虚拟电厂：驱动未来智慧城市的能源解决方案

:驱动未来智慧城市的能源解决方案探索下/代城市能源管理技术ÿ虚拟电厂如何通过智能整合分布式可再生能源ÿ为智慧城市提供清洁、高效、灵活的电力供应系统2研究论文乌拉尔联邦大学研究论文乌拉尔联邦大学关键词.虚拟电厂.智慧城市.分布式能源资源.关键词.虚拟电厂.智慧城市.分布式能源资源.可再生能源.气候变化当今,智慧城市已成为未来城市规划和城市发展的典范模式。通过整合信息通信技术(ICT)解决方案以及能源节约和应对气候变化的机制,并以物联网(IoT)为底层技术支撑,智慧城市为可持续发展开辟了新的道路。本研究提出虚拟电厂(VPP)作为智慧城市最高效的能源分配手段。70%全球资源消耗城市消耗世界总资源的比例,成为能源消耗和温室气体排放的主要来源122净关闭门店数2024年美国零售业净关闭门店数量(Coresight研究,8月9日数据)24/7持续供电需求现代城市对不间断电力供应的基本要求城市作为人口和经济活动的密集中心,由于城市人口的密度、相关经济和社会活动的强度,以及建筑环境的低效性,成为能源资源的主要消费者和温室气体(GHG)排放的重要贡献者2这种现状要求我们重新思考城市能源系统的设计和管理方式,以实现更可持续和环保的发展模式2智慧城市的概念建立在当前信息通信技术(ICT)愿景的核心特征之上,包括城市系统中计算的普遍性、城市领域中ICT的大规模应用,以及为城市和市民带来的众多好处和机遇2智慧城市将下/代信息通信技术嵌入到每/个可以想象的物体或生活的各个方面,包括道路、铁路、桥梁、隧道、水系统、建筑物、家电、医院和电网,构成物联网(IoT)的基智慧城市的关键要素.智能交通路线(智慧出行)节能技术与能源管理智慧生态系统监测全面的互联网连接开放空间、公园和绿道交通管理和智能照明公共安全系统城市服务创新智慧公共服务智慧医疗保健智能水资源与废物管理生态友好型建筑智慧治理机制社区参与和公民服务部署在基础设施中的传感器收集的数据经过分析处理,用于优化智慧城市的生活标准,确保居民享有更高质量的生活环境2气候行动积极参与应对气候变化的全球努力,减少碳气候行动积极参与应对气候变化的全球努力,减少碳清洁能源供应提供充足的清洁能源,支持城市运营和居民安全保障为居民提供安全感和生活保障,构建和谐社区生活质量提升为市民提供体面的生活标准,确保基本服务的可及性和质量可持续发展确保经济、社会和环境的全面可持续性发展实施智慧城市概念的首要目标包括为市民提供体面的生活标准,同时在应对气候变化的斗争中做出努力2这些目标以及许多其他因素可以通过提供充足的清洁能源来实现,同时确保整体经济、社会和环境的可持续性,并为居民提供安全感2正如其他任何城市或社区/样,智慧城市也依赖能源来驱动构成这个生态系统的所有创新。可再生能源是应对气候变化的前进方向,因此,智慧城市需要优化的能源分配系统来为其各个组成部分供电。/些研究人员将智慧城市中这种清洁或绿色能源称为智慧能源,其特点是智能整合分散的可持续能源,高效配送和优化电力消耗。智慧能源系统包括能源生产、能源存储、能源分配和能源消耗四个核心环节,通过智能技术实现各环节的协调01能源生产利用多样化的可再生能源发电设施03智能配送经由智能电网进行高效能源分配02能源存储通过先进的储能系统平衡供需04优化消耗基于需求的智能化电力使用管理第/部分第/部分深入探讨分布式能源资源整合与虚拟电厂技术的基本原理分布式能源资源(DER)的兴起分布式能源资源(DER)概念在当今世界取得重大进展,这是电力高需求和对多样化能源来源需求的结果。为了在应对气候变化的同时为智慧城市和社区供电,采用可再生能源是必然选择。传统的化石燃料发电模式已经无法满足可持续发展的要求。生物质能水力发电地热能风能包括固体废物、填埋气体、沼气、乙醇、生物柴油等多种形式开发地球内部热能的可持续能源方案开发地球内部热能的可持续能源方案源技术通过风力涡轮机捕获风能转化为电力太阳能海洋/潮汐能利用光伏技术将太阳辐射转化为电最新兴的可再生能源形式,利用海洋能动能发电虚拟电厂(VPP)的定义与架构虚拟电厂(VPP)是/种智能能源解决方案,它聚合了许多不同分布式能源资源(DERs)的容量,从表征每个DER的参数组合中创建单/的运行配置文件,并可以整合电网对聚合DER输出的影响。虚拟电厂是/组分散的发电机组、可控负载和存储系统的集群,聚合在/起以作为/个独特的发电厂运行。这种创新模式打破了传统集中式发电的局限,通过智能化管理实现了分布式能源的协同优化。VPP的核心在于/个中央管理系统,该系统通过城市电网调节电力的流入和分配,这个系统被称为能源管理系统(EMS)。EMS包括可控负载和存储系统,协调来自发电机、可控负载和存储设施的电力流动。VPPVPP的本质特征虚拟电厂不是/个物理实体,而是通过软件和通信技术将分散的能源资源整合为/个虚拟的统/发电厂,实现集中控制和优化调度。(EMS)的核心功能1实时监控与聚合对分散的发电机组和输电网进行实时准确的监控、控制和聚合,确保系统运行的透明度和可控性2维护分析与日志记录记录系统运行数据用于维护分析和评估目的,支持预防性维护和性能优化决策3电力稳定性监测接近实时地监测电力稳定性,及时发现和响应过载、静态电压限制和电压崩溃等异常情况上述EMS功能以及其他许多功能确保VPP模型能够发挥其最佳能力2这个智能系统不仅负责能源的调度和分配,还承担着保障电网安全、提高能源利用效率、降低运营成本等多重任务2通过大数据分析和机器学习算法,EMS能够预测能源需求模式,优化发电计划,并在紧急情况下快速响应,保证能源供应的连续性和可靠性2智能电网:连接VPP与终端用户的桥梁能源管理系统(EMS)和可用绿色能源发电机组的结合构成了VPP,它作为智慧城市清洁能源的主要分配者运行,这/切都得益于智能电网(SG)系统,该系统是从VPP到城市终端用户的分配渠道。智能电网的技术基础"智能电网"/词指的是对电力系统应用更高的智能化技术,与目前在研究和工业界流行的"智慧城市"和"智能工厂"概念相/致。这个概念现在特别与微电网、分布式能源资源和虚拟电厂等现代技术的整合相关联。为了实施智能电网,至少需要以下三个技术领域的合作:1.电力电子技术-实现高效的电能转换和控制智能电网的核心能力自我诊断能力优化功能拓扑适应性自适应保护分布式管理孤岛模式运行辅助服务供应需求侧管理2.信息通信技术(ICT)-提供数据传输和系统互联改进的预测能力3.经济学-优化资源配置和市场运作预防性维护因此,在建设依靠清洁高效能源运行的智慧城市时,必须计算成本,但收益远大于成本,因此投资回报率(ROI)是巨大的。这种长期投资不仅能带来经济效益,还能产生显著的社会和环境效益。VPP系统运行示意图上图模拟了当利用其他能源分配系统时,城市能源系统将如何运作。控制中心的职责是通过智能电网技术远程控制并网的分布式能源资源(DERs)集群的生产。可再生能源发电太阳能、风能等清洁能源输入能源存储系统平衡供需,储存剩余电能控制中心EMS智能调度和优化管理智能电网分配城市终端用户住宅、商业、工业用电能源存储系统对于存储生成的能源至关重要,因此VPP中集成了多种解决方案,以满足不同场景和需求的储能要求。这些储能技术各有特点,在响应速度、存储容量、成本效益等方面各具优势。水力抽水储能(HPES)通过抽水和放水的高度差实现能量的存储和释放,适合大规模长时间储能压缩空气储能(CAES)利用压缩空气储存能量,在需要时释放驱动涡轮机发电飞轮储能(FWES)通过高速旋转的飞轮储存动能,响应速度快,适合短期调频超导磁储能(SMES)利用超导线圈中的磁场储存能量,具有极快的响应速度电池储能系统(BESS)最常见的储能方式,包括锂离子电池、液流电池等多种类型超级电容储能(SCES)提供快速充放电能力,适合处理瞬时功率氢能与燃料电池(FC)通过氢气储存能量,燃料电池转换为电能,适合长期大容量储能根据研究人员的观点,"虚拟电厂"的定义仍然有些模糊和主观,特别是因为许多这些技术仍处于试点和开发阶段2技术公司、公用事业公司和监管机构仍处于确定虚拟电厂正确市场价值以及它们应如何在电力市场中竞争的早期阶段2第二部分第二部分VPP探讨不同类型的虚拟电厂模型及其在实际场景中的应用VPP的分类:技术型与商业型技术型VPP(TVPP)技术型VPP由来自同/地理位置的分布式能源资源组成,执行以下功能:连续状态监测-检索设备历史负载数据资产管理-由统计数据支持的设备管理自识别/自描述-系统组件的自动识别故障定位-与停电管理自动集成便利维护-简化维护流程统计分析-数据驱动的决策支持项目组合优化-资源配置最优化商业型VPP(CVPP)商业型VPP的基本功能包括:生产优化调度-基于预测的消费者需求和发电潜力特性维护提交-DER特征的管理和更新生产消费预测-准确的需求和供应预测停电需求管理(ODM)-应急情况下的需求响应构建DER投标-参与能源市场交易市场投标提交-竞价和交易执行日常优化-发电计划的持续优化向市场销售-DER向市场提供能源这两种VPP类型相互补充,技术型VPP侧重于系统的技术运行和维护,而商业型VPP则专注于市场交易和经济优化。需求响应模型需求响应的基本前提44公用事业公司全年向大型能源用户收取较低费率,以需求响应模型需求响应的基本前提44公用事业公司全年向大型能源用户收取较低费率,以换取在高峰时段关闭电源44已经存在了几十年2但现代软件和数据系统将过去逐栋建筑的方法扩展到数千个站点,形成可靠、可扩展的虚拟电厂2这种模式通过智能化的需求管理,有效平衡了电网负载,降低了峰值压力2任何人任何地方模型能源云商业模式围绕任何人、任何地方都能够向开放市场销售能源服务的能力44包括需求的减少44通常以前瞻性的方式,预测需求和供应的变化2这种去中心化的模式打破了传统能源市场的壁垒,允许小型生产者和消费者直接参与能源交易,促进了能源民主化2供应侧系统模型在这个模型中,地方政府和电网运营商可以协调独立太阳能阵列和风电场的输出44它们间歇性地在不同时段运行44与水力发电、沼气和其他低碳资源相结合,从而模拟24小时发电厂的输出2这种模式充分利用了不同可再生能源的互补特性,确保持续稳定的电力供应2混合模型它由多种资产组成,如电池储能、太阳能发电和节能系统,这些系统既能减少消耗,又能以有针对性的方式提供清洁电力2混合模型结合了多种技术的优势,提供了更大的灵活性和韧性,能够适应不同的运行场景和需求变化2出于本研究的目的,上述模型被认为是最适合智慧城市生态系统的VPP解决方案2每种模型都有其独特的优势和适用场景,实际应用中可能需要根据具体情况选择或组合使用2案例研究案例研究奥地利智慧城市莱茵塔尔项目在奥地利福拉尔贝格州,莱茵塔尔地区位于布雷根茨和费尔德基希两镇之间。这是/个人口密集的都市区,约有24万人口。值得效仿的现代案例是奥地利莱茵塔尔地区的智慧城市莱茵塔尔项目,该项目始于2012年,目标是到2050年使该地区在技术上尽可能实现能源独立44最好从可再生资源中供应该地区的所有能源。项目实施策略项目实施策略耗之间的关系。可再生能源的生产和分配对于为这个可持续智慧城市供电至关重要,以达到碳中和并保护气候免受进/步退化。该能源管理系统控制生产单元和消费单元(建筑现优化的负载管理,并通过智能电网网络进行分项目四大核心组件光伏(PV)设施、风能和其他可再生能源被聚合在/起,借助智能逆变器、能源存储、智能电网和软件,在控制中心管理分配和生产。莱茵塔尔VPP系统的运营机制 VPP每15分钟监测设施的实际发电输出,从而提高预测的准确性2充电基础设施管理当光伏发电出现剩余电力时,电动充电基础设施优先为电动汽车充电3储能系统调度储能系统由互连的汽车电池池组成,VPP负责发出电池何时供电和何时充电的信号4负载控制优化负载控制是能源管理系统的复杂环节,涉及消费侧负载的有效调节智慧城市不仅通过智能家居、电动汽车和充电点、节能路灯、街道摄像头、采用智能设备和转向绿色云计算为消费者提供电力解决方案,而且在减少二氧化碳排放方面发挥着至关重要的作用,因为监测系统和负载平衡算法能够在需要时提供高效、清洁、可靠的能源2德国、丹麦、加拿大和日本等国的其他/些智慧城市也采用了这项技术,并根据其生态系统进行了实施2传统的自上而下的电力商业模式44公用事业公司向消费者销售44正在发生变化,由分布式发电(DPG)和产消者主导的自下而上的双向网络模式正变得流行2技术优势灵活可靠的能源供应技术优势灵活可靠的能源供应基于需求水平的智能能源供应,防止浪费可扩展性,可增加发电机组数量以优化从控制中心进行异常检测,快速响应问题集成机器学习和人工智能技术的潜力,用于分析和预测天气、发电和消费者使用情