Разбиране на виртуалните електроцентрали и тяхната основна функционалност

Какво представляват виртуалните електроцентрали (VPP)?

Виртуалните електроцентрали или ВЕЦ функционират като децентрализирани мрежи, които обединяват различни разпределени енергийни ресурси като слънчеви панели на покриви, батерийни съоръжения за съхранение и дори електрически превозни средства в една голяма система, която отговаря на нуждите на мрежата. Традиционните електроцентрали не могат да се сравняват, защото ВЕЦ разчитат на сложни софтуерни и инструменти за анализ на данни, за да управляват количеството енергия, което се генерира, съхранява и използва в различни локации, разпръснати на големи площи. Вземете Германия например, където през 2023 г. е работела виртуална електроцентрала, която е управлявала около 650 мегавата възобновяеми енергийни източници. Това показва колко мащабируеми могат да бъдат тези системи, когато става въпрос да се задоволят колеблещите се електрически нужди на мрежата.

Как ВЕЦ агрегират разпределените енергийни ресурси (РЭР)

ВЕЦ координират РЭР чрез обмен на данни в реално време, което позволява динамичен отговор на условията в мрежата. Тази агрегация включва:

Тип ресурс	Принос към ВЕЦ
Слънчева/ветровата	Генериране на възобновяема енергия
Батерии	Съхранявайте излишна енергия за високото търсене
EV зарядни устройства	Регулирайте циклите на зареждане по време на недостиг

Чрез консолидиране на тези активи, виртуалните централи намаляват зависимостта от пикови електроцентрали, използващи изкопаеми горива. Доклад на Националната лаборатория за възобновяема енергия от 2024 г. установи, че агрегираните разпределени енергийни ресурси могат да компенсират до 60% от пиковото натоварване в мрежи с високо съдържание на възобновяема енергия.

Ролята на напредналите системи за управление в операциите на виртуални централи

Днешните виртуални електроцентрали силно разчитат на изкуствен интелект за операциите си. Тези интелигентни системи предвиждат тенденциите в потреблението на енергия, управляват двупосочното движение на електроенергия по мрежите и дори автоматично участват в покупката и продажбата на електричество. Те обработват огромни обеми от информация всеки ден, просто за да предотвратят хаос в електрическата мрежа, което става изключително важно, когато вятърната и слънчевата енергия представляват повече от 40% от енергийния микс в определени региони. Вземете един сравнително нов тестов проект, при който специално интернет свързано оборудване намали проблемите с мрежовия трафик с около 22%. Това беше постигнато просто чрез предвиждане на моментите на високото търсене и съответното регулиране преди нещата да се усложнят.

Интегриране на възобновяема енергия и подобряване на стабилността на мрежата

Балансиране на променливостта на слънчевата и вятърна енергия чрез агрегиране в реално време

Виртуалните електроцентрали помагат при управлението на колебанията на слънчевата и вятърна енергия, като обединяват всички тези разпръснати източници на енергия в една работеща система. Тези системи използват сложни компютърни програми, които анализират какво може да се случи с времето и проверяват колко електричество всъщност е необходимо в момента. След това разпределят енергията по нуждите, когато облаци минават пред слънчевите панели или когато вятърът просто не духа достатъчно силно. Когато напрежението падне, умни инвертори могат почти мигновено да коригират изхода на слънчевите панели. А когато производството намалее, групи от батерии осигуряват резервно захранване, което може да продължи от четири до шест часа. Според проучване от Института Понемън от 2023 г., този вид координация намалява загубите на възобновяема енергия с около една пета и спестява на енергийните компании приблизително 740 хиляди долара всяка година за сложните разходи при балансирането на мрежата.

Подсилване на надеждността на мрежата и намаляване на задръстванията

Когато разпределението на енергия става декентрализирано чрез виртуални енергийни ресурсни паркове (VPP), това помага да се избегнат неприятните претоварвания в мрежата, които се наблюдават, когато всички включат електрическите си уреди едновременно. Решенията за съхранение на енергия, разпределени в различни локации, могат да усвоят излишната слънчева енергия, генерирана в слънчевите следобеди, и след това да я върнат в системата вечер, когато търсенето рязко нарасне. Това наистина значително намалява натовареността на мрежата – с около 31 процента според последни проучвания. Новите адаптивни защитни системи също са доста впечатляващи. Те откриват проблеми в мрежата около 40 процента по-бързо в сравнение с традиционните системи SCADA, което означава, че прекъсванията на захранването остават ограничени в определени райони, вместо да се разпространят навсякъде. Преглеждайки доклада за стабилността на електропреносната мрежа в Германия от 2024 г., се получава интересна картина. Регионите, оборудвани с технологии на VPP, отбелязаха намаление на повреди в трансформаторите с почти 28 процента, дори и при постоянно увеличаване на дела на възобновяемите източници, достигайки годишен ръст от 19 процента. Това е доста забележително, като се има предвид колко много интегрирането на възобновяема енергия натоварва традиционната инфраструктура.

Пример за анализ: ВРР поддържа високо проникване на възобновяеми източници в Германия

През 2023 г., когато възобновяемите източници съставиха над половината от енергийния микс на Германия с 52%, Виртуалните електроцентрали (VPP) изиграха ключова роля за поддържането на гладко функциониране на националната електроразпределителна мрежа. Тези интелигентни системи координираха около 8400 разпределени енергийни ресурса, разпръснати в четири различни провинции. Спомнете си също онази голяма зимна буря миналата година? По това време VPP успяха да преместят приблизително 1,2 гигаватчаса електроенергия от тези големи индустриални резервни батерии към квартали, където хората наистина се нуждаеха от ток, спестявайки около дванадесет милиона евро потенциални разходи от прекъсвания, според доклади. Според проучвания, направени от Института Фраунхофер IEE, през последните години сме видели намаляване на разходите за стабилизиране с приблизително 41% благодарение на по-доброто регулиране на честотата чрез тези виртуални мрежи, вместо да разчитаме толкова силно на старомодните газови пикови електроцентрали както преди. В момента Виртуалните електроцентрали помагат за интегрирането на възобновяеми източници в енергийната система на Германия с около 42%, което е най-доброто постижение в Европа досега.

Съхранение на енергия и отговор на търсенето в мрежи на виртуални централни електрически станции (VPP)

Интегриране на системи за съхранение на енергия в батерии (BESS) за подкрепа на пикове

Системите за съхранение на енергия в батерии заемат ключова роля в операциите на виртуални централни електрически станции днес, като помагат за управление на непредсказуемия характер на възобновяемите източници и за удовлетворяване на внезапните върхове в търсенето, когато всички се прибират от работа. Проучване, публикувано миналата година в списание Energy Informatics, установи, че интегрирането на батерийни системи за съхранение намалява колебанията в генерацията от слънце и вятър с около 26%, благодарение на по-умното планиране през различни периоди. Тези системи по същество абсорбират излишната слънчева енергия, генерирана в обедните часове, и я връщат в мрежата, когато цените на електроенергията се покачат вечер. Това не само прави цялата електрическа мрежа по-стабилна, но и води до икономии в сравнение с използването на традиционните пикови електроцентрали, въпреки че реалните икономии варира между 15% и 30% в зависимост от местоположението и пазарните условия.

Оптимизация на преместването на натоварването и повторна употреба на батерии от електромобили във VPP мрежи

Операторите на виртуални електроцентрали, които мислят напред, намират начини да дават втори живот на старите батерии от електромобили за преместване на натоварвания при по-ниски разходи. Повечето от тези повторно използвани системи все още запазват около 60 до 70 процента от първоначалния си капацитет за заряд, което означава, че компаниите могат да спестят около 40% в сравнение с монтирането на напълно нови литиево-йонни инсталации, според доклад на Energy Market Analytics от миналата година. Когато се комбинират с прогнози, базирани на изкуствен интелект, виртуалните електроцентрали преместват потреблението на електричество извън скъпите часове на въртене към по-евтините нощни периоди. Този подход не само намалява натиска върху електрическата мрежа, но и помага на потребителите да спестят повече пари, без да жертват обичайното ниво на комфорт у дома.

Динамичен отговор на търсенето и стратегии за участие на потребителите

Според доклада за иновации в електропреносната мрежа от 2023 г., домакинствата, участващи в програми за отклик на търсенето с поддръжка на интернет на нещата (IoT), демонстрират с около 22% по-високи нива на ангажираност във виртуални електроцентрали в сравнение с тези, използващи обикновени фиксирани цени. Благодарение на възможностите за наблюдение в реално време и на умни устройства, които автоматично се настройват според цените, семействата могат да намалят потреблението си на електроенергия през пиковите часове с между 18% и 25%. Системата работи още по-добре по време на сериозни натоварвания в мрежата. Съществува структура с нива на възнаграждения за по-големи намаления в потреблението, което съответства на това, което Институтът за решения за умни мрежи е открил в своите изследвания. Анализът им показа, че виртуалните електроцентрали с интегриран IoT инициират действия за отклик на търсенето приблизително с 31% по-бързо в сравнение с традиционни системи, които не използват тази технология.

Виртуални електроцентрали в енергийните пазари и икономическа оптимизация

Участие в електроенергийни пазари и генериране на приходи

Виртуалните електроцентрали променят начина, по който работят пазарите на енергия, като обединяват разпределени енергийни ресурси в нещо по-голямо, което може действително да конкурира на пазарите на едро и да осигурява допълнителните услуги, от които мрежата има нужда. Тези виртуални електроцентрали използват интелигентни математически методи в сървъра, за да изпращат съхранена електроенергия, когато цените на пазара скочат, понякога печелейки дори по 92 долара на мегаватчас само за това, че помагат системата да остане стабилна, според проучване на Energy Informatics от миналата година. Начинът, по който те печелят пари, минава през няколко различни канала. Има предварителни действия за предстоящия ден, където се правят оферти за договори още преди деня да започне, след това има реално търгуване, което се случва минута по минута през целия ден. И не трябва да забравяме и програмите за отклик на търсенето. Всички тези методи помагат на операторите на виртуални електроцентрали да извличат стойност от оборудване, което хората биха оставили без употреба, като тези домашни слънчеви панели, комбинирани с батерии. В същото време тази структура гарантира, че когато мрежата има недостиг на електроенергия, ще има достатъчно налична мощност.

Пример за изследване: Виртуални централи за захранване (VPP) на пазара на електроенергия в Австралия (NEM)

Пазарът на електроенергия в Австралия действително се развива като пионер в интегрирането на виртуални централи. Вземете Южна Австралия като пример, където през 2023 г. кластер от виртуални централи с капацитет 45 мегавата всъщност е успял да съхрани и достави около 245 мегаватчаса слънчева енергия, когато мрежата е била под натиск. Това е помогнало за поддържане на стабилна честота малко под 50 Hz (конкретно 49,85) и е осигурило компенсаторни плащания за около 18 200 долара. Интересното е, че този успешен модел е копиран в дванадесет различни пилотни проекти в региона. Тези виртуални централи показват, че могат да обединят възобновяеми ресурси в рамките на съществуващите пазарни структури, без да се налага използването на старомодни централни заводи с изкопаеми горива за балансиране. Прогнозира се, че към края на 2027 г. австралийският оператор на енергиен пазар очаква тези виртуални централи да допринесат около 12 процента от необходимата стабилизираща мощност на Националния енергиен пазар, въпреки че разбира се винаги има променливи, които могат да повлияят на тази прогноза.

Регулаторни бариери и модели за стимулиране на пазарния достъп

Виртуалните електроцентрали имат реален потенциал, но срещат пречки, когато става въпрос за регулациите. Много от съществуващите тарифни структури на енергийни компании все още класифицират агрегирани разпределени енергийни ресурси като обикновени рознични натоварвания, вместо като действителни източници на генериране на енергия. Наскоро Департаментът на енергетиката на САЩ изследва този въпрос и установи, че приблизително две трети от действащите правила за свързване продължават да прилагат ограничителни практики. Положението е по-добро в Калифорния. Тяхната система CAISO внедри нещо, наречено динамични оперативни обвивки, които поставят умни ограничения относно колко енергия може да навлиза в мрежата и да излиза от нея от тези разпределени ресурси. Само тази промяна доведе до значително увеличение с 210% в участието в програмите за виртуални електроцентрали по време на миналогодишни пилотни програми. Като се изучат успешните модели в други държави, Германия предлага плащания за капацитет от около €5,3 на киловат годишно. Междувременно пазарите се отварят по-бързо за агрегаторски компании, които демонстрират здрави мерки за киберсигурност и постоянни показатели за представяне.

Преодоляване на технологичните предизвикателства и бъдещи иновации

Киберсигурност, съвместимост и рискове при управлението на данни

Виртуалните електроцентрали в момента срещат сериозни проблеми с киберсигурността. Според Института Понемън, енергийните компании обикновено губят около 4.7 милиона долара при кибератаки. Поради всички тези разпределени операции, наистина съществуват пропуски в начина, по който DER комуникират и управляват системите си. Компаниите се нуждаят от по-добри защитни мерки повече от всякога - неща като сигурно обновяване на фърмуера и добри системи за идентифициране на необичайна активност. Съществува и цялата каша със съвместимостта. Повечето оператори на VPP се затрудняват да накарат старите системи SCADA да работят заедно с по-новите DER технологии. Около 78% от тях съобщават за сериозни проблеми при интегрирането на тези различни платформи според стандартите IEEE 2030.5. Става все по-очевидно, че проблемите със съвместимостта ще продължат да преследват индустрията, освен ако не намерим по-добри начини за напредък.

Оперативен риск	Стратегия за смекчаване
Данни в изолация	Обединени системи за маркиране на метаданни на разпределени енергийни ресурси (DER)
Уязвимости в API	Кверумно-устойчиви верижни кодировки
Разнородност на устройствата	Внедряване на шлюзове, съвместими с OpenFMB

Контрол, изведнъж от изкуствен интелект, за прогнозиране и мащабируемо управление на виртуални енергийни заводи (VPP)

Модели с машинно обучение вече прогнозират изхода на локализираните разпределени енергийни ресурси с точност от 94%, което позволява на виртуалните енергийни заводи да балансират портфолиа от 450 MW на интервали под пет минути. Пилотен проект в Калифорния, използващ обучение чрез подкрепа, постигна 12% повишаване на ефективността при управлението на слънчеви-батерийни системи по време на вълните от горещина през 2023 г. Нови технологии, като обучение в облак (federated learning), запазват поверителността на данните, докато оптимизират енергийните услуги в разпределени мрежи.

Основни иновации включват:

• Динамично преформулиране на групи разпределени енергийни ресурси при мрежови повреди
• Контролери с изкуствен интелект, засилени по отношение на киберсигурността, използващи хомоморфно криптиране
• Хибридни физически-машинни модели, прогнозиращи реакцията на електромобилния флот на ценови сигнали

Тези постижения са критични за мащабирането на Виртуалните електроцентрали в региони, насочени към 50% проникване на разпределени енергийни ресурси до 2030 г.

Често задавани въпроси за Виртуалните електроцентрали

Какво точно представлява Виртуална електроцентрала (ВЕЦ)?

Виртуална електроцентрала е децентрализирана мрежа, която интегрира различни разпределени енергийни ресурси като слънчеви панели и системи за съхранение на енергия в батерии, което им позволява колективно да функционират като обединена електрогенерираща единица, отразяваща нуждите на мрежата.

Как Виртуалните електроцентрали подобряват стабилността на мрежата?

ВЕЦ компенсират променливия характер на възобновяемите енергийни източници чрез агрегиране на разпределени активи, като използват напреднали системи за управление, за да осигурят надеждност на мрежата при колебания в предлагането и търсенето.

Каква роля играят батериите в мрежите на Виртуалните електроцентрали?

Батериите съхраняват излишна енергия, генерирана в периоди с ниско търсене, и я освобождават по време на високо търсене, подпомагайки стабилността на мрежата и намалявайки зависимостта от пикови електроцентрали, използващи изкопаеми горива.

Изгодни ли са виртуалните електроцентрали?

Да, ВЕЦ генерират приходи чрез участие в пазари на електроенергия, подаване на оферти за дългосрочни договори и предлагане на услуги за управление на търсенето, което ги прави жизнеспособни икономически модели.

Какви са някои предизвикателства, с които се сблъскват виртуалните електроцентрали?

ВЕЦ се сблъскват с регулаторни бариери, рискове от кибератаки и предизвикателства при интегрирането с традиционни мрежови технологии.