Использование виртуальных электростанций для агрегирования мощности газовых электростанций

Введение: рост виртуальных электростанций

Глобальная энергетическая система претерпевает глубокую трансформацию, поскольку сети интегрируют растущие доли переменной возобновляемой генерации от ветра и солнца. Этот сдвиг создает насущную потребность в гибкой, диспетчерской мощности для баланса спроса и предложения в режиме реального времени. Электростанции природного газа долгое время служили основой для надежности сети, предлагая быстрое время запуска и контролируемую мощность. Однако независимая эксплуатация этих активов часто приводит к неоптимальной эффективности, недостаточно используемой мощности и упущенным рыночным возможностям. Виртуальные электростанции (ВЭС) появились как преобразующее решение, которое объединяет несколько единиц природного газа - наряду с возобновляемыми источниками энергии, хранением и ресурсами на стороне спроса - в единую, скоординированную виртуальную организацию. Управляя этими ресурсами через передовые программные платформы, ВЭС открывают новые уровни гибкости, экономической ценности и устойчивости сети. В этой статье исследуется использование ВЭС для агрегирования мощности электростанции природного газа, подробно о технологии, преимуществах, проблемах и перспективах в контексте современных энергетических рынков.

Определение виртуальных электростанций и их основных компонентов

Виртуальная электростанция — это не физическая электростанция, а облачная сеть, которая соединяет, контролирует и контролирует многочисленные распределенные энергетические ресурсы (DER). Эти ресурсы могут включать в себя двигатели, работающие на природном газе, турбины сгорания, комбинированные тепловые и энергетические блоки, солнечные фотоэлектрические массивы, системы хранения аккумуляторов и даже управляемые нагрузки. Центральная программная платформа VPP объединяет индивидуальные мощности и возможности этих ресурсов, позволяя им действовать как единый, надежный источник питания для оператора сети. В случае электростанций на природном газе VPP координирует генерацию в разных местах — от нескольких мегаватт до сотен мегаватт — имитируя поведение крупной центральной станции, обеспечивая более быстрое время отклика и большую эксплуатационную гранулярность.

Как ВЭС координируют работу газовых заводов

Координация основана на двусторонней петле связи между центром управления VPP и каждой участвующей газовой установкой. Датчики и интеллектуальные счетчики собирают данные в режиме реального времени о выходе, скорости нагрева, выбросах, возможностях наращивания и условиях локальной сети. Эти данные поступают в механизм оптимизации, который использует алгоритмы - часто с использованием машинного обучения и прогнозной аналитики - для определения наиболее экономичного и надежного графика отправки. Затем VPP выдает управляющие сигналы отдельным заводам, инструктируя их начинать, останавливать или регулировать нагрузку в течение секунд до минут. Эта оркестровка превращает парк независимых активов в сплоченный, отзывчивый источник питания.

Ключевые технологии, позволяющие VPP

Несколько технологических столпов делают возможным агрегирование VPP. Крайние вычисления и промышленные устройства IoT обеспечивают низкое время ожидания зондирования и приведения в действие на каждой площадке завода. Облачные платформы агрегируют потоки данных и запускают сложные модели оптимизации. Расширенная инфраструктура учета (AMI) обеспечивает точное урегулирование и проверку поставленной энергии и услуг. Протоколы связи, такие как IEEE 2030.5 или OpenADR стандартизируют обмен информацией между DER и менеджером VPP. Искусственный интеллект улучшает прогнозирование спроса, возобновляемой генерации и производительности установки, позволяя VPP предварительно позиционировать мощность. Вместе эти технологии позволяют бесшовную, безопасную и масштабируемую агрегацию электростанций природного газа в единый виртуальный ресурс.

Преимущества агрегирования мощности газовых электростанций

Агрегация газовых агрегатов через ВЭС обеспечивает широкий спектр преимуществ, которые распространяются на операторов сетей, владельцев заводов и более широкий рынок электроэнергии. Ниже мы обсудим четыре основных преимущества.

Улучшенная стабильность и надежность сетки

Заводы природного газа в VPP могут реагировать на колебания частоты или напряжения в сети гораздо быстрее, чем крупные генераторы базовой нагрузки. Центральный контроллер VPP может отправлять газовые блоки в субминутные сроки, обеспечивая первичную частотную реакцию, автоматическое управление генерацией и поддержку напряжения. Эта быстрая коррекция помогает предотвратить каскадные отключения и поддерживает качество электроэнергии, особенно когда возобновляемые источники энергии на основе инвертора снижают инерцию системы. Во время экстремальных событий, таких как тепловые волны или похолодания, VPP может активировать всю доступную емкость газа скоординированным образом, обеспечивая достаточный запас запаса.

Оптимизированное использование энергии и экономия затрат

Без агрегации каждая установка природного газа работает на основе собственной локальной оптимизации, часто приводящей к неэффективности, такой как запуск блоков при частичной загрузке, когда спрос низкий. VPP объединяет прогнозы спроса по всему флоту и отправляет только самые эффективные заводы для удовлетворения нагрузки. Эта выборочная отправка снижает общий расход топлива, снижает выбросы на мегаватт-час и минимизирует износ пиковых блоков. Кроме того, VPP может выполнять планирование «предотправки», которое учитывает затраты на топливо, начальные затраты и переменные O & M, достигая экономии 5-15% по сравнению с нескоординированной работой.

Поддержка интеграции возобновляемых источников энергии

Одной из самых больших проблем для сетей с высоким проникновением возобновляемых источников энергии является управление изменчивостью ветровой и солнечной энергии. Заводы природного газа традиционно обеспечивали резервное копирование, необходимое, когда солнце садится или ветер падает. VPP делает этот шаг дальше, разумно планируя пропускную способность газа для заполнения пробелов при минимальных затратах. Например, если облачный фронт снижает солнечную мощность на 200 МВт, VPP может увеличить комбинированный портфель быстродействующих газовых турбин и двигателей в течение нескольких минут. VPP также может отменять генерацию газа с аккумулятором, используя газ для дефицита более длительной продолжительности и батареи для коротких пиков. Эта гибридная операция максимизирует использование возобновляемых источников при обеспечении надежности.

Новые потоки доходов для операторов заводов

Участие в оптовых рынках электроэнергии становится все более сложным из-за развивающихся правил и определений продуктов. VPP позволяет владельцам газовых установок объединять свои мощности в блоки, соответствующие рынку, и одновременно предлагать ставки на несколько потоков доходов. К ним относятся рынки энергии (на день вперед и в режиме реального времени), рынки мощности и вспомогательные рынки услуг для регулирования частоты, прядильного резерва и реактивной мощности. VPP также позволяет операторам предлагать услуги реагирования на спрос - временно сокращая выпуск, если требуют условия сети - и участвовать в развивающихся рынках гибкости. Путем объединения нескольких активов, даже небольшие или удаленные газовые заводы получают доступ к рынкам, которые ранее были недоступны, увеличивая их использование и прибыльность.

Как ВЭС объединяют мощности природного газа: технический процесс

Понимание операционного рабочего процесса ВЭС на природном газе уточняет, как достигается агрегация на практике.Процесс может быть разбит на четыре этапа: сбор данных, прогнозирование, оптимизация и выполнение диспетчерской работы.

Сбор данных: Сеть датчиков каждой газовой установки сообщает о показателях в реальном времени, таких как электрическая мощность, скорость нагрева, температура окружающей среды, выбросы и скорость рампы. Эти данные передаются на облачную платформу VPP через субсекундные интервалы. Кроме того, VPP принимает внешние данные — прогнозы погоды, частота сетки, предельные цены на местоположение и ограничения передачи.

Прогнозирование: Модели машинного обучения, обученные на исторических данных, предсказывают краткосрочный (от нескольких минут до нескольких часов) спрос, возобновляемую генерацию и производительность установки. Например, модель может прогнозировать, что конкретной газовой турбине потребуется 15 минут, чтобы достичь полной нагрузки с холодного старта, но только 5 минут, если она остается в режиме ожидания. Эти прогнозы подпитывают оптимизацию.

Оптимизация: Смешанное целое линейное программирование (MILP) или аналогичный решатель определяет график наименее затратной отправки, который отвечает ограничениям надежности. Оптимизатор учитывает минимальную стабильную генерацию каждого завода, затраты на запуск, предельные значения и ограничения выбросов. Он также учитывает узкие места передачи и предельные цены на основе местоположения. В результате план определяет, какие заводы должны работать, на каком уровне выпуска и как долго.

Исполнение диспетчерских задач: VPP отправляет безопасные команды управления в распределенную систему управления каждой установки (DCS) или выделенный шлюз. Эти команды могут быть заданными значениями для выхода мегаватта или сигналов аварийного запуска / остановки. Цепь выполнения работает каждые несколько минут, при этом оптимизатор постоянно работает, чтобы адаптироваться к изменяющимся условиям. Велотурбина может быть отключена, когда генерация ветра высока и возвращена в сеть через несколько минут после того, как ветер исчезает — все организовано бесшовно программным обеспечением VPP.

Этот технический процесс гарантирует, что агрегированный парк природного газа будет реагировать на потребности в энергосистеме с точностью и скоростью, которые были бы невозможны для каждой установки, работающей в изоляции.

Рынок и регулирующий ландшафт

Успех ВЭС на природном газе в значительной степени зависит от конструирования рынка и нормативно-правовой базы, признающей агрегированные ресурсы законными участниками рынка. За последнее десятилетие был достигнут значительный прогресс, но пробелы сохраняются.

Участие в оптовых рынках электроэнергии

В Соединенных Штатах приказ Федеральной комиссии по регулированию энергетики (FERC) 2222, выпущенный в 2020 году, требует от региональных организаций по передаче (RTO) и независимых операторов систем (ISO) устранения барьеров, препятствующих агрегации DER, включая генерацию газа, от конкуренции на оптовых рынках. Этот приказ открыл двери для VPP, чтобы предлагать заявки на рынки энергии, мощности и вспомогательных услуг в таких регионах, как PJM, MISO, CAISO, NYISO и ISO-NE. На практике агрегации установок природного газа теперь могут обеспечивать быстрое реагирование, обслуживание регулирования и резервы на случай непредвиденных обстоятельств. Однако реализация варьируется в зависимости от RTO, с некоторыми требующими минимальных размеров агрегации, стандартов телеметрии или штрафов за производительность, которые могут быть сложными для небольших газовых единиц.

На международном уровне рынки Европы, Австралии и некоторых частей Азии также ввели рамки для агрегированных ресурсов. Пакет чистых источников энергии Европейского союза призывает государства-члены разрешить независимым агрегаторам, а такие платформы, как немецкий рынок «Regelleistung» (контрольного резерва), принимают заявки на VPP. В Великобритании оператор электроэнергетической системы управляет службой «Сдерживать, отключать, восстанавливать», для которой VPP могут заключать контракты.

Проблемы регулирования и поддержка политики

Несмотря на эти достижения, сохраняются несколько регуляторных препятствий. Правила подключения часто рассматривают каждую газовую установку как отдельную точку взаимосвязи, что усложняет способность агрегации управлять телеметрией и планированием. Требования к кибербезопасности для агрегации DER все еще развиваются; Североамериканская корпорация по электронадежности (NERC) выпустила предупреждения о рисках агрегированных ресурсов на основе инвертора, но еще не завершила разработку обязательных стандартов для газовых ВЭС. Кроме того, стандарты чистого учета на государственном уровне и возобновляемого портфеля иногда исключают природный газ из программ стимулирования, создавая неравномерное игровое поле. Тем не менее, многие государства признали ценность гибких газовых мощностей и разрабатывают пилотные программы, которые рассматривают ВЭС как сетевые активы, имеющие право на стимулы на основе производительности. Поддержка политики Департамента энергетики (DOE) и Международного энергетического агентства (МЭА) продолжает продвигать исследовательские и демонстрационные проекты для технологий ВЭС, включая те, которые включают производство газа.

Тематические исследования и реальные приложения

Реальные развертывания иллюстрируют, как работают ВЭС на природном газе на практике, подчеркивая операционные успехи и извлеченные уроки.

ВЭС в Техасе: использование гибкого газового флота ERCOT

Совет по электронадежности Техаса (ERCOT) управляет рынком с высокой долей ветровых и солнечных электростанций и обширным парком установок природного газа, которые обеспечивают необходимую гибкость. Несколько разработчиков VPP агрегировали портфели газопоршневых двигателей и аэродеривативных турбин, начиная от 50 МВт до более 300 МВт, чтобы обеспечить резервы на случай непредвиденных обстоятельств и наращивание обслуживания. Во время зимнего шторма Uri в феврале 2021 года многие газовые заводы испытали вынужденные отключения из-за замерзания. Однако те, кто участвовал в VPP, которые обеспечивали протоколы зимовки и поддерживали скоординированные закупки топлива, смогли оставаться в сети, помогая стабилизировать сеть. Анализ после шторма подчеркнул важность координации VPP для надежности активов и участия на рынке, что привело к принятию новых правил, которые поощряют твердую, диспетчерскую мощность - принося пользу агрегатам газовых парков.

Европейские инициативы: балансирование возобновляемых источников энергии с газовыми пикерами

В Германии растущая доля солнечной и ветровой энергии создала рынок для ВЭС, которые объединяют мелкомасштабные установки для производства тепла и энергии (ТЭЦ) с батареями и реагированием на спрос. Такие компании, как Next Kraftwerke, объединяют тысячи модулей ТЭЦ, каждый из которых оценивается в несколько сотен киловатт до нескольких мегаватт. ВЭС отправляет эти блоки для балансировки сети, когда возобновляемая продукция колеблется. Ключевой инновацией является способность управлять ТЭЦ в режиме «контролируемой мощности», отделяя тепло и мощность на короткие периоды для удовлетворения потребностей сети. В Великобритании ВЭС агрегировали газовые турбины открытого цикла (OCGT) для обеспечения быстрой мощности на рынке мощности; некоторые из этих OCGT теперь модернизируются для работы на водородных смесях, позиционируя их для низкоуглеродного будущего.

Проблемы и соображения

Хотя выгоды являются убедительными, развертывание ВЭС, которые объединяют мощности по производству природного газа, сопряжено с рядом проблем, которые необходимо решить для широкого внедрения.

Техническая интеграция и совместимость

Газовые электростанции от разных производителей используют собственные системы управления и протоколы связи. Интеграция их в единую платформу VPP требует индивидуальных шлюзов и дополнительного оборудования, увеличивая первоначальные затраты. Задержка в выполнении команд между VPP и органами управления заводом может ухудшить производительность на рынках с быстрым откликом. Усилия по стандартизации, такие как использование IEC 61850 для автоматизации подстанций и IEEE 2030.5 для управления DER, постепенно улучшают совместимость, но устаревшие заводы остаются проблемой. Кроме того, VPP должна постоянно контролировать здоровье растений, чтобы избежать отправки устройства, которое не может выполнить свои обязательства по производительности, требуя предиктивной аналитики обслуживания.

Риски кибербезопасности

Зависимость VPP от сетей связи в широком диапазоне создает поверхности атак, которые могут быть использованы для нарушения работы сети. Злоумышленник, получивший контроль над системой диспетчеризации VPP, может заказать газовые установки, чтобы начать или остановиться в неподходящее время, что потенциально может привести к отключению электроэнергии. Распределенная природа VPP - с несколькими заводами, управляемыми владельцами - усложняет управление безопасностью. Надежные рамки кибербезопасности, включая шифрование, многофакторную аутентификацию, сегментацию сети и регулярное тестирование на проникновение, необходимы. Отраслевые группы, такие как Национальная ассоциация уполномоченных по регулированию коммунальных услуг (NARUC), опубликовали руководящие принципы для кибербезопасности VPP, но правоприменение варьируется.

Регуляторные и рыночные проблемы

Помимо прогресса, отмеченного ранее, конкретные рыночные правила могут поставить в невыгодное положение ВЭС, работающие на природном газе. Например, некоторые рынки мощности требуют наличия ресурсов на незапланированные длительные периоды, что может противоречить рабочему графику ВЭС, которая планирует использовать газовые установки в качестве пикеров. Правила расчета для агрегированных ресурсов часто требуют дезагрегированной телеметрии, увеличивая административное бремя. Кроме того, экологические нормы, которые нацелены на выбросы от отдельных заводов, могут не учитывать преимущества агрегации ВЭС на системном уровне, такие как снижение общего потребления топлива. Директивным органам необходимо разработать правила, которые признают уникальные характеристики агрегированных газовых ресурсов, такие как способность оптимизировать как экономические, так и экологические показатели.

Перспективы на будущее: роль ВЭС на природном газе в декарбонизирующей сети

По мере того, как энергетический сектор движется к глубокой декарбонизации, ожидается, что роль природного газа будет развиваться, а не исчезать. ВЭС, которые объединяют мощности природного газа, уникально позиционируются для поддержки этого перехода несколькими способами.

Гибкие операции: Развивающиеся технологии позволяют газовым двигателям и турбинам сжигать водородные смеси, биогаз и синтетический метан. VPP может динамически выбирать топливную смесь по всему своему флоту на основе доступности и стоимости, снижая интенсивность углерода каждого мегаватта, поставляемого. Газовые установки, которые являются частью VPP, с большей вероятностью будут модернизированы для низкоуглеродных топлив, потому что их агрегированные потоки доходов оправдывают капитальные инвестиции.

Интеграция с улавливанием и хранением углерода:] Некоторые операторы ВЭС изучают возможность добавления оборудования для улавливания углерода в крупные газовые установки. Несмотря на дороговизну, ВЭС может оптимизировать отправку для улавливания CO2, когда цены на электроэнергию низкие, и высвобождать его, когда цены высоки, улучшая экономику улавливания. Агрегация обеспечивает достаточные объемы улавливания CO2, чтобы оправдать инфраструктуру трубопроводов для мест хранения.

Гибридные ВЭС для долгосрочного хранения энергии: Заглядывая вперед, заводы по производству природного газа могут служить в качестве «твердой мощности» дополнением к растущим паркам литий-ионных и долгосрочных накопителей энергии. ВЭС, которая включает в себя газ, батареи и электролизеры, может предложить как краткосрочную гибкость, так и многодневную устойчивость, особенно в регионах, где производство возобновляемой энергии варьируется сезонно.

Гибкость спроса и предложения как замена: Со временем реакция спроса и распределенное хранение могут снизить потребность в новых пиковых мощностях газа. Однако существующие газовые установки будут оставаться ценными в течение десятилетий, поскольку сеть удаляет угольные блоки и до того, как длительное хранение достигнет масштаба. VPPs могут максимизировать ценность этой существующей инфраструктуры, минимизируя ее воздействие на окружающую среду посредством интеллектуальной координации.

В докладе Международного энергетического агентства «Перспективы развития мировой энергетики на 2023 год» говорится, что к 2030 году в сценарии чистых нулевых выбросов производство природного газа сократится, но эта способность к гибкости все еще будет необходима, поскольку газовый флот работает при более низких коэффициентах мощности. VPPs являются идеальным инструментом для эффективного управления этим флотом, гарантируя, что газовые электростанции работают только тогда, когда они обеспечивают наибольшую ценность для системы.

Заключение

Виртуальные электростанции, которые объединяют мощности электростанций на природном газе, представляют собой прагматичную и мощную стратегию модернизации электросетей. Унифицируя контроль над децентрализованными газовыми генераторами, VPP обеспечивают повышенную стабильность, экономическую оптимизацию и бесшовную интеграцию возобновляемых источников энергии. Они создают новые возможности для получения доходов владельцами активов и предоставляют операторам сетей быстрые, гибкие возможности, необходимые для управления все более изменчивым сочетанием поставок. В то время как проблемы в области взаимодействия, кибербезопасности и дизайна рынка остаются, текущие технологические инновации и политическая поддержка быстро преодолевают эти барьеры. По мере ускорения перехода на энергию VPP будут служить критическим мостом - использование существующей инфраструктуры для поддержки высокого проникновения возобновляемых источников энергии при позиционировании флота для низкоуглеродного будущего - заинтересованные стороны по всей цепочке создания стоимости - от операторов установок до регуляторов - должны активно исследовать агрегацию VPP как краеугольный камень современного управления сетями.

Для дальнейшего чтения см. страницу ресурса VPP Министерства энергетики США , исследование Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии по VPP и анализ виртуальных электростанций МЭА. Для получения информации о роли природного газа в сети, обратитесь к праймеру природного газа Управления энергетической информации США .