درک نیروگاه‌های برق مجازی و عملکردهای اصلی آن‌ها

نیروگاه‌های برق مجازی (VPPs) چه هستند؟

نیروگاه‌های مجازی یا VPPها به‌عنوان شبکه‌های غیرمتمرکز عمل می‌کنند و منابع مختلف انرژی پراکنده مانند پنل‌های خورشیدی سقفی، واحدهای ذخیره‌سازی باتری و حتی خودروهای برقی را در یک سیستم بزرگ یکپارچه ادغام می‌کنند که به نیازهای شبکه پاسخ می‌دهد. نیروگاه‌های سنتی نمی‌توانند واقعاً با VPPها رقابت کنند، زیرا VPPها به نرم‌افزارهای پیشرفته و ابزارهای تحلیل داده متکی هستند تا میزان انرژی تولیدی، ذخیره‌شده و مصرفی در سراسر مکان‌های مختلف پراکنده در مناطق گسترده را مدیریت کنند. به عنوان مثال، در آلمان در سال 2023 یک نیروگاه مجازی وجود داشت که حدود 650 مگاوات از منابع انرژی تجدیدپذیر را مدیریت می‌کرد. این موضوع نشان می‌دهد که چگونه این سیستم‌ها می‌توانند در پاسخگویی به تقاضاهای نوسانی برق در شبکه قابل گسترش باشند.

نحوه تجمیع منابع انرژی پراکنده (DERs) توسط VPPها

VPPها از طریق تبادل داده‌های در زمان واقعی، DERها را هماهنگ می‌کنند و امکان پاسخ‌های پویا به شرایط شبکه را فراهم می‌کنند. این تجمیع شامل موارد زیر است:

نوع منبع	مساهمت در VPPها
خورشیدی/بادی	تولید انرژی تجدیدپذیر
باتری	ذخیره کردن توان اضافی برای تقاضای اوج
شارژرهای EV	تنظیم چرخه‌های شارژ در زمان کمبودها

با تجمیع این دارایی‌ها، VPPها به کاهش وابستگی به نیروگاه‌های اوج مبتنی بر سوخت‌های فسیلی کمک می‌کنند. گزارش آزمایشگاه انرژی تجدیدپذیر ملی در سال 2024 نشان داد که DERهای تجمیع‌شده می‌توانند تا 60٪ از بار اوج را در شبکه‌های با سهم بالای انرژی تجدیدپذیر جبران کنند.

نقش سیستم‌های کنترل پیشرفته در عملیات VPP

امروزه نیروگاه‌های مجازی برق به شدت به هوش مصنوعی برای عملیات خود متکی هستند. این سیستم‌های هوشمند روند مصرف انرژی را پیش‌بینی می‌کنند، جریان برق را در هر دو جهت در شبکه‌ها مدیریت می‌کنند و حتی به طور خودکار در خرید و فروش برق شرکت می‌کنند. آنها روزانه حجم عظیمی از اطلاعات را پردازش می‌کنند تا از بروز اختلال در شبکه برق جلوگیری کنند، که این امر زمانی اهمیت بیشتری پیدا می‌کند که سهم انرژی بادی و خورشیدی در ترکیب تولید برق در برخی مناطق بیش از ۴۰ درصد باشد. به عنوان مثال، یک پروژه آزمایشی اخیر را در نظر بگیرید که در آن تجهیزات متصل به اینترنت توانستند ترافیک شبکه را حدود ۲۲ درصد کاهش دهند. این کار تنها با پیش‌بینی زمان اوج تقاضا و تنظیم متناسب با آن قبل از ایجاد شلوغی انجام شد.

یکپارچه‌سازی انرژی تجدیدپذیر و بهبود پایداری شبکه

تعادل میان ناپیوستگی‌های خورشیدی و بادی از طریق تجمیع در زمان واقعی

نیروگاه‌های مجازی برق به مدیریت نوسانات تولید انرژی خورشیدی و بادی کمک می‌کنند، با این کار که تمام این منابع انرژی پراکنده را در یک سیستم کارآمد گرد هم می‌آورند. این سیستم‌ها از برنامه‌های کامپیوتری پیشرفته‌ای استفاده می‌کنند که به پیش‌بینی وضعیت هوا می‌پردازند و میزان مصرف واقعی برق توسط مردم را در حال حاضر بررسی می‌کنند. سپس در زمانی که ابرها روی سلول‌های خورشیدی سایه می‌اندازند یا باد به اندازه کافی نمی‌وزد، برق را به جایی که نیاز است هدایت می‌کنند. در زمانی که ولتاژ کاهش یابد، اینورترهای هوشمند می‌توانند خروجی سلول‌های خورشیدی را تقریباً بلافاصله تنظیم کنند. و هنگامی که تولید برق کاهش پیدا کند، گروه‌هایی از باتری‌ها با ارائه برق پشتیبان به مدت چهار تا شش ساعت وارد عمل می‌شوند. طبق گزارشی از موسسه پونمن در سال 2023، این نوع هماهنگی باعث کاهش تقریباً یک پنجمی اتلاف انرژی تجدیدپذیر شده و هزینه‌های مربوط به تعادل‌سازی شبکه را برای شرکت‌های توزیع برق سالانه به میزان ۷۴۰ هزار دلار کاهش می‌دهد.

تقویت قابلیت اطمینان شبکه و کاهش انسدادهای شبکه

هنگامی که توزیع انرژی از طریق VPPها غیرمتمرکز می‌شود، این امر موجب می‌گردد تا از آن بارهای اضافی در خطوط انتقال که در مواقعی اتفاق می‌افتد که همه همزمان دستگاه‌های خود را روشن می‌کنند، جلوگیری شود. راهکارهای ذخیره‌سازی که در مکان‌های مختلف پراکنده شده‌اند قادر به جذب تولید اضافی انرژی خورشیدی در طول روزهای آفتابی و سپس تزریق آن به شبکه در هنگام افزایش تقاضا در عصر هستند. این موضوع در واقع موجب کاهش قابل توجهی در ترافیک شبکه می‌شود، حدود 31 درصد طبق مطالعات اخیر. سیستم‌های حفاظتی پیشرفته نیز بسیار قابل توجه هستند. این سیستم‌ها قادر به شناسایی مشکلات شبکه حدود 40 درصد سریع‌تر از سیستم‌های قدیمی SCADA هستند، که به معنای محدود شدن قطعی‌های برق در مناطق خاص به جای گسترش در سراسر شبکه است. گزارش پایداری شبکه آلمان در سال 2024 تصویر جالبی ارائه می‌دهد. مناطقی که از فناوری VPP بهره می‌برند شاهد کاهش 28 درصدی در شکست‌های ترانسفورماتور بوده‌اند، حتی در حالی که انتگرال‌گیری از منابع تجدیدپذیر با رشدی 19 درصدی در هر سال همراه بوده است. این موضوع بسیار قابل توجه است، زیرا ادغام انرژی‌های تجدیدپذیر فشار زیادی را بر زیرساخت‌های سنتی وارد می‌کند.

مطالعه موردی: پشتیبانی از نفوذ بالای تولید برق از منابع تجدیدپذیر در آلمان توسط VPPها

در سال ۲۰۲۳، زمانی که انرژی‌های تجدیدپذیر بیش از نصف ترکیب انرژی آلمان را با ۵۲٪ تشکیل دادند، نیروگاه‌های مجازی برق (VPPها) نقشی اساسی در ادامه کارکرد هماهنگ شبکه برق ملی ایفا کردند. این سیستم‌های هوشمند حدود ۸۴۰۰ منبع انرژی پراکنده را در چهار منطقه مختلف هماهنگ کردند. همچنین سال گذشته طی یک طوفان بزرگ زمستانی به یادماندنی نیز بود، در آن زمان، VPPها توانستند حدود ۱٫۲ گیگاوات ساعت انرژی از آن باتری‌های اضطراری بزرگ صنعتی را به محله‌هایی که مردم به برق نیاز داشتند منتقل کنند، که طبق گزارش‌ها حدود دوازده میلیون یورو از هزینه‌های بالقوه قطعی برق را ذخیره کرد. بر اساس مطالعات انجام شده توسط مؤسسه فراونهوفر IEE، از سال ۲۰۲۱ تاکنون شاهد کاهش حدود ۴۱٪ در هزینه‌های ثبات برق بوده‌ایم، این کاهش بیشتر به خاطر بهتر شدن کنترل فرکانس از طریق این شبکه‌های مجازی بوده و دیگر به اندازه گذشته به نیروگاه‌های گازی قدیمی متکی نبوده‌ایم. در حال حاضر، نیروگاه‌های مجازی برق در حال کمک به ادغام انرژی‌های تجدیدپذیر در سیستم انرژی آلمان با ۴۲٪ هستند که بهترین عملکرد در سراسر اروپا محسوب می‌شود.

ذخیره انرژی و پاسخ به تقاضا در شبکه‌های نیروگاه‌های مجازی

یکپارچه‌سازی سیستم‌های ذخیره انرژی باتری (BESS) برای پشتیبانی از اوج بار

امروزه سیستم‌های ذخیره باتری نقش کلیدی در عملیات نیروگاه‌های مجازی ایفا می‌کنند، کمک می‌کنند تا نوسانات منابع تجدیدپذیر را مدیریت کنند و در مواقعی که همه از کار به خانه بازمی‌گردند و تقاضا ناگهان افزایش می‌یابد، با آن سروکار داشته باشند. تحقیقات منتشر شده در سال گذشته در مجله انفورماتیک انرژی نشان داده است که یکپارچه‌سازی ذخیره باتری به کاهش نوسانات تولید خورشیدی و بادی به میزان تقریبی 26 درصد کمک می‌کند، این امر بخاطر برنامه‌ریزی هوشمندانه در دوره‌های زمانی مختلف است. این سیستم‌ها در واقع انرژی خورشیدی اضافی تولید شده در ظهر را جذب کرده و سپس آن را در ساعات عصر که قیمت برق افزایش می‌یابد به شبکه بازمی‌گردانند. این رویکرد نه تنها باعث افزایش ثبات کلی شبکه می‌شود، بلکه در مقایسه با بهره‌برداری از نیروگاه‌های قدیمی اوج، منجر به صرفه‌جویی در هزینه‌ها نیز می‌شود، هرچند میزان صرفه‌جویی واقعی بسته به موقعیت جغرافیایی و شرایط بازار بین 15 تا 30 درصد متغیر است.

بهینه‌سازی تغییر بار و استفاده از باتری‌های الکتریکی خودروهای دست دوم در نیروگاه‌های مجازی

اپراتورهای VPP که به فکر آینده هستند، راه‌هایی برای استفاده دوباره از باتری‌های قدیمی EV به منظور تغییر بار با هزینه‌های کمتر پیدا کرده‌اند. اکثر این سیستم‌های استفاده شده هنوز حدود ۶۰ تا ۷۰ درصد از ظرفیت شارژ اولیه خود را حفظ کرده‌اند، که این امر به شرکت‌ها این امکان می‌دهد تا حدود ۴۰ درصد نسبت به نصب سیستم‌های جدید لیتیومی یکپارچه صرفه‌جویی کنند، مطابق گزارش سال گذشته Energy Market Analytics. هنگامی که این سیستم‌ها با پیش‌بینی‌های هوشمند هوش مصنوعی ترکیب شوند، نیروگاه‌های مجازی می‌توانند مصرف برق را از ساعات اوج گران قیمت به بازه‌های شب با قیمت کمتر منتقل کنند. این رویکرد تنها فشار اضافی از روی شبکه برق برداشته نمی‌کند، بلکه به مصرف‌کنندگان کمک می‌کند تا پول بیشتری داشته باشند، بدون اینکه از سطح معمول راحتی خانه‌شان کاسته شود.

استراتژی‌های پاسخگویی پویای تقاضا و مشارکت مصرف‌کننده

طبق گزارش نوآوری در شبکه برق در سال 2023، خانه‌هایی که در برنامه‌های پاسخگویی به تقاضا با قابلیت اینترنت اشیا (IoT) شرکت می‌کنند، در مقایسه با خانه‌هایی که از مدل‌های قیمت‌گذاری ثابت استفاده می‌کنند، حدوداً 22٪ نرخ مشارکت بالاتری در نیروگاه‌های مجازی برق مشاهده می‌کنند. با قابلیت‌های نظارت در زمان واقعی و دستگاه‌های هوشمندی که به صورت خودکار بر اساس قیمت تنظیم می‌شوند، خانواده‌ها می‌توانند مصرف برق خود را در ساعات اوج تا 18 تا 25 درصد کاهش دهند. سیستم در زمان‌هایی که شبکه برق تحت فشار شدید قرار دارد، عملکرد بهتری دارد. ساختار پاداش چندسطحی برای کاهش بیشتر مصرف وجود دارد که با یافته‌های مؤسسه راهکارهای شبکه هوشمند (Smart Grid Solutions Institute) مطابقت دارد. تحلیل آن‌ها نشان داد که نیروگاه‌های مجازی با یکپارچه‌سازی اینترنت اشیا (IoT) حدوداً 31٪ سریع‌تر از سیستم‌های سنتی بدون این فناوری، اقدامات پاسخگویی به تقاضا را آغاز می‌کنند.

نیروگاه‌های مجازی در بازارهای انرژژی و بهینه‌سازی اقتصادی

مشارکت در بازارهای برق و تولید درآمد

نیروگاه‌های مجازی برق با گردآوردن منابع پراکنده انرژی در یک سیستم بزرگ‌تر، باعث تغییر در نحوه کار بازارهای انرژی شده‌اند که این سیستم بزرگ می‌تواند در بازارهای عمده‌فروشی رقابت کند و خدمات اضافی مورد نیاز شبکه را فراهم کند. این نیروگاه‌های VPP از الگوریتم‌های هوشمند در پس‌زمینه استفاده می‌کنند تا در زمان‌هایی که قیمت برق در بازار افزایش می‌یابد، انرژی ذخیره‌شده را وارد شبکه کنند و گاهی اوقات درآمدی معادل ۹۲ دلار در هر مگاوات‌ساعت فقط با کمک به ثبات سیستم برقی کسب کنند، مطابق به تحقیقات انجام‌شده در سال گذشته توسط انفورماتیک انرژی. راه‌های کسب درآمد این سیستم از طریق چندین کانال مختلف است. یکی از آن‌ها برنامه‌ریزی یک روزه است که در آن آن‌ها قبل از شروع روز برای مناقصه‌های قراردادی شرکت می‌کنند، سپس پیشنهادهای لحظه‌ای وجود دارد که در طول روز به صورت دقیقه‌ای انجام می‌شود. همچنین نباید از برنامه‌های پاسخگویی به تقاضا غفلت کرد. تمام این روش‌ها به اپراتورهای VPP کمک می‌کنند تا ارزشی از تجهیزاتی که ممکن است مردم در حالت عادی راکد نگه دارند، مانند پنل‌های خورشیدی خانگی همراه با باتری‌ها، به دست آورند. در عین حال، این ساختار اطمینان حاصل می‌کند که زمانی که عرضه برق در شبکه کم می‌شود، انرژی کافی در دسترس است.

مطالعه موردی: VPPها در بازار ملی برق استرالیا (NEM)

بازار ملی برق استرالیا واقعاً در ادغام نیروگاه‌های مجازی پیشروی برجسته‌ای داشته است. به عنوان مثال، در سال 2023 در جنوب استرالیا، یک خوشه VPP با ظرفیت 45 مگاواتی توانست حدود 245 مگاوات ساعت انرژی خورشیدی را ذخیره و تحویل دهد، زمانی که شبکه تحت فشار بود. این امر به حفظ ثبات فرکانس در حدود 50 هرتز (دقیقاً 49.85 هرتز) کمک کرد و منجر به پرداخت‌های اضطراری به میزان حدود 18,200 دلار استرالیا شد. جالب این است که این مدل موفق در دوازده پروژه نمونه در سراسر منطقه تکرار شده است. این نیروگاه‌های مجازی نشان داده‌اند که می‌توانند منابع تجدیدپذیر را در چارچوب‌های بازار موجود بدون نیاز به نیروگاه‌های مرکزی قدیمی مبتنی بر سوخت‌های فسیلی یکپارچه کنند. به طور پیش‌بینی شده، اپراتور بازار انرژی استرالیا انتظار دارد که این VPPها تا پایان سال 2027 حدود 12 درصد از ظرفیت تثبیت مورد نیاز NEM را فراهم کنند، هرچند متغیرهای مختلفی ممکن است بر این پیش‌بینی تأثیر بگذارند.

محدودیت‌های نظارتی و مدل‌های تشویقی برای ورود به بازار

نیروگاه‌های مجازی پتانسیل واقعی دارند اما در زمینه مقررات با موانعی روبه‌رو می‌شوند. بسیاری از ساختارهای فعلی نرخ‌های خدمات عمومی همچنان منابع انرژی پراکنده جمع‌آوری شده را به عنوان بارهای خرده‌فروشی ساده و نه منابع تولید واقعی طبقه‌بندی می‌کنند. وزارت انرژی ایالات متحده اخیراً به این موضوع پرداخته و دریافت که حدود دو سوم قوانین فعلی اتصال به شبکه همچنان این روش‌های محدودکننده را ادامه می‌دهند. با این حال اوضاع در کالیفرنیا بهتر به نظر می‌رسد. سیستم CAISO آن منطقه چیزی به نام پوشش‌های عملیاتی پویا را اجرا کرده است که در واقع محدوده‌های هوشمندانه‌ای برای مقدار انرژی که می‌تواند از این منابع پراکنده به شبکه وارد یا از آن خارج شود تعیین می‌کند. تنها این تغییر منجر به افزایش چشمگیری به میزان 210 درصد در مشارکت نیروگاه‌های مجازی در برنامه‌های آزمایشی سال گذشته شد. با نگاهی به مدل‌های موفق در سایر نقاط جهان، آلمان پرداختی ظرفیتی حدود ۵.۳ یورو در هر کیلووات به صورت سالانه ارائه می‌دهد. در همین حال، بازارها برای شرکت‌های تجمیع‌کننده‌ای که اثبات کنند اقدامات امنیت سایبری قوی و معیارهای عملکردی پایداری دارند سریع‌تر در حال گشایش هستند.

غلبه بر چالش‌های فناوری و نوآوری‌های آینده

امنیت سایبری، سازگاری‌پذیری و خطرات مدیریت داده‌ها

نیروگاه‌های مجازی امروزه با مشکلات جدی امنیت سایبری مواجه هستند. موسسهٔ Ponemon دریافت که شرکت‌های انرژی معمولاً حدود ۴.۷ میلیون دلار زیان می‌کنند وقتی که دچار حملات سایبری می‌شوند. با توجه به تمام این عملیات‌های توزیع‌شده، شکاف‌های واقعی در نحوهٔ ارتباط و کنترل سیستم‌های DER وجود دارد. شرکت‌ها نیازمند اقدامات بهتری برای حفاظت هستند - مواردی مانند اطمینان از به‌روزرسانی امن فirmware و داشتن سیستم‌های خوب برای تشخیص فعالیت‌های غیرعادی. سپس کل این فوضی سازگاری‌پذیری وجود دارد. بیشتر بهره‌برداران VPP با هماهنگی سیستم‌های قدیمی SCADA با فناوری‌های جدید DER دچار مشکل هستند. حدود ۷۸٪ گزارش داده‌اند که ادغام این پلتفرم‌های مختلف با استاندارد IEEE 2030.5 بسیار دشوار است. این موضوع به‌خوبی مشخص شده است که مسائل سازگاری به معضلی در صنعت تبدیل خواهد شد مگر اینکه راه‌های بهتری برای پیش‌روی پیدا شود.

ریسک عملیاتی	استراتژی کاهش خسارات
درون‌ریزی داده‌ها	سیستم‌های برچسب‌گذاری یکپارچه فراداده منابع توزیع‌شده (DER)
آسیب‌پذیری‌های API	زنجیره‌های رمزنگاری مقاوم در برابر کوانتوم
ناهمگونی دستگاه‌ها	نمونه‌گذاری دروازه‌های مطابق با OpenFMB

کنترل پیش‌بینی مبتنی بر هوش مصنوعی برای عملیات VPP مقیاس‌پذیر

مدل‌های یادگیری ماشینی اکنون خروجی منابع توزیع‌شده محلی را با دقت 94٪ پیش‌بینی می‌کنند و این امکان را فراهم می‌کنند که VPPها بتوانند پرتفوی‌های 450 مگاواتی را در فواصل زمانی کمتر از 5 دقیقه متعادل کنند. یک طرح آزمایشی در کالیفرنیا با استفاده از یادگیری تقویتی، به بهبود 12٪ در بهره‌وری در زمان‌بندی سیستم‌های خورشیدی-باتری در طول موج گرمایی 2023 دست یافت. فناوری‌های نوظهور مانند یادگیری متوزیع‌شده حریم خصوصی داده‌ها را حفظ می‌کنند در حالی که بهینه‌سازی خدمات شبکه را در شبکه‌های غیرمتمرکز انجام می‌دهند.

نوآوری‌های کلیدی شامل:

• بازآرایی پویای خوشه‌های DER در زمان خطا در شبکه
• کنترل‌کننده‌های هوشمند مبتنی بر رمزنگاری همومورفیک برای افزایش امنیت سایبری
• مدل‌های ترکیبی فیزیک-یادگیری ماشینی که پاسخ ناوگان خودروهای برقی به سیگنال‌های قیمتی را پیش‌بینی می‌کنند

این دستاوردها برای گسترش نیروگاه‌های برق مجازی در مناطقی که تا سال 2030 به 50 درصد نفوذ منابع انرژی توزیع‌شده هدف‌گذاری کرده‌اند، حیاتی هستند.

پرسش‌های متداول درباره نیروگاه‌های برق مجازی

نیروگاه برق مجازی (VPP) دقیقاً چیست؟

نیروگاه برق مجازی یک شبکه غیرمتمرکز است که منابع مختلف انرژی توزیع‌شده مانند سیستم‌های خورشیدی و ذخیره‌سازی باتری را در خود ادغام می‌کند و این امکان را فراهم می‌کند که این منابع به‌صورت گروهی مانند یک واحد تولیدی متحد عمل کنند و به نیازهای شبکه پاسخ دهند.

نیروگاه‌های برق مجازی چگونه ثبات شبکه را افزایش می‌دهند؟

نیروگاه‌های برق مجازی با تجمیع دارایی‌های توزیع‌شده، ماهیت متغیر منابع انرژی تجدیدپذیر را تعادل می‌بخشند و از سیستم‌های کنترل پیشرفته برای حفظ قابلیت اطمینان شبکه در شرایط متغیر عرضه و تقاضا استفاده می‌کنند.

باتری‌ها در شبکه‌های VPP چه نقشی ایفا می‌کنند؟

باتری‌ها انرژی اضافی تولید شده در دوره‌های کم‌تقاضا را ذخیره کرده و آن را در زمان‌های اوج تقاضا آزاد می‌کنند، بدین ترتیب ثبات شبکه را حمایت کرده و وابستگی به نیروگاه‌های اوج مبتنی بر سوخت‌های فسیلی را کاهش می‌دهند.

آیا نیروگاه‌های مجازی سودآور هستند؟

بله، VPPها از طریق شرکت در بازارهای برق، شرکت در قراردادهای عمده‌فروشی و ارائه خدمات پاسخگویی به تقاضا، درآمدزایی می‌کنند و مدل‌های اقتصادی پایداری محسوب می‌شوند.

چالش‌هایی که نیروگاه‌های مجازی با آن روبرو هستند چیست؟

VPPها با موانع تنظیمی، ریسک‌های امنیت سایبری و چالش‌های ادغام با فناوری‌های سنتی شبکه روبرو هستند.