不管插電式電動汽車什麼時候能變得足夠普及,使用成千上萬電動汽車聚集起來的電池容量作為能量儲備,以平衡電網峰值需求的這個概念並不是最近才提出來,而給發電廠(或至少電網運營商)在工業和國內用戶群範圍內自由地控制各種負載以限制這些峰值的概念也是老早就有了。然而,如何管理這種機制的細節一直很不明確。

「..他們的貢獻在於將新型電力負荷帶進了我們可以量化為虛擬電池的領域。」

將能量儲存到大容量電池中是一種顯而易見的方法;但抽水蓄能式水力發電廠等方案非常受限,而且我們缺乏電池技術來實現這種最顯著的解決方案(雖然我們可以考慮組裝出一種大容量的電池庫,但在目前的技術背景下,與保持持續的多餘發電方案相比沒什麼經濟上的優勢)。麻省理工學院的這篇論文提供了解決問題的新思路。這些研究人員認為,家庭和辦公室中的「智慧電器」,比如可以遠端調節的自動恆溫器,以及插入電網的電動汽車,可以集中起來作為大容量電池,實現一種更低成本、更低排放的電網發電備份解決方案。

「在將靈活的電力負荷集中起來作為單個電池的方案中,研究人員在電池容量和電池充放電速率之間找到了一種基本的平衡。」

然而,要讓發電廠信任虛擬電池,得嚴格地要求量化虛擬電池的容量及其充放電速率。從論文中可以看到,研究人員已經在這方面作出了諸多的努力。

20170515NT01P1 虛擬電池可提供更環保的能源來源。

「我們有大量、靈活的電力負載,但它們不僅很小,種類繁多,而且分散在世界各地。」麻省理工學院資訊與決策系統實驗室(LIDS)的博士後Daria Madjidian表示,「此刻它們還不是一種能被很好理解的能源。問題是,我們能否開發出適當的演算法以這樣的方式調節這些負載的功耗:不僅滿足它們所有的約束條件,而且對電源系統來說,更可作為一種電池,可以儲存一定數量的能量,並以某個速率吸收和釋放能量?」

Madjidian和他的兩位LIDS同事——首席科學研究員Mardavij Roozbehani和麻省理工學院數位、系統與社會學院主任兼William Coolidge電氣工程與電腦科學系教授Munther Dahleh,在電氣與電子工程師學院舉辦的決策與控制會議上提出對上述問題的初步答案。

在將靈活的電力負荷集中起來作為單個電池的方案中,研究人員在電池容量和電池充放電速率之間找到了基本的平衡。

然而,這種平衡可以按照天或甚至小時重新協調。如果某一天電力供應商認為有很大但不穩定的風力,就可能希望能夠以快速充電為主,以擷取風力渦輪機的輸出。如果另外有一天電力供應商認為幾乎所有的用戶會在晚上開啟他們的家用空調,那麼它可能希望輸出充足的電能以滿足這種浪湧式需求。

「傳統電池做不到這點,但這些傢伙可以。」Madjidian指著具有靈活充電速率的設備表示,「它們開闢了一條設計某些控制策略,來針對特定目的調整設備指標規格的途徑。」

為了理解一群負載如何用作電池,可以想像一下大型辦公大樓中的智慧恆溫器。對於任意給定的溫度設定,大樓中的人們可以容忍上下0.5度的溫差而不會感到不舒服,將恆溫器向上調節0.5度,使大樓的溫度控制系統消耗更多的能源,相當於給虛擬電池充電;以相反的方向調節恆溫器,使系統消耗更少的能量,相當於將電池的電量釋放進電網。

同樣,停在辦公大樓中的電動汽車需要給電池充電,但充電速率可能快也可能慢,而且充電可能在比如4小時時間內的任何時刻進行。減慢一組汽車的充電速率或推遲它們的充電時間可以減少對電網的需求(相當於從電網電池中釋放能量)。這種虛擬電池的充電速率受限於汽車自身電池的可用容量,以及各輛汽車最大充電速率。

平衡

LIDS研究人員首先開發出一個非常簡單的具有靈活負載的電網模型,其中的負載全都是同一個尺寸,並且以定期間隔聯網——相當於電動汽車插上電網。這種模型可以展示虛擬電池的容量與其充放電速率之間的平衡。但在探究這種平衡的原因時,研究人員發現了他們認為適合幾乎任何靈活負載群的基本原理。

舉例來說,假如你有兩個電池,一個可以快速充放電,另一個的充放電速度比較慢。現在你把這兩個實際的電池當成是一個虛擬電池,且這個虛擬電池處於半滿狀態。你會如何在兩個實際電池之間分配虛擬電池的電量呢?

如果你想盡可能提高這個半滿虛擬電池的充電速率,你需要保持充電速率較快的那個實際電池耗電一直比另一個電池更多一些;這樣它就能處理任何大量輸入的電量。反之亦然,如果你想儘量提高放電速率,那麼你需要將充電速率較快的那個電池電量一直保持比另一個電池更滿,這樣它就能處理任何大量的放電。

為了瞭解充電速率與電池容量如何取得平衡,假設兩個實際電池都是空的。為儘量提高虛擬電池的充電速率,需要同時使用這兩個實際電池;任何兩個電池可以比處於隔離狀態時的任何一個電池更快地吸收電量,但更快充電的那個實際電池會在另一個電池充滿之前先充滿。

因此在最大的充電速率時,虛擬電池的容量就是更快的那個實際電池容量,加上更快的那個電池充滿時另一個較慢的電池還能吸收的電量。那個慢速電池的剩餘容量必須處於未用狀態,然而,降低虛擬電池的充電速率可以使慢速電池在快速電池充滿時吸收更多的電量,從而增加集合電池的容量。

在論文中,LIDS研究人員為他們的簡單模型描述了這套平衡方案。在後續工作中,他們將開發更加現實的模型,其中負載的尺寸和時序都會作出改變。

「隨著可再生發電技術的逐漸普及,我們需要電力系統具有更好的靈活性。」加州大學柏克萊分校(University of California at Berkeley)能源系助理教授Duncan Callaway表示,「將來自電動汽車和供暖、通風與空調系統(HVAC)的電力需求用作虛擬電池,是許多研究人員正在思考的一種非常有趣的思維跳躍。Madjidian等人在其他研究人員的工作成果基礎上,對如何量化這些虛擬電池的容量提出了新的見解。他們的貢獻在於將新型電力負荷引進了我們可以量化為虛擬電池的領域。」