電網(wǎng)協(xié)調(diào)為電動(dòng)汽車的靈活性開(kāi)辟道路

隨著美國(guó)電動(dòng)汽車(EV)的銷售繼續(xù)增長(zhǎng)，電網(wǎng)正在與其100年歷史上的最大變革同時(shí)競(jìng)爭(zhēng)：可再生能源和電力電子設(shè)備的大規(guī)模集成。電動(dòng)汽車的預(yù)期擴(kuò)展將把這些挑戰(zhàn)轉(zhuǎn)移到更高的水平，使城市面臨電力需求的千兆瓦增長(zhǎng)和更多的可變能源。

將大量的電動(dòng)汽車與動(dòng)力系統(tǒng)配合起來(lái)是一個(gè)非常復(fù)雜的挑戰(zhàn)。電動(dòng)汽車會(huì)引入高度依賴于客戶行為的可變電氣負(fù)載。電氣化運(yùn)輸涉及與其他能源系統(tǒng)的共同優(yōu)化，例如天然氣和大容量電池的存儲(chǔ)。它可能涉及自動(dòng)打車電動(dòng)車的車隊(duì)，并導(dǎo)致混合動(dòng)力卡車停靠站，為重型車輛提供氫氣和快速充電。

這些變化都將測(cè)試電網(wǎng)整合的極限，但是美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)在能源系統(tǒng)與交通運(yùn)輸?shù)慕粎R處看到了機(jī)遇。借助強(qiáng)大的資源來(lái)模擬和評(píng)估復(fù)雜的系統(tǒng)，多個(gè)NREL項(xiàng)目正在確定快速充電，平衡電力供需以及有效利用所有能源資產(chǎn)所需的協(xié)調(diào)。

智能和非智能控制

要欣賞電動(dòng)汽車協(xié)調(diào)充電的價(jià)值，可以想象一下相反的情況。

“我們的第一個(gè)問(wèn)題是，超級(jí)簡(jiǎn)單，不協(xié)調(diào)的電動(dòng)汽車充電方法可以為電網(wǎng)帶來(lái)多少收益或負(fù)擔(dān)，” NREL 電動(dòng)汽車網(wǎng)格整合團(tuán)隊(duì)以及智能電動(dòng)汽車充電RECHARGE項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人安德魯·梅因茨說(shuō)。“然后，我們將其與萬(wàn)物相連的'whiz-bang'方法進(jìn)行比較。我們想知道價(jià)值的差異。”

Meintz用“超級(jí)簡(jiǎn)單”的方法解釋說(shuō)，電池供電的電動(dòng)汽車的市場(chǎng)份額不斷增長(zhǎng)，而汽車充電協(xié)調(diào)卻沒(méi)有任何發(fā)展。想象一下您的工作場(chǎng)所中的每個(gè)員工在下午5點(diǎn)開(kāi)車回家并為他們的車輛充電。這相當(dāng)于以0到100 mph的速度行駛，如果不破壞系統(tǒng)，至少會(huì)非常昂貴。根據(jù)NREL的《電氣化期貨研究》，對(duì)美國(guó)所有經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域廣泛電氣化的影響進(jìn)行了綜合分析，到2050年，電動(dòng)汽車可能會(huì)在電力需求高峰期間使能源使用量增加33%，這是一天的昂貴間隔，采購(gòu)。用鴨子曲線的話來(lái)說(shuō)，電動(dòng)汽車會(huì)進(jìn)一步拉傷鴨子的脖子。

Meintz的“瘋狂”方法想象的是，電動(dòng)汽車的控制策略是經(jīng)過(guò)深思熟慮的，旨在緩解而不是加劇即將到來(lái)的電力需求。這意味著管理車輛充電的時(shí)間和地點(diǎn)，以在電網(wǎng)上創(chuàng)建靈活的負(fù)載。

在NREL，正在為電網(wǎng)邊緣(如RECHARGEPDF中的消費(fèi)者和能源用戶連接至電網(wǎng))和整個(gè)配電系統(tǒng)(如GEMINI-XFC projectPDF中)開(kāi)發(fā)智能調(diào)度策略，以優(yōu)化充電。這兩個(gè)項(xiàng)目都是由美國(guó)能源部(DOE)的車輛技術(shù)辦公室資助的，它們依靠NREL的能源系統(tǒng)集成設(shè)施的先進(jìn)功能來(lái)模擬未來(lái)的能源系統(tǒng)。

在電網(wǎng)邊緣，可以將電動(dòng)汽車與分布式能源(小規(guī)模發(fā)電或存儲(chǔ)技術(shù))進(jìn)行共同優(yōu)化，這是與伊頓公司合作的主題，這使行業(yè)觀點(diǎn)得以對(duì)電動(dòng)汽車車隊(duì)進(jìn)行協(xié)調(diào)管理。

在更大的系統(tǒng)級(jí)別，GEMINI-XFC項(xiàng)目將EV優(yōu)化方案擴(kuò)展到了城市規(guī)模(具體來(lái)說(shuō)是舊金山灣區(qū))。

“ GEMINI-XFC涉及運(yùn)輸和電網(wǎng)的最高保真度建模，”并網(wǎng)能源系統(tǒng)NREL研究經(jīng)理Bryan Palmintier說(shuō)道。

“我們將未來(lái)的交通運(yùn)輸方案與大型都會(huì)區(qū)協(xié)同仿真 PDF 相結(jié)合-數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的模擬客戶和切合實(shí)際的配送系統(tǒng)模型-以找到幫助電網(wǎng)的車輛的最佳方法。”

例如，GEMINI-XFC和RECHARGE可以預(yù)見(jiàn)未來(lái)的電氣化方案，然后插入控件以減少電網(wǎng)擁堵或抵消峰值需求。電動(dòng)汽車充電涉及一種空殼游戲，其中負(fù)載在充電站之間不斷移動(dòng)以適應(yīng)電網(wǎng)需求。

但是對(duì)于重型車輛而言，負(fù)載很難隱藏。電動(dòng)卡車車隊(duì)將很快上路，創(chuàng)造出數(shù)兆瓦的局部需求。重新路由的數(shù)量無(wú)法避免為重型車輛或其他極端快速充電(XFC)實(shí)例充電的需求。為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，NREL正在與工業(yè)界和其他國(guó)家實(shí)驗(yàn)室合作，研究并展示實(shí)現(xiàn)1MW充電站 PDF所必需的技術(shù)能力，該充電站能夠以很高的能量為中型和重型車輛快速充電。

為了達(dá)到這樣的規(guī)模，NREL還考慮采用基于先進(jìn)材料的新型功率轉(zhuǎn)換硬件，例如寬帶隙半導(dǎo)體，以及新的控制器和算法，這些控制器和算法特別適合需要大量充電的車輛。集成1兆瓦以上充電所面臨的挑戰(zhàn)也將NREL研究推向更高的功率：即將出現(xiàn)的功能將著眼于與其他能源行業(yè)相配套的許多兆瓦系統(tǒng)。

氫氣可再生道路

在NREL，更大的研究能力可以滿足對(duì)更大充電需求的需求。ARIES的發(fā)布為能源系統(tǒng)集成研究打開(kāi)了大門(mén)，其規(guī)模是當(dāng)前能力的20倍(從2兆瓦增加到20兆瓦)。至關(guān)重要的是，它提供了一個(gè)機(jī)會(huì)，使您可以了解如何與其他公用事業(yè)規(guī)模的資產(chǎn)共同優(yōu)化具有高能源需求的出行方式，以提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性。

燃料電池和氫氣實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目經(jīng)理Keith Wipke表示：“如果電網(wǎng)負(fù)載穩(wěn)定，嗡嗡作響，那么卡車需要500 kW或更高的功率，這可能會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成巨大破壞。” NREL的技術(shù)。

電池存儲(chǔ)系統(tǒng)可以部分滿足這種高功率需求。或者它可以完全隱藏在氫氣生產(chǎn)中。Wipke的計(jì)劃在美國(guó)能源部氫氣和燃料電池技術(shù)辦公室的支持下，一直在研究電解器(利用電將水分解為氫和氧的裝置)如何抵消XFC對(duì)電網(wǎng)的影響。這些努力也與美國(guó)能源部的H2 @ Scale愿景緊密相關(guān)，該愿景是在重型運(yùn)輸，發(fā)電和金屬制造等多個(gè)部門(mén)中以可承受且有效的方式使用氫。

威普克說(shuō)：“我們正在模擬一種可以滿足重型電池電動(dòng)汽車充電負(fù)荷的電解槽。當(dāng)開(kāi)始快速充電時(shí)，電解槽將傾斜。當(dāng)快速充電結(jié)束時(shí)，電解槽將傾斜向上。” “如果順利完成，該實(shí)用程序甚至都不知道它正在發(fā)生。”

由于電解器利用了需求不足時(shí)期的廉價(jià)電子，因此可以在現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)生大量的氫氣。這創(chuàng)造了從折價(jià)電力轉(zhuǎn)化為燃料的自然能源途徑。因此，難怪幾家知名的運(yùn)輸和燃料公司最近與NREL發(fā)起了數(shù)百萬(wàn)美元的合作伙伴關(guān)系，以發(fā)展重型氫車輛技術(shù)。

威普克說(shuō)：“將充電基礎(chǔ)設(shè)施從單輛示范電池電動(dòng)卡車的50千瓦擴(kuò)大到100輛車的5,000千瓦的物流可能會(huì)帶來(lái)挑戰(zhàn)，” Wipke說(shuō)。“氫氣的比例非常好;您基本上是將氫氣帶到加油站或在現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)，但是無(wú)論哪種方式，加氫事件都會(huì)及時(shí)與制氫脫鉤，為電網(wǎng)帶來(lái)好處。”

較長(zhǎng)的行駛里程和快速的加油時(shí)間(包括DOE的目標(biāo)是為卡車加油10分鐘)已經(jīng)使氫氣成為倉(cāng)庫(kù)叉車中出色的解決方案。此外，NREL發(fā)現(xiàn)分布式電解槽可以同時(shí)產(chǎn)生氫氣并改善電壓條件，這可以為容納可變資源中更多能量的電網(wǎng)增加急需的穩(wěn)定性。

這些使用多種技術(shù)共同優(yōu)化與網(wǎng)格的移動(dòng)性的示例正在鼓勵(lì)NREL及其合作伙伴追求新的系統(tǒng)集成規(guī)模。幾個(gè)具有前瞻性的項(xiàng)目正在將城市交通作為一種能源解決方案進(jìn)行重新構(gòu)想，這些解決方案融合了交通技術(shù)的相對(duì)優(yōu)勢(shì)，兩者相輔相成，填補(bǔ)了電網(wǎng)可靠性的重要空白。

城市交通的未來(lái)

高滲透率的電氣化交通將是什么樣?一些NREL項(xiàng)目提供了一些觀點(diǎn)。在最具試驗(yàn)性的項(xiàng)目中，NREL正在幫助丹佛市建立一個(gè)智能社區(qū)，該社區(qū)與電動(dòng)化交通相集成，并具有自動(dòng)充電和車輛調(diào)度功能。

在通往高級(jí)出行的另一條道路上，洛杉磯已著手進(jìn)行電力系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施現(xiàn)代化的計(jì)劃，目標(biāo)是到2045年實(shí)現(xiàn)100%的可再生能源供應(yīng)，并為建筑物和車輛設(shè)定積極的電氣化目標(biāo)。通過(guò)“洛杉磯100%可再生能源研究”，紐約市目前正在與NREL合作，通過(guò)詳細(xì)分析評(píng)估過(guò)渡的全面影響，該分析將整個(gè)實(shí)驗(yàn)室的各種功能整合在一起。

過(guò)渡將包括美國(guó)最繁忙的集裝箱港口長(zhǎng)灘港。

在港口，NREL正在應(yīng)用與其他項(xiàng)目相同的情景預(yù)測(cè)和控制評(píng)估，以便找到可以整合以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)穩(wěn)定性和可靠服務(wù)質(zhì)量的最佳技術(shù)組合：氫燃料混合燃料電池和電動(dòng)汽車，電池存儲(chǔ)系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)可再生能源發(fā)電以及一切之間的極端協(xié)調(diào)。

威普克說(shuō)：“港口的氫氣和卡車一樣有意義：船舶應(yīng)用對(duì)電力和能源的需求很大。” “但這實(shí)際上是多種技術(shù)之間的協(xié)同作用-電動(dòng)汽車的現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施和大容量電池系統(tǒng)的靈活性-才真正有可能向高可再生能源過(guò)渡。”

像長(zhǎng)灘港一樣，全國(guó)各地的交通樞紐正在適應(yīng)新的出行解決方案的復(fù)雜環(huán)境。機(jī)場(chǎng)和公交車站涉及的旅客，貨物和服務(wù)的移動(dòng)量超過(guò)了其他任何地方。隨著向數(shù)字化互聯(lián)電動(dòng)交通的轉(zhuǎn)變改變了機(jī)場(chǎng)未來(lái)的計(jì)劃，諸如雅典娜之類的NREL項(xiàng)目正在利用高性能計(jì)算的力量來(lái)展示這些樞紐如何使單位能源，時(shí)間的旅客和貨運(yùn)機(jī)動(dòng)性價(jià)值最大化。和/或費(fèi)用。

但是，交通樞紐的復(fù)雜性才剛剛開(kāi)始增長(zhǎng)。展望未來(lái)，乘車共享電動(dòng)汽車，自動(dòng)駕駛汽車和自動(dòng)乘車共享電動(dòng)汽車車隊(duì)將為管理移動(dòng)性做出最大的努力。

自駕電網(wǎng)

為了了解未來(lái)出行服務(wù)提供商的全部影響，NREL開(kāi)發(fā)了HIVE(高度集成車輛生態(tài)系統(tǒng))模擬框架。HIVE結(jié)合了與滿足出行需求和電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)相關(guān)的因素，例如客戶拼車或延遲出行的意愿以及可能隨時(shí)間變化的充電成本，并在集成環(huán)境中模擬了結(jié)果。

“我們的問(wèn)題是，您如何優(yōu)化主要目的是提供乘車并改善該車隊(duì)的調(diào)度和收費(fèi)的車隊(duì)的管理?” NREL車輛系統(tǒng)工程師Eric Wood說(shuō)。

HIVE是NREL自主能源系統(tǒng)研究的一部分，旨在優(yōu)化對(duì)自動(dòng)車隊(duì)的控制。即，優(yōu)化了電動(dòng)汽車的路線和調(diào)度。

該項(xiàng)目設(shè)想了價(jià)格信號(hào)如何影響調(diào)度算法。考慮一個(gè)通過(guò)乘車應(yīng)用程序預(yù)訂通勤的客戶。在附近的車隊(duì)中(收費(fèi)各不相同且位置不斷變化)，應(yīng)該選擇哪一個(gè)接客?

現(xiàn)在考慮一下城市中成千上萬(wàn)名乘客的行進(jìn)和提供運(yùn)輸服務(wù)的數(shù)千輛車。伍德說(shuō)，在代理商的數(shù)量中，能源供求的瞬間變化以及供應(yīng)商技術(shù)的廣泛多樣性，“我們正在考慮很多參數(shù)”。

但是消除了所有復(fù)雜性，并且在大規(guī)模仿真中，車輛到網(wǎng)格集成的最終目標(biāo)是一致的：

伍德說(shuō)：“我們工作的動(dòng)機(jī)是預(yù)測(cè)運(yùn)輸電氣化會(huì)給電網(wǎng)帶來(lái)巨大的負(fù)荷。” “我們希望確保安全有效地整合這一負(fù)載，同時(shí)滿足乘客的期望和需求。”

真正的替代，無(wú)須警告

電動(dòng)汽車不一定對(duì)電網(wǎng)有幫助，但確實(shí)可以。隨著電動(dòng)汽車在交通運(yùn)輸領(lǐng)域的發(fā)展，NREL正在研究如何消除電動(dòng)化可能對(duì)電網(wǎng)造成的任何顛簸，并為通勤者或工業(yè)帶來(lái)任何好處。

梅因茨說(shuō)：“這一切都?xì)w功于負(fù)載靈活性。” “我們正在試圖決定如何優(yōu)化調(diào)度車輛充電以滿足服務(wù)質(zhì)量的考慮，同時(shí)還要使充電成本最小化。”