不管插电式电动汽车什么时候能足够普及,使用由成千上万的这种电动汽车汇聚起来的电池容量作为能量储备以平衡电网的峰值需求这个概念,并不是最近才提出来的,而给发电厂(或电网运营商)在工业和国内用户群范围内自由控制各种负载以限制峰值的概念也是老早就有了。然而,如何管理这种机制一直很不明确。

将能量存储到大容量电池中是一种显而易见的方法,但抽水蓄能式水力发电厂等方案非常受限,而且我们缺乏电池技术来实现这种解决方案。麻省理工学院的这篇论文提供了解决问题的新思路。这些研究人员认为,家庭和办公室中的“智能电器”,比如可以远程调节的自动恒温器,以及插入电网的电动汽车,可以集中起来用作大容量电池,实现一种更低成本更低排放的电网发电备份解决方案。

然而,要让发电厂信任虚拟电池,就必须严格地量化虚拟电池的容量及其充放电速率。从论文中可以看到,研究人员已经在这方面作出了诸多的努力。

“我们有大量的这些灵活的电力负载,但它们不仅很小,种类繁多,而且分散在世界各地。”麻省理工学院信息与决策系统实验室(LIDS)的博士后Daria Madjidian表示,“此刻它们还不是一种能被很好理解的能源。问题是,我们能否开发出适当的算法来以这样的方式调节这些负载的功耗:不仅满足它们所有的约束条件,而且对电源系统来说呈现为一种电池,可以存储一定数量的能量,并以某个速率吸收和释放能量?”

在将电力负荷集中起来作为单个电池的方案中,研究人员在电池容量和充放电速率之间找到了一种平衡。

然而,这种平衡可以按天或甚至按小时重新协调。如果某一天电力供应商认为有很大但不稳定的风力,就可能希望能够以快速充电为主,以捕获风力涡轮机的输出。如果另外有一天电力供应商认为几乎所有的用户会在晚上开启他们的家用空调,那么它可能希望输出充足的电能以满足这种浪涌式需求。

“传统电池做不到这点,但这些家伙可以。”Madjidian指着具有灵活充电速率的设备表示,“它们开辟了一条设计某些控制策略来针对特定目的调整设备指标规格的途径。”

为了理解一群负载如何用作电池,可以想象一下大型办公大楼中的智能恒温器。对于任意给定的温度设定,大楼中的人们可以容忍上下0.5度的温差而不会感到不舒服。将恒温器向上调节0.5度,使大楼的温度控制系统消耗更多的能源,相当于给虚拟电池充电。以相反的方向调节恒温器,使系统消耗更少的能量,相当于将电池的电量释放进电网。

同样,停在办公大楼中的电动汽车需要给它的电池充电,但充电速率可能快也可能慢,而且充电可能在比如4小时的时间内的任何时刻进行。减慢一组汽车的充电速率或推迟它们的充电时间可以减少对电网的需求。这种虚拟电池的充电速率受限于汽车电池的可用容量以及最大充电速率。

平衡

LIDS研究人员首先开发出了一个简单灵活的电网模型,其中的负载全都是一个尺寸,并且以定期间隔联网。这种模型可以展示虚拟电池的容量与其充放电速率之间的平衡。但在探究其原因时,研究人员发现了他们认为适合几乎任何灵活负载群的基本原理。

举例来说,假如你有两个电池,一个可快速充放电,另一个的充放电速度比较慢。现在把这两个实际的电池当成是一个虚拟电池,并且其处于半满状态。你会如何在两个实际电池之间分配虚拟电池的电量呢?

如果你想尽可能提高这个半满虚拟电池的充电速率,你需要保持充电速率较快的那个实际电池的耗电一直比另一个电池更多一些;这样它就能处理任何大量输入的电量。反之亦然,如果你想尽量提高放电速率,那么你需要将充电速率较快的那个电池的电量一直保持比另一个电池更满,这样它就能处理任何大量的放电。

为了了解充电速率与电池容量如何取得平衡,假设两个实际电池都是空的。为了尽量提高虚拟电池的充电速率,你需要同时使用这两个实际电池;任何两个电池可以比处于隔离状态时的任何一个电池更快地吸收电量。但更快充电的那个实际电池会在另一个电池充满之前先充满。

因此在最大的充电速率时,虚拟电池的容量就是较快的实际电池的容量加上其充满时另一个较慢的电池还能吸收的电量。那个慢速电池的剩余容量必须处于未用状态。然而,降低虚拟电池的充电速率可以使慢速电池在快速电池充满时吸收更多的电量,从而增加集合电池的容量。

在论文中,LIDS研究人员为他们的简单模型描述了这套平衡方案。在后续工作中,他们将开发更加现实的模型,其中负载的尺寸和时序都会作出改变。

“随着可再生发电技术的逐渐普及,我们需要电力系统具有更好的灵活性。”加州大学伯克利分校能源系助理教授Duncan Callaway表示,“将来自电动汽车(EV)和暖通空调(HVAC)的电力需求用作‘虚拟电池’是许多研究人员正在思考的一种非常有趣的思维跳跃。Madjidian等人在其他研究人员的工作成果基础上对如何量化这些虚拟电池的容量提出了新的见解。他们的贡献在于将新型电力负荷引进了我们可以量化为虚拟电池的领域。”