации.
За эти годы электросеть превратилась из традиционной централизованной инфраструктуры в динамичную связанную систему, где энергия течёт в разные стороны, а множество участников, операторов и энергокомпаний взаимодействуют через децентрализованную цифровую архитектуру. Более того, по наблюдениям аналитиков вроде Capgemini Research Institute, операторы сетей и руководители дата-центров сходятся в том, что ни один источник энергии в одиночку не обеспечит надёжное питание для новой волны электрификации. Одновременно для подключения всех этих объектов к сети применяются миллионы силовых преобразователей и инверторов. Но такие быстрые перемены создают трудности с устойчивостью, надёжностью, безопасностью и масштабируемостью сети.
VSM и архитектура SYNDEM
Чтобы справиться с этими задачами, исследователи по всему миру разработали несколько передовых технологий. Одна из них — единый интерфейс подключения к сети под названием «виртуальная синхронная машина» (VSM). По сути это силовой преобразователь, управляемый особыми программами так, чтобы он вёл себя как настоящая турбина. Иначе говоря, VSM даёт тело силового преобразователя с мозгом старой вращающейся синхронной машины.
В статье разбираются последние достижения в технологии VSM и показывается, как основанная на ней архитектура сети SYNDEM (синхронизированная и демократизированная), предложенная профессором Цин-Чан Чжуном (Qing-Chang Zhong) из Иллинойсского технологического института, основателем и генеральным директором Syndem LLC, позволяет построить автономную, устойчивую и живучую сеть на силовой электронике. Коммерческая состоятельность такой сети подтверждается рядом реальных применений.
Распределённые источники энергии вырабатывают постоянный ток, а сеть работает на переменном, поэтому для преобразования применяются инверторы. Отсюда и острая потребность плавно встраивать возобновляемую генерацию в существующие сети с их помощью.
Как сказано в статье IEEE Spectrum от 15 декабря 2025 года «Может ли эта технология предотвратить отключения? Виртуальные синхронные машины помогают стабилизировать энергосети», написанной профессором Цин-Чан Чжуном совместно с Жуй Чжуном (Rui Zhong), старшим консультантом Teneo, «инверторы, которыми сегодня подключают распределённые источники к сети, напрямую управляют током (мощностью), отдаваемым в сеть, и при этом постоянно следуют за напряжением сети». Такой инвертор называют ведомым сетью (grid-following, GFL).
В совместной статье профессора Чжуна такой инвертор описан как источник тока, напряжение на выводах которого задаётся сетью, к которой он подключён. Поэтому работа ведомого инвертора зависит от устойчивости сети: когда сеть неустойчива, страдает и он. Например, при отключении сети или сильных возмущениях ведомые инверторы обычно отключаются, то есть не поддерживают сеть именно тогда, когда она больше всего в этом нуждается.
Чтобы справиться с неустойчивостью, в последнее время появился другой вид инвертора — формирующий сеть (grid-forming, GFM), отмечается в статье IEEE Spectrum. Как следует из названия, такие инверторы помогают формировать сеть. В отличие от ведомого, который является источником тока, формирующий инвертор — источник напряжения: он управляет напряжением на своих выводах, включая и амплитуду, и частоту. Коротко говоря, формирующий инвертор ведёт себя как источник напряжения, его выходное напряжение стабилизируется, а ток определяется тем, к чему он подключён, поясняет профессор Чжун.
В отличие от ведомых, формирующие инверторы могут работать независимо от сети. «Это делает их полезными там, где сеть отключилась или недоступна, например при массовых отключениях. Они также помогают балансировать спрос и предложение, поддерживать напряжение и даже перезапускать части сети после аварии», — утверждает профессор Чжун.
При всех достоинствах у формирующих инверторов есть и свои трудности, говорит он. Многие системы управления ими построены на моделях и могут плохо масштабироваться в больших системах. К тому же конструкция и управление у разных производителей сильно различаются, особенно в крупных и сложных энергосистемах: аккумуляторных системах сетевого масштаба, линиях постоянного тока высокого напряжения, солнечных электростанциях и ветроустановках. Вдобавок, замечает профессор Чжун, «эти инверторы не охвачены стандартами».
Между тем традиционные электростанции на ископаемом топливе — угольные, нефтяные и газовые, основной источник выработки для сети, — вырабатывают электроэнергию синхронными машинами. Этот механизм синхронизации больше века обеспечивал устойчивую работу и естественный рост энергосетей. Поэтому «сохранить механизм синхронизации в сегодняшних сетях крайне важно, чтобы решать системные задачи по мере превращения сети в экосистему будущего», подчёркивает профессор Чжун.
По мере развития технологии VSM крупные мировые производители силовой электроники и операторы энергосистем начали внедрять такое управление в инверторы, чтобы подключать распределённые источники и стабилизировать слабые сети. Технология позволяет источникам на основе инверторов воспроизводить физическую инерцию и частотную реакцию обычных вращающихся генераторов. В отличие от традиционных электростанций, инверторы сами по себе не синхронны, но обязаны быть синхронными по напряжению, частоте и фазе с сетью или другими подключёнными источниками, чтобы передавать энергию безопасно и эффективно.
Для принятия и роста любой новой технологии важны стандарты. Поэтому Общество силовой электроники IEEE и его члены, работающие в ключевых компаниях, включая General Electric, Siemens, Hitachi Energy, Schneider Electric и Eaton, вместе с регуляторами и энергокомпаниями, среди которых North American Electric Reliability Corporation (NERC), Midcontinent Independent System Operator (MISO), National Grid, Southern California Edison, Duke Energy Corporation и Energinet, несколько лет работали над первым в мире стандартом на VSM — IEEE Standard 2988-2024.
Утверждение и публикация IEEE Standard 2988-2024 («Рекомендуемая практика применения и функций VSM») дали первую формальную международную основу, определяющую базовые принципы VSM для подключения возобновляемой генерации. По словам профессора Чжуна, «отчасти благодаря поддержке мирового стандарта виртуальные синхронные машины в ближайшее десятилетие станут массовой технологией».
Учебный набор VSM и не только
Чтобы молодые инженеры-электронщики, студенты и исследователи разобрались в инверторах и в том, зачем им управление как у виртуальной синхронной машины, профессор Чжун создал учебный набор SYNDEM для исследований и обучения в области умных сетей. Это многофункциональный силовой преобразователь, на котором можно понять, как подключаются к сети разные возобновляемые источники — солнечные, ветровые, накопители энергии, — а также управляемые нагрузки. Набор перенастраивается более чем в десять различных силовых преобразователей, пригодных для множества применений, и представляет собой законченную учебную платформу.
В набор входит широко применяемая плата контроллера Texas Instruments C2000 controlCARD, он рассчитан на автоматическую генерацию кода средствами MATLAB и Simulink и среды Texas Instruments Code Composer Studio, так что экспериментальные результаты для разных задач получаются уже через часы после моделирования. В комплект входят библиотеки блоков Simulink для всех аппаратных интерфейсов — датчиков напряжения и тока, широтно-импульсной модуляции, цифро-аналогового преобразователя, ключей, реле, светодиодов, — для контроля и записи данных (RS-485, CAN), а также примеры моделей управления, которые пользователь легко подстраивает под свои алгоритмы.
Набор SYNDEM позволяет перепрограммировать и перенастраивать реальное силовое оборудование специальными алгоритмами управления так, чтобы инверторы воспроизводили физику и электромеханическую динамику обычных генераторов с турбинами. На практике пользователь графически собирает или дорабатывает алгоритм управления VSM в Simulink, компилирует модель и прямо из Code Composer Studio загружает полученный машинный код в контроллер Texas Instruments.
Проверка архитектуры SYNDEM и технологии VSM
С момента публикации технологии VSM как единого интерфейса подключения к сети в декабрьском выпуске IEEE Power Electronics Magazine за 2016 год профессор Чжун и его группа показали, что VSM служит стандартизованной основой для сетей на силовой электронике, построенных по архитектуре SYNDEM.
Чтобы проверить работоспособность архитектуры в разных условиях, исследователи создали на базе учебного набора ряд реальных применений. Среди них: умная микросеть SYNDEM из восьми узлов; система из солнечных панелей и аккумуляторов как экологичный, переносной и эффективный способ доставки электроэнергии, позволяющий быстро обеспечить питанием при чрезвычайных ситуациях или после стихийных бедствий; разработка и реализация имитатора солнечной батареи; разработка и реализация полностью твердотельного имитатора ветроустановки; демонстрация крупной умной сети SYNDEM из 108 силовых преобразователей.
Последний пример — крупномасштабная архитектура SYNDEM на 108 учебных наборах — самый свежий. Группа профессора Бэйбэй Жэнь (Beibei Ren) в Техасском технологическом университете собрала 108 реальных силовых преобразователей из 108 стартовых наборов SYNDEM. Стенд включает подстанцию и 12 домовых сетей, распределённых по четырём уровням. Двенадцать преобразователей подстанции (уровни 1 и 2) питают четыре квартальных фидера (уровень 3), каждый из которых обслуживает три домовые сети по восемь преобразователей (уровень 4) — всего 108 реальных силовых преобразователей.
Важной вехой в развитии стенда стало внедрение мониторинга и автоматизации, позволившее управлять всеми 108 преобразователями удалённо. Для этого спроектировали и построили собственную систему диспетчерского управления и сбора данных (SCADA) с удобными человеко-машинными интерфейсами, где в качестве внешней оболочки используется LabVIEW.
Чтобы экспериментально подтвердить работу архитектуры SYNDEM на разных уровнях — с четвёртого по первый, — исследователи провели серию испытаний. Они позволили оценить работу в разных масштабах: отдельной домовой сети, квартальной сети и сети посёлка, в том числе с плавными переходами между автономным и сетевым режимами.
Энергия течёт во все стороны
Новая волна электрификации превращает традиционную централизованную сеть в динамичную связанную систему, где энергия идёт в разные стороны, а множество участников, операторов и энергокомпаний взаимодействуют через децентрализованную цифровую архитектуру. Но эти быстрые перемены создают трудности с устойчивостью, надёжностью, безопасностью и масштабируемостью.
Пока расширение и модернизация сетей продолжаются, чтобы покрыть потребности потребителей во всём мире, всё важнее становится умение встроить растущую возобновляемую генерацию в формирующуюся экосистему сети вместе с умными зданиями, электромобилями и накопителями. Для этого исследователи по всему миру разработали ряд передовых технологий, и одна из них — единый интерфейс подключения к сети VSM, предложенный профессором Чжуном и его группой.
Применяя эту технологию, исследователи подтвердили жизнеспособность архитектуры умной сети SYNDEM с помощью учебного набора, созданного ими для молодых инженеров, исследователей и студентов. Профессор Чжун убеждён, что стандартизация VSM в виде IEEE Std 2988-2024 ускорит переход к синхронизированной и демократизированной архитектуре сети и откроет дорогу живучим автономным энергосистемам, сохранив при этом вековой опыт традиционной энергетики.