Virtualiųjų elektros gamyklų supratimas ir jų pagrindinė veikla

Kas yra virtualios elektros gamyklės (VPP)?

Virtualiosios energijos gamyklės arba VPP veikia kaip decentralizuotos tinklai, kurie sujungia įvairius paskirstytus energijos šaltinius, tokius kaip stogų saulės elektrinės, baterijų kaupiklių įrenginiai ir net elektriniai automobiliai, į vieną sistemą, reaguojančią į tinklo poreikius. Tradicinės elektrinės negali lygintis su VPP, nes jos remiasi sudėtinga programa ir duomenų analizės įrankiais, kurie valdo kiek energijos yra gaminama, kaupiama ir naudojama skirtingose vietose, apimtinėse teritorijose. Paimkime Vokietiją, kur 2023 metais veikė virtualioji energijos gamykla, kuri valdė apie 650 megavatų atsinaujinančios energijos šaltinių. Tai parodo, kaip tokios sistemos gali būti mastelio, kai reikia tenkinti kintančius elektros poreikius tinkle.

Kaip VPP sujungia paskirstytus energijos šaltinius (DERs)

VPP koordinuoja DERs per realaus laiko duomenų mainus, leidžiant dinamiškai reaguoti į tinklo sąlygas. Į šį sujungimą įtraukiami:

Išteklių tipas	Indėlis į VPP
Saulės/Vėjo	Gamina atsinaujinančią energiją
Baterijos	Kaupkite perteklinę energiją, kai paklausa didžiausia
EV įkrovikliai	Koreguokite įkrovimo ciklus, kai energijos trūksta

Apjungus šiuos objektus, VPP sumažina priklausomybę nuo iškastinio kuro elektros gamyklų. 2024 m. Nacionalinio atsinaujinančios energijos laboratorijos ataskaita parodė, kad sujungti paskirstytoji energijos išteklių gali kompensuoti iki 60 % viršutinio apkrovos lygio aukšto atsinaujinančios energijos tinkle.

Sudėtingų valdymo sistemų vaidmuo VPP veikloje

Šiandien virtualios elektrinės labai priklauso nuo dirbtinio intelekto jų veiklai. Šie išmanieji sistemos prognozuoja energijos vartojimo tendencijas, valdo elektros tiekimą abiem kryptimis per tinklus ir net automatiškai dalyvauja perkant ir parduodant elektrinę energiją. Jos kasdien apdoroja milžinišką informacijos kiekį, kad elektros tinklas nekryptų į chaosą, ypač kai vėjo ir saulės energija tam tikruose regionuose sudaro daugiau nei 40% visos energijos struktūros. Vienas pavyzdys – neseniai atliktas bandomasis projektas, kuriame naudojant specialią internetu sujungtą įrangą pavyko sumažinti tinklo apkrovimą apie 22%. Tai buvo pasiekiama paprasčiausiai numatant, kada paklausa viršys ribą, ir iš anksto prisitaikant prieš tai, kol tinklas tampa perpildytas.

Atsinaujinančios energijos integravimas ir elektros tinklo stabilumo stiprinimas

Saulės ir vėjo energijos svyravimų balansavimas naudojant realaus laiko agregavimą

Virtual Power Plants padeda valdyti saulės ir vėjo energijos svyravimus, sujungiant visas šias išsibarsčiusias energijos šaltinius į vieną veikiančią sistemą. Šios sistemos naudoja sudėtingas kompiuterines programas, kurios analizuoja galimą orų kaitą ir tikrina, kiek elektros šiuo metu reikia žmonėms. Tada jos paskirsto energiją pagal poreikį, kai debesys praeina virš saulės baterijų arba kai vėjas tiesiog nepučia pakankamai stipriai. Kai įtampa krenta, protingi invertoriai gali beveik iš karto koreguoti saulės energijos išvestį. O kai energijos gamyba mažėja, baterijų grupės įjungia atsarginę energiją, kuri gali trukti nuo keturių iki šešių valandų. Pagal 2023 metų Ponemon Institute tyrimus, tokia koordinacija sumažina atsinaujinančios energijos švaistymą maždaug penktadaliu ir leidžia komunalinėms įmonėms sutaupyti apie septynis šimtus keturiasdešimt tūkstančių dolerių kasmet sudėtingose elektros tinklo balansavimo išlaidose.

Stiprinant tinklo patikimumą ir mažinant perkrovimą

Kai energijos paskirstymas decentralizuojamas per VPP, tai padeda išvengti tų bjaurių perdavimo perkrovų, kurias matome, kai visi vienu metu įjungia savo prietaisus. Įvairiose vietose išdėstyti saugojimo sprendimai gali sugerti visą papildomą saulės energiją, gaminamą saulėtų popietių metu, o vėliau šią energiją sugrąžinti į sistemą vakarėjant, kai pakyla paklausa. Tai iš tikrųjų sumažina tinklo užkimštumą maždaug 31 procentu, pagal naujausius tyrimus. Taip pat įspūdingi yra ir naujesni adaptacinės apsaugos sistemos. Jos nustato problemas tinkle apie 40 procentų greičiau nei senosios SCADA sistemos, todėl elektros tiekimo pertraukimai lieka apriboti tik konkrečiose vietose, o ne plinta visur. Pažvelgus į 2024 metų Vokietijos tinklo stabilumo ataskaitą, atsiranda įdomi nuotrauka. Regionai, kuriais buvo įdiegta VPP technologija, pastebėjo transformatorių gedimų sumažėjimą beveik 28 procentais, net tuo metu, kai nuolat augo atsinaujinančiųjų energijos šaltinių naudojimas, pasiekiantis 19 procentų metinį augimą. Tai yra gana reikšminga, atsižvelgiant į tai, kiek papildomos energijos iš atsinaujinančių šaltinių integruojama į tradicinę infrastruktūrą.

Atvejo analizė: VPP padeda didinti atsinaujinančiųjų energijos šaltinių naudą Vokietijoje

2023 meta, kai atsinaujinančios energijos sudarė daugiau nei pusę Vokietijos energijos derinio – 52 %, Virtualiosios energijos jėgainės (VEJ) svarbiai prisidėjo prie nacionalinės elektros tinklo veiklos sklandumo. Šios išmanios sistemos koordinavo apie 8400 decentralizuotų energijos šaltinių, išsibarsčiusių keturiose skirtingose federalinėse valstijose. Taip pat ne taip seniai buvo didelis žieminis uraganas, prisimenate? Na, būtent tada VEJ pavyko perkelti apie 1,2 gigavatvalandžių energijos iš didžiulių pramoninių atsarginių baterijų į gyvenamąsias vietoves, kur žmonėms iš tiesų reikėjo elektros, taupant apie 12 milijonų eurų galimų praradimų dėl elektros tiekimo pertraukimų, kaip nurodyta ataskaitose. Pagal Fraunhofer IEE atliktus tyrimus, nuo 2021 metų stabilizavimo išlaidos sumažėjo maždaug 41 % dėka geresnio dažnio reguliavimo per šiuos virtualius tinklus, o ne per senus dujinius pikinės apkrovos elektrines, kaip anksčiau. Šiuo metu Virtualiosios energijos jėgainės padeda integruoti atsinaujinančią energiją į Vokietijos energijos sistemą apie 42 %, o tai yra geriausias rezultatas visoje Europoje.

Energijos kaupimas ir paklausos reakcija VPP tinkluose

Baterijų energijos kaupimo sistemų (BESS) integravimas pikiniam aprūpinimui

Baterijų kaupimo sistemos šiuolaikiniuose virtualiųjų elektrinių operacijose vaidina svarbų vaidmenį, padedant valdyti atsinaujinančiųjų energijos šaltinių nepastovumą ir tenkinti paklausos šuolius, kai visi grįžta namo nuo darbo. Pernai paskelbta Energy Informatics žurnale atsirado tyrimų, kurie parodė, kad integruojant baterijų kaupimo sistemas sumažėja saulės ir vėjo energijos generavimo svyravimai apie 26 procentų, dėl protingesnio planavimo per skirtingus laikotarpio. Šios sistemos tiesiogiai sugeria perteklinę saulės energiją, gaminamą per pietus, o vėliau tiekia ją atgal į tinklą vakarais, kai elektros kaina pakyla. Tai ne tik padaro visą tinklą stabiliausiu, bet ir sutaupo lėšų, lyginant su senųjų pikinių elektrinių naudojimu, nors faktinės sutaupytos lėšos svyruoja tarp 15 ir 30 procentų, priklausomai nuo vietovės ir rinkos sąlygų.

VPP apkrovos perkėlimo ir antrinio EV baterijų optimizavimas

VPP operatoriai, kurie mąsto į priekį, randa būdų suteikti seniems EV baterijoms antrą gyvenimą perkeldami apkrovas mažesnėmis kainomis. Daugelyje šių perdirbtų sistemų vis dar išlieka apie 60–70 procentų jų pirminės įkrovimo talpos, o tai reiškia, kad įmonės gali sutaupyti apie 40 procentų lyginant su naujų litio jonų sistemų įdiegimu, kaip nurodyta praeito meto Energy Market Analytics ataskaitoje. Naudojant protingas AI prognozes, virtualios energijos gamybos įmonės perkelia elektros suvartojimą nuo brangių pikinių valandų į pigesnes nakties valandas. Tai ne tik sumažina elektros tinklo apkrovą, bet ir padeda vartotojams sutaupyti daugiau pinigų, išlaikant įprastą komforto lygį namuose.

Dinaminis paklausos valdymas ir vartotojų dalyvavimo strategijos

Pagal 2023 metų tinklo inovacijų ataskaitą, namai, dalyvaujantys IoT įgalintose paklausos reakcijos programose, į virtualias energijos jėgaines įtraukiami apie 22 % aktyviau nei tie, kurie naudojasi įprastomis fiksuotomis kainodaros sistemomis. Dėl galimybės realiu laiku stebėti ir protingų įrenginių, kurie automatiškai prisitaiko pagal kainas, šeimos gali sumažinti elektros suvartojimą per aukštojo tarifo valandas nuo 18 % iki 25 %. Sistema veikia dar geriau, kai elektros tinklai patiria didelę įtampą. Taip pat taikoma pakopinė premijavimo struktūra, skatinanti dar labiau mažinti suvartojimą, ką patvirtina Smart Grid Solutions Institute atliktas tyrimas. Jų analizė parodė, kad IoT integruotos virtualios energijos jėgainės inicijuoja paklausos reakcijos veiksmus maždaug 31 % greičiau nei tradicinės sistemos, neįtraukiančios šios technologijos.

Virtual Power Plants in Energy Markets and Economic Optimization

Participation in Electricity Markets and Revenue Generation

Virtualiosios energijos gamyklės keičia energijos rinkų veikimą, sujungiant išsisklaidžiusius energijos šaltinius į kažką didesnio, kas gali konkuruoti vartotojų rinkoje ir teikti papildomas paslaugas, reikalingas elektros tinklui. Šios VPP naudoja protingas matematines priemones, kad išleistų sukauptą energiją, kai rinkoje kyla kainos, kartais uždirbdamos net iki 92 JAV dolerių už megavatvalandę tik už tai, kad padeda išlaikyti elektros sistemą stabiliai, pagal praeitų metų Energy Informatics tyrimus. Jų uždirbimo būdas vyksta per kelias skirtingas kanalų sistemas. Yra dienos planavimas, kai prieš dieną pradedami pateikti pasiūlymai dėl sutarčių, tada yra realaus laiko pirkimasis, kuris vyksta kas minutę per visą dieną. Ir nepamirškime ir paklausos reagavimo programų. Visi šie metodai padeda VPP operatoriams gauti naudą iš įrangos, kuri žmonės kitaip paliktų neaktyvią, pvz., namų saulės elektrinių kartu su baterijomis. Tuo pačiu ši sistema užtikrina, kad tinklui trūkstant energijos, būtų pakankamai galios.

Atvejo analizė: VPP Australijos nacionalinėje elektros rinkoje (NEM)

Australijos nacionalinė elektros rinka tikrai pasiekė pirmos vietos virtualiųjų elektros jėgainių integravimo srityje. Paimkime pavyzdžiui Pietų Australiją, kur 2023 metais 45 megavatų VPP grupė pavyko sukaupti ir tiekti apie 245 megavatvalandės saulės energijos, kai tinklai buvo apkrauti. Tai padėjo išlaikyti dažnį stabilų ties 50 Hz (konkrečiai 49,85 Hz) ir užtikrino apie 18 200 JAV dolerių vertės atsarginės galios mokėjimus. Įdomu tai, kad šis sėkmingas modelis buvo perkeltas į dvylika skirtingų eksperimentinių projektų visoje regione. Šios virtualios elektros jėgainės parodo, kad jos gali sujungti atsinaujinančius energijos šaltinius esamuose rinkos struktūrose, nereikia senųjų centrinės fosilinio kuro jėgainių, kad išlaikytų pusiausvyrą. Ateityje Australijos energetikos rinkos operatorius tikisi, kad iki 2027 metų pabaigos VPP sudarys apie 12 procentų NEM reikalingos galios stabilizavimo galimybių, nors žinoma, visada yra kintamųjų, kurios gali paveikti šią prognozę.

Reguliavimo Barjerai ir Skatinimo Modeliai Rinkos Įėjimui

Virtualiosios energijos gamybos įmonės turi tikrą potencialą, tačiau susiduria su kliūtimis, susijusiomis su reglamentavimu. Daugelis esamų komunalinių paslaugų kainų struktūrų vis dar klasifikuoja sujungtus decentralizuotus energijos išteklius kaip paprastas prekybos apkrovas, o ne tikrus energijos gamybos šaltinius. JAV Energetikos departamentas neseniai išnagrinėjo šią problemą ir nustatė, kad maždaug dvi trečiosios esamų sujungimo taisyklių vis dar taiko ribojančias praktikas. Tačiau Kalifornijoje situacija atrodo geriau. Jų CAISO sistema įgyvendino tai, kas vadinama dinaminėmis eksploatacinėmis apimtimis, kurios iš esmės nustato protingas ribas, kiek energijos gali tekėti į tinklą ir iš jo iš decentralizuotų išteklių. Tik viena šių pokyčių sukėlė milžinišką 210 % virtualiųjų energijos gamybos įmonių dalyvavimo padidėjimą per praėjusiais metais vykusius bandomuosius programos etapus. Atsižvelgiant į sėkmingus kitų šalių modelius, Vokietijoje siūloma pajėgumo apmokestinimą apie 5,3 EUR už kilovatą kasmet. Tuo tarpu rinkos greičiau atsiveria agreguojančioms įmonėms, kurios parodo tvirtas kibernetinio saugumo priemones ir nuoseklius našumo rodiklius.

Technologinių iššūkių įveikimas ir būsimos inovacijos

Kibernetinis saugumas, tarpusavyje veiksmingumas ir duomenų valdymo rizikos

Virtualios elektrinės šiuolaikinėje epochoje susiduria su rimtais kibernetinio saugumo iššūkiais. Pagal Ponemon instituto tyrimus, energijos įmonės vidutiniškai praranda apie 4,7 mln. JAV dolerių, kai patiria kibernetinius atakas. Dėl visų šių decentralizuotų operacijų, tikrai trūksta ryšio ir valdymo sistemų tarp DER (išsisklaidžiusių energijos išteklių) integracijos. Įmonėms šiuo metu reikia geresnių apsaugos priemonių – tokių kaip užtikrinti saugius programinės įrangos atnaujinimus ir turėti patikimus mechanizmus įtartinai veiklai aptikti. Be to, kyla nemažai problemų dėl tarpusavio suderinamumo. Daugelis VPP operatorių susiduria su sunkumais, bandydami pritaikyti senas SCADA sistemas dirbti kartu su naujesnėmis DER technologijomis. Apie 78 % operatorių pagal IEEE 2030.5 standartus patiria didelę įtampą integruodami šias skirtingas platformas. Tampa vis aiškiau, kad suderinamumo klausimai toliau kels grėsmę šiai pramonei, nebent bus rasti geresni sprendimų būdai.

Operacinė rizika	Mažinimo strategija
Duomenų silosai	Vieningos DER metaduomenų žymėjimo sistemos
API pažeidžiamumas	Kvantinės atsparios šifravimo grandinės
Įrenginių heterogeniškumas	Atitinkantis OpenFMB vartotojų įrenginių diegimas

AI valdomas prognozuojantis valdymas mastelio VPP operacijoms

Mokymosi mašina modeliai dabar prognozuoja lokalizuotą DER išvestį su 94 % tikslumu, leidžiant VPP subalansuoti 450 MW portfelius per sub-5 minučių intervalus. Kalifornijos eksperimentinė programa, naudojanti stiprinimo mokymąsi, 2023 metų karščio bangų metu pasiekė 12 % efektyvumo padidėjimą saulės-baterijų valdyme. Atsirandančios technologijos, tokios kaip federatyvinis mokymasis, išlaiko duomenų privatumą, tuo tarpu optimizuojamos elektros tinklo paslaugos per decentralizuotus tinklus.

Pagrindinės naujovės apima:

• Dinaminės DER grupių perkėlimo galios gedimų metu konfigūracija
• Kibernetinio saugumo sustiprinti AI valdikliai, naudojant homomorfinį šifravimą
• Hibridiniai fizikos-ML modeliai, prognozuojantys EV flotilės reakciją į kainų signalus

Šie pasiekimai yra kritiškai svarbūs VPP plėtrai regionuose, siekiančiuose 50 % DER prieigos iki 2030 m.

DŽK apie Virtualiąją energijos gamyklą

Kas tai yra Virtualioji energijos gamykla (VPP)?

Virtualioji energijos gamykla yra decentralizuota tinklo sistema, integruojanti įvairius decentralizuotus energijos šaltinius, tokius kaip saulės elektrinės ir baterijų kaupiklių sistemos, leidžianti jiems kartu veikti kaip vieninga energijos gamybos sistema, reaguojanti į tinklo poreikius.

Kaip Virtualiosios energijos gamyklės padeda stabilizuoti tinklą?

VPP kompensuoja atsinaujinančių energijos šaltinių kintamumą, kaupti decentralizuotus turtus, naudojant pažengusias valdymo sistemas, kad užtikrintų tinklo patikimumą kintantys tiekimo ir paklausos sąlygų metu.

Kokią rolę VPP tinkluose vaidina baterijos?

Baterijos kaupia perteklinę energiją, generuojamą mažo paklausos metu, ir išleidžia ją pikinės paklausos metu, todėl palaikoma tinklo stabilumas ir mažėja priklausomybė nuo fosilinių kurų elektros stotelių.

Ar virtualios energijos elektrinės yra pelno duodančios?

Taip, VPP uždirba pinigų dalyvaudamos elektros rinkose, pateikdamos pasiūlymus prekybos kontraktams ir teikdamos paklausos reakcijos paslaugas, todėl jos yra gyvybingos ekonominės modeliai.

Kokios kliūtys stovi prieš virtualias energijos elektrines?

VPP susiduria su reguliavimo barjerai, kibernetinio saugumo rizika ir integracijos iššūkiai su tradicinėmis tinklo technologijomis.