:驅(qū)動未來智慧城市的能源解決方案探索下/代城市能源管理技術(shù)?虛擬電廠如何通過智能整合分布式可再生能源?為智慧城市提供清潔、高效、靈活的電力供應(yīng)系統(tǒng)2研究論文烏拉爾聯(lián)邦大學(xué)研究論文烏拉爾聯(lián)邦大學(xué)關(guān)鍵詞.虛擬電廠.智慧城市.分布式能源資源.關(guān)鍵詞.虛擬電廠.智慧城市.分布式能源資源.可再生能源.氣候變化當(dāng)今,智慧城市已成為未來城市規(guī)劃和城市發(fā)展的典范模式。通過整合信息通信技術(shù)(ICT)解決方案以及能源節(jié)約和應(yīng)對氣候變化的機(jī)制,并以物聯(lián)網(wǎng)(IoT)為底層技術(shù)支撐,智慧城市為可持續(xù)發(fā)展開辟了新的道路。本研究提出虛擬電廠(VPP)作為智慧城市最高效的能源分配手段。70%全球資源消耗城市消耗世界總資源的比例,成為能源消耗和溫室氣體排放的主要來源122凈關(guān)閉門店數(shù)2024年美國零售業(yè)凈關(guān)閉門店數(shù)量(Coresight研究,8月9日數(shù)據(jù))24/7持續(xù)供電需求現(xiàn)代城市對不間斷電力供應(yīng)的基本要求城市作為人口和經(jīng)濟(jì)活動的密集中心,由于城市人口的密度、相關(guān)經(jīng)濟(jì)和社會活動的強(qiáng)度,以及建筑環(huán)境的低效性,成為能源資源的主要消費者和溫室氣體(GHG)排放的重要貢獻(xiàn)者2這種現(xiàn)狀要求我們重新思考城市能源系統(tǒng)的設(shè)計和管理方式,以實現(xiàn)更可持續(xù)和環(huán)保的發(fā)展模式2智慧城市的概念建立在當(dāng)前信息通信技術(shù)(ICT)愿景的核心特征之上,包括城市系統(tǒng)中計算的普遍性、城市領(lǐng)域中ICT的大規(guī)模應(yīng)用,以及為城市和市民帶來的眾多好處和機(jī)遇2智慧城市將下/代信息通信技術(shù)嵌入到每/個可以想象的物體或生活的各個方面,包括道路、鐵路、橋梁、隧道、水系統(tǒng)、建筑物、家電、醫(yī)院和電網(wǎng),構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)(IoT)的基智慧城市的關(guān)鍵要素.智能交通路線(智慧出行)節(jié)能技術(shù)與能源管理智慧生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測全面的互聯(lián)網(wǎng)連接開放空間、公園和綠道交通管理和智能照明公共安全系統(tǒng)城市服務(wù)創(chuàng)新智慧公共服務(wù)智慧醫(yī)療保健智能水資源與廢物管理生態(tài)友好型建筑智慧治理機(jī)制社區(qū)參與和公民服務(wù)部署在基礎(chǔ)設(shè)施中的傳感器收集的數(shù)據(jù)經(jīng)過分析處理,用于優(yōu)化智慧城市的生活標(biāo)準(zhǔn),確保居民享有更高質(zhì)量的生活環(huán)境2氣候行動積極參與應(yīng)對氣候變化的全球努力,減少碳?xì)夂蛐袆臃e極參與應(yīng)對氣候變化的全球努力,減少碳清潔能源供應(yīng)提供充足的清潔能源,支持城市運營和居民安全保障為居民提供安全感和生活保障,構(gòu)建和諧社區(qū)生活質(zhì)量提升為市民提供體面的生活標(biāo)準(zhǔn),確?；痉?wù)的可及性和質(zhì)量可持續(xù)發(fā)展確保經(jīng)濟(jì)、社會和環(huán)境的全面可持續(xù)性發(fā)展實施智慧城市概念的首要目標(biāo)包括為市民提供體面的生活標(biāo)準(zhǔn),同時在應(yīng)對氣候變化的斗爭中做出努力2這些目標(biāo)以及許多其他因素可以通過提供充足的清潔能源來實現(xiàn),同時確保整體經(jīng)濟(jì)、社會和環(huán)境的可持續(xù)性,并為居民提供安全感2正如其他任何城市或社區(qū)/樣,智慧城市也依賴能源來驅(qū)動構(gòu)成這個生態(tài)系統(tǒng)的所有創(chuàng)新?？稍偕茉词菓?yīng)對氣候變化的前進(jìn)方向,因此,智慧城市需要優(yōu)化的能源分配系統(tǒng)來為其各個組成部分供電。/些研究人員將智慧城市中這種清潔或綠色能源稱為智慧能源,其特點是智能整合分散的可持續(xù)能源,高效配送和優(yōu)化電力消耗。智慧能源系統(tǒng)包括能源生產(chǎn)、能源存儲、能源分配和能源消耗四個核心環(huán)節(jié),通過智能技術(shù)實現(xiàn)各環(huán)節(jié)的協(xié)調(diào)01能源生產(chǎn)利用多樣化的可再生能源發(fā)電設(shè)施03智能配送經(jīng)由智能電網(wǎng)進(jìn)行高效能源分配02能源存儲通過先進(jìn)的儲能系統(tǒng)平衡供需04優(yōu)化消耗基于需求的智能化電力使用管理第/部分第/部分深入探討分布式能源資源整合與虛擬電廠技術(shù)的基本原理分布式能源資源(DER)的興起分布式能源資源(DER)概念在當(dāng)今世界取得重大進(jìn)展,這是電力高需求和對多樣化能源來源需求的結(jié)果。為了在應(yīng)對氣候變化的同時為智慧城市和社區(qū)供電,采用可再生能源是必然選擇。傳統(tǒng)的化石燃料發(fā)電模式已經(jīng)無法滿足可持續(xù)發(fā)展的要求。生物質(zhì)能水力發(fā)電地?zé)崮茱L(fēng)能包括固體廢物、填埋氣體、沼氣、乙醇、生物柴油等多種形式開發(fā)地球內(nèi)部熱能的可持續(xù)能源方案開發(fā)地球內(nèi)部熱能的可持續(xù)能源方案源技術(shù)通過風(fēng)力渦輪機(jī)捕獲風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電力太陽能海洋/潮汐能利用光伏技術(shù)將太陽輻射轉(zhuǎn)化為電最新興的可再生能源形式,利用海洋能動能發(fā)電虛擬電廠(VPP)的定義與架構(gòu)虛擬電廠(VPP)是/種智能能源解決方案,它聚合了許多不同分布式能源資源(DERs)的容量,從表征每個DER的參數(shù)組合中創(chuàng)建單/的運行配置文件,并可以整合電網(wǎng)對聚合DER輸出的影響。虛擬電廠是/組分散的發(fā)電機(jī)組、可控負(fù)載和存儲系統(tǒng)的集群,聚合在/起以作為/個獨特的發(fā)電廠運行。這種創(chuàng)新模式打破了傳統(tǒng)集中式發(fā)電的局限,通過智能化管理實現(xiàn)了分布式能源的協(xié)同優(yōu)化。VPP的核心在于/個中央管理系統(tǒng),該系統(tǒng)通過城市電網(wǎng)調(diào)節(jié)電力的流入和分配,這個系統(tǒng)被稱為能源管理系統(tǒng)(EMS)。EMS包括可控負(fù)載和存儲系統(tǒng),協(xié)調(diào)來自發(fā)電機(jī)、可控負(fù)載和存儲設(shè)施的電力流動。VPPVPP的本質(zhì)特征虛擬電廠不是/個物理實體,而是通過軟件和通信技術(shù)將分散的能源資源整合為/個虛擬的統(tǒng)/發(fā)電廠,實現(xiàn)集中控制和優(yōu)化調(diào)度。(EMS)的核心功能1實時監(jiān)控與聚合對分散的發(fā)電機(jī)組和輸電網(wǎng)進(jìn)行實時準(zhǔn)確的監(jiān)控、控制和聚合,確保系統(tǒng)運行的透明度和可控性2維護(hù)分析與日志記錄記錄系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)用于維護(hù)分析和評估目的,支持預(yù)防性維護(hù)和性能優(yōu)化決策3電力穩(wěn)定性監(jiān)測接近實時地監(jiān)測電力穩(wěn)定性,及時發(fā)現(xiàn)和響應(yīng)過載、靜態(tài)電壓限制和電壓崩潰等異常情況上述EMS功能以及其他許多功能確保VPP模型能夠發(fā)揮其最佳能力2這個智能系統(tǒng)不僅負(fù)責(zé)能源的調(diào)度和分配,還承擔(dān)著保障電網(wǎng)安全、提高能源利用效率、降低運營成本等多重任務(wù)2通過大數(shù)據(jù)分析和機(jī)器學(xué)習(xí)算法,EMS能夠預(yù)測能源需求模式,優(yōu)化發(fā)電計劃,并在緊急情況下快速響應(yīng),保證能源供應(yīng)的連續(xù)性和可靠性2智能電網(wǎng):連接VPP與終端用戶的橋梁能源管理系統(tǒng)(EMS)和可用綠色能源發(fā)電機(jī)組的結(jié)合構(gòu)成了VPP,它作為智慧城市清潔能源的主要分配者運行,這/切都得益于智能電網(wǎng)(SG)系統(tǒng),該系統(tǒng)是從VPP到城市終端用戶的分配渠道。智能電網(wǎng)的技術(shù)基礎(chǔ)"智能電網(wǎng)"/詞指的是對電力系統(tǒng)應(yīng)用更高的智能化技術(shù),與目前在研究和工業(yè)界流行的"智慧城市"和"智能工廠"概念相/致。這個概念現(xiàn)在特別與微電網(wǎng)、分布式能源資源和虛擬電廠等現(xiàn)代技術(shù)的整合相關(guān)聯(lián)。為了實施智能電網(wǎng),至少需要以下三個技術(shù)領(lǐng)域的合作:1.電力電子技術(shù)-實現(xiàn)高效的電能轉(zhuǎn)換和控制智能電網(wǎng)的核心能力自我診斷能力優(yōu)化功能拓?fù)溥m應(yīng)性自適應(yīng)保護(hù)分布式管理孤島模式運行輔助服務(wù)供應(yīng)需求側(cè)管理2.信息通信技術(shù)(ICT)-提供數(shù)據(jù)傳輸和系統(tǒng)互聯(lián)改進(jìn)的預(yù)測能力3.經(jīng)濟(jì)學(xué)-優(yōu)化資源配置和市場運作預(yù)防性維護(hù)因此,在建設(shè)依靠清潔高效能源運行的智慧城市時,必須計算成本,但收益遠(yuǎn)大于成本,因此投資回報率(ROI)是巨大的。這種長期投資不僅能帶來經(jīng)濟(jì)效益,還能產(chǎn)生顯著的社會和環(huán)境效益。VPP系統(tǒng)運行示意圖上圖模擬了當(dāng)利用其他能源分配系統(tǒng)時,城市能源系統(tǒng)將如何運作?？刂浦行牡穆氊?zé)是通過智能電網(wǎng)技術(shù)遠(yuǎn)程控制并網(wǎng)的分布式能源資源(DERs)集群的生產(chǎn)?？稍偕茉窗l(fā)電太陽能、風(fēng)能等清潔能源輸入能源存儲系統(tǒng)平衡供需,儲存剩余電能控制中心EMS智能調(diào)度和優(yōu)化管理智能電網(wǎng)分配城市終端用戶住宅、商業(yè)、工業(yè)用電能源存儲系統(tǒng)對于存儲生成的能源至關(guān)重要,因此VPP中集成了多種解決方案,以滿足不同場景和需求的儲能要求。這些儲能技術(shù)各有特點,在響應(yīng)速度、存儲容量、成本效益等方面各具優(yōu)勢。水力抽水儲能(HPES)通過抽水和放水的高度差實現(xiàn)能量的存儲和釋放,適合大規(guī)模長時間儲能壓縮空氣儲能(CAES)利用壓縮空氣儲存能量,在需要時釋放驅(qū)動渦輪機(jī)發(fā)電飛輪儲能(FWES)通過高速旋轉(zhuǎn)的飛輪儲存動能,響應(yīng)速度快,適合短期調(diào)頻超導(dǎo)磁儲能(SMES)利用超導(dǎo)線圈中的磁場儲存能量,具有極快的響應(yīng)速度電池儲能系統(tǒng)(BESS)最常見的儲能方式,包括鋰離子電池、液流電池等多種類型超級電容儲能(SCES)提供快速充放電能力,適合處理瞬時功率氫能與燃料電池(FC)通過氫氣儲存能量,燃料電池轉(zhuǎn)換為電能,適合長期大容量儲能根據(jù)研究人員的觀點,"虛擬電廠"的定義仍然有些模糊和主觀,特別是因為許多這些技術(shù)仍處于試點和開發(fā)階段2技術(shù)公司、公用事業(yè)公司和監(jiān)管機(jī)構(gòu)仍處于確定虛擬電廠正確市場價值以及它們應(yīng)如何在電力市場中競爭的早期階段2第二部分第二部分VPP探討不同類型的虛擬電廠模型及其在實際場景中的應(yīng)用VPP的分類:技術(shù)型與商業(yè)型技術(shù)型VPP(TVPP)技術(shù)型VPP由來自同/地理位置的分布式能源資源組成,執(zhí)行以下功能:連續(xù)狀態(tài)監(jiān)測-檢索設(shè)備歷史負(fù)載數(shù)據(jù)資產(chǎn)管理-由統(tǒng)計數(shù)據(jù)支持的設(shè)備管理自識別/自描述-系統(tǒng)組件的自動識別故障定位-與停電管理自動集成便利維護(hù)-簡化維護(hù)流程統(tǒng)計分析-數(shù)據(jù)驅(qū)動的決策支持項目組合優(yōu)化-資源配置最優(yōu)化商業(yè)型VPP(CVPP)商業(yè)型VPP的基本功能包括:生產(chǎn)優(yōu)化調(diào)度-基于預(yù)測的消費者需求和發(fā)電潛力特性維護(hù)提交-DER特征的管理和更新生產(chǎn)消費預(yù)測-準(zhǔn)確的需求和供應(yīng)預(yù)測停電需求管理(ODM)-應(yīng)急情況下的需求響應(yīng)構(gòu)建DER投標(biāo)-參與能源市場交易市場投標(biāo)提交-競價和交易執(zhí)行日常優(yōu)化-發(fā)電計劃的持續(xù)優(yōu)化向市場銷售-DER向市場提供能源這兩種VPP類型相互補(bǔ)充,技術(shù)型VPP側(cè)重于系統(tǒng)的技術(shù)運行和維護(hù),而商業(yè)型VPP則專注于市場交易和經(jīng)濟(jì)優(yōu)化。需求響應(yīng)模型需求響應(yīng)的基本前提44公用事業(yè)公司全年向大型能源用戶收取較低費率,以需求響應(yīng)模型需求響應(yīng)的基本前提44公用事業(yè)公司全年向大型能源用戶收取較低費率,以換取在高峰時段關(guān)閉電源44已經(jīng)存在了幾十年2但現(xiàn)代軟件和數(shù)據(jù)系統(tǒng)將過去逐棟建筑的方法擴(kuò)展到數(shù)千個站點,形成可靠、可擴(kuò)展的虛擬電廠2這種模式通過智能化的需求管理,有效平衡了電網(wǎng)負(fù)載,降低了峰值壓力2任何人任何地方模型能源云商業(yè)模式圍繞任何人、任何地方都能夠向開放市場銷售能源服務(wù)的能力44包括需求的減少44通常以前瞻性的方式,預(yù)測需求和供應(yīng)的變化2這種去中心化的模式打破了傳統(tǒng)能源市場的壁壘,允許小型生產(chǎn)者和消費者直接參與能源交易,促進(jìn)了能源民主化2供應(yīng)側(cè)系統(tǒng)模型在這個模型中,地方政府和電網(wǎng)運營商可以協(xié)調(diào)獨立太陽能陣列和風(fēng)電場的輸出44它們間歇性地在不同時段運行44與水力發(fā)電、沼氣和其他低碳資源相結(jié)合,從而模擬24小時發(fā)電廠的輸出2這種模式充分利用了不同可再生能源的互補(bǔ)特性,確保持續(xù)穩(wěn)定的電力供應(yīng)2混合模型它由多種資產(chǎn)組成,如電池儲能、太陽能發(fā)電和節(jié)能系統(tǒng),這些系統(tǒng)既能減少消耗,又能以有針對性的方式提供清潔電力2混合模型結(jié)合了多種技術(shù)的優(yōu)勢,提供了更大的靈活性和韌性,能夠適應(yīng)不同的運行場景和需求變化2出于本研究的目的,上述模型被認(rèn)為是最適合智慧城市生態(tài)系統(tǒng)的VPP解決方案2每種模型都有其獨特的優(yōu)勢和適用場景,實際應(yīng)用中可能需要根據(jù)具體情況選擇或組合使用2案例研究案例研究奧地利智慧城市萊茵塔爾項目在奧地利福拉爾貝格州,萊茵塔爾地區(qū)位于布雷根茨和費爾德基希兩鎮(zhèn)之間。這是/個人口密集的都市區(qū),約有24萬人口。值得效仿的現(xiàn)代案例是奧地利萊茵塔爾地區(qū)的智慧城市萊茵塔爾項目,該項目始于2012年,目標(biāo)是到2050年使該地區(qū)在技術(shù)上盡可能實現(xiàn)能源獨立44最好從可再生資源中供應(yīng)該地區(qū)的所有能源。項目實施策略項目實施策略耗之間的關(guān)系?？稍偕茉吹纳a(chǎn)和分配對于為這個可持續(xù)智慧城市供電至關(guān)重要,以達(dá)到碳中和并保護(hù)氣候免受進(jìn)/步退化。該能源管理系統(tǒng)控制生產(chǎn)單元和消費單元(建筑現(xiàn)優(yōu)化的負(fù)載管理,并通過智能電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分項目四大核心組件光伏(PV)設(shè)施、風(fēng)能和其他可再生能源被聚合在/起,借助智能逆變器、能源存儲、智能電網(wǎng)和軟件,在控制中心管理分配和生產(chǎn)。萊茵塔爾VPP系統(tǒng)的運營機(jī)制 VPP每15分鐘監(jiān)測設(shè)施的實際發(fā)電輸出,從而提高預(yù)測的準(zhǔn)確性2充電基礎(chǔ)設(shè)施管理當(dāng)光伏發(fā)電出現(xiàn)剩余電力時,電動充電基礎(chǔ)設(shè)施優(yōu)先為電動汽車充電3儲能系統(tǒng)調(diào)度儲能系統(tǒng)由互連的汽車電池池組成,VPP負(fù)責(zé)發(fā)出電池何時供電和何時充電的信號4負(fù)載控制優(yōu)化負(fù)載控制是能源管理系統(tǒng)的復(fù)雜環(huán)節(jié),涉及消費側(cè)負(fù)載的有效調(diào)節(jié)智慧城市不僅通過智能家居、電動汽車和充電點、節(jié)能路燈、街道攝像頭、采用智能設(shè)備和轉(zhuǎn)向綠色云計算為消費者提供電力解決方案,而且在減少二氧化碳排放方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用,因為監(jiān)測系統(tǒng)和負(fù)載平衡算法能夠在需要時提供高效、清潔、可靠的能源2德國、丹麥、加拿大和日本等國的其他/些智慧城市也采用了這項技術(shù),并根據(jù)其生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行了實施2傳統(tǒng)的自上而下的電力商業(yè)模式44公用事業(yè)公司向消費者銷售44正在發(fā)生變化,由分布式發(fā)電(DPG)和產(chǎn)消者主導(dǎo)的自下而上的雙向網(wǎng)絡(luò)模式正變得流行2技術(shù)優(yōu)勢靈活可靠的能源供應(yīng)技術(shù)優(yōu)勢靈活可靠的能源供應(yīng)基于需求水平的智能能源供應(yīng),防止浪費可擴(kuò)展性,可增加發(fā)電機(jī)組數(shù)量以優(yōu)化從控制中心進(jìn)行異常檢測,快速響應(yīng)問題集成機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能技術(shù)的潛力,用于分析和預(yù)測天氣、發(fā)電和消費者使用情