Актуальность виртуальных электростанций (VPP), способных обеспечивать управляемость и координацию разнородных распределенных источников энергии и гибкости, обусловлена массовым внедрением возобновляемых источников энергии (ВИЭ), доля которых в мировой электроэнергетике в 2023 году превысила 30% и к 2030 году может достичь 50%. Однако нестабильность солнечной и ветровой генерации снижает надёжность традиционных централизованных энергосистем, не обладающих необходимой гибкостью, что приводит к значительным потерям энергии (до 20% в некоторых регионах) и неэффективному использованию ресурсов.
В журнале IEEE Electrification Magazine (т. 13, № 1 за 2025 год) опубликована статья группы китайских авторов (Юхан Мэн, Шуай Фан, Куньци Цзя, Илун Ян, Ренке Хуан и Гуанъюй Хэ), предлагающая инновационную концепцию построения виртуальной электростанции на принципах самонастраивающейся оптимизации (SVPP), которая, помимо прочего, предлагает новую парадигму управления сложными энергосистемами.
Три ключевых аспекта SVPP
Оптимизация. В отличие от традиционных методов оптимизации, которые ищут единственную, математически определенную оптимальную точку (набор значений переменных, обеспечивающих заданный целевой интервал значений целевой функции), SVPP использует многоуровневые показатели для определения желаемой рабочей области.
Приближение. В сложных системах строгий глобальный оптимум может оказаться недостижимым. Вместо этого SVPP постоянно измеряет «разрыв» между своим текущим состоянием и областью оптимальных значений, считая работу эффективной до тех пор, пока этот разрыв остается в пределах определенного диапазона.
Самоуправление. SVPP имеет децентрализованную архитектуру, где каждый ресурс функционирует автономно, но координируется через общие механизмы. Такой подход в сочетании с самонастраивающейся оптимизацией позволяет SVPP поддерживать работу, близкую к оптимальной, в сложных динамичных средах.
Практическая реализация
Концепция SVPP была протестирована на юге Китая на демонстрационной площадке (коммерческий парк), которая включает комплекс из шести зданий, сеть напряжением 10 кВ, трансформаторы 10 кВ/0,4 кВ, низковольтную распределительную сеть 0,4 кВ и распределенные ресурсы энергии и гибкости: фотоэлектрические системы на крышах, зарядные станции для электромобилей, системы накопления энергии и регулируемые нагрузки (кондиционеры и системы освещения).
SVPP должна была решить три основные проблемы коммерческого парка: низкий КПД ВИЭ из-за несинхронности генерации и потребления, низкую надёжность автономного (островного) режима работы и ограниченные возможности взаимодействия с сетью более высокого напряжения для предоставления сервисов гибкости.
Архитектура SVPP
Основополагающими элементами архитектуры SVPP являются атомарные узлы: каждый ресурс и функциональный модуль представлен как независимый узел с автономным процессором управления (ACP) и прикладным ПО (APL).
Поля обмена данными (Data Fields) обеспечивают обмен данными между атомарными узлами по принципу публикации/подписки. В рамках этих полей данных разработаны специальные механизмы для обеспечения функциональности "plug&play", включая онлайн-расширение, отказоустойчивость и онлайн-обслуживание.
В SVPP реализована трехуровневая платформа для совместной работы, обеспечивающая эффективное управление и самоорганизующуюся агрегацию терминалов ресурсов энергии и гибкости.
Облачный уровень управляет обработкой данных, их хранением и разработкой стратегий эксплуатации ресурсов энергии и гибкости. Пограничный уровень состоит из интеллектуальных энергетических шлюзов, которые управляют локальной агрегацией данных и преобразованием протоколов, приближая вычислительные возможности к конечным устройствам. Уровень конечных устройств охватывает все ресурсы, подключенные к SVPP, и поддерживает посекундный сбор данных и обратную связь для быстрого реагирования на изменения спроса на энергию и колебания мощности в электросети. Этот уровень обеспечивает быструю адаптацию отдельных ресурсов к изменяющимся условиям.
Результатом такого подхода является растущая система "снизу вверх", которая обеспечивает эффективную интеграцию DER в режиме “plug&play”, модульность, масштабируемость и отказоустойчивость.
Системная архитектура SVPP показана на рисунке 1.
Техническая инфраструктура парка включает 4542 терминала ресурсов, 165 граничных шлюзов, mesh-сеть Wi-Fi для связи устройств, Ethernet для связи с облаком. Частота опроса устройств составляет 400 мс, объём хранения данных в облаке - 8 ТБ.
Операционные методы
В SVPP используется метод самонастраивающейся оптимизации на основе событийного управления. В рамках этого метода SVPP непрерывно отслеживает параметры по принципу «обратная связь по измерения состояния запускает события, события запускают управление, а управление устраняет события».
При возникновении отклонений, таких как избыточная выработка энергии из возобновляемых источников, требования к критической нагрузке или запросы сети на поддержку, запускаются сигналы «события», которые инициируют управляющие действия с помощью интерактивного алгоритма primal-dual, устраняя события и приближаясь к области оптимизации. Система обрабатывает зависящие от времени ограничения DER, используя «виртуальные очереди» и оптимизацию с использованием функции Ляпунова.
Методы оптимизации для решения ключевых проблем в энергосистеме парка работают в трех различных режимах:
- Режим утилизации ВИЭ – координация накопителей и нагрузок для поглощения избыточной генерации. Он повышает эффективность использования ВИЭ за счет координации систем накопления энергии и гибких нагрузок для поглощения избыточной выработки в периоды пиковой производительности. SVPP регулирует работу системы в соответствии с колебаниями в реальном времени, повышая потребление возобновляемой энергии на месте.
- Автономный (островной) режим – приоритезация критических нагрузок и управление накопителями. Обеспечивает непрерывное электроснабжение во время перебоев в электросети, позволяя SVPP перейти на автономный режим работы. После восстановления электросети SVPP координирует плавное возобновление нормальной работы.
- Режим взаимодействия с сетью. В этом режиме SVPP координирует свои действия в ответ на запросы сети для удовлетворения её потребностей, предоставляя гибкие услуги – например, снижение пиковой нагрузки.
Результаты внедрения и выводы
Ключевые операционные показатели за период с февраля по апрель 2024 года таковы: при объеме потребления 28,4 тыс. кВт·ч фотоэлектрической энергии выбросы CO2 сокращены на 23 т, экономический эффект для парка составил 18,7 тыс. юаней (около $2,6 тыс.).
Повышено использование солнечной генерации и снижены потери, обеспечена надёжность электроснабжения в автономном режиме, реализована возможность предоставления сервисов гибкости сетевому оператору. Система показала масштабируемость и отказоустойчивость.
Таким образом, по мнению авторов, SVPP представляет собой перспективный подход к управлению крупномасштабными распределёнными энергоресурсами, сочетающий децентрализованную архитектуру и адаптивные методы оптимизации. Система может масштабироваться, адаптируясь к различным конфигурациям энергосистем и эксплуатационным требованиям. Такой подход к проектированию делает SVPP применимым к различным коммерческим и промышленным паркам, обеспечивая основу для управления эксплуатацией распределенных источников энергии и гибкости в различных сценариях.
Подробнее читайте IEEE Electrification Magazine, т. 13, № 1 за 2025 год
Подготовлено АНО «Центр «Энерджинет» при поддержке Фонда НТИ и Минобрнауки России