不管插電式電動(dòng)汽車什么時(shí)候能足夠普及，使用由成千上萬的這種電動(dòng)汽車匯聚起來的電池容量作為能量?jī)?chǔ)備以平衡電網(wǎng)的峰值需求這個(gè)概念，并不是最近才提出來的，而給發(fā)電廠(或電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商)在工業(yè)和國(guó)內(nèi)用戶群范圍內(nèi)自由控制各種負(fù)載以限制峰值的概念也是老早就有了。然而，如何管理這種機(jī)制一直很不明確。

將能量存儲(chǔ)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(fā)電廠等方案非常受限，而且我們?nèi)狈﹄姵丶夹g(shù)來實(shí)現(xiàn)這種解決方案。麻省理工學(xué)院的這篇論文提供了解決問題的新思路。這些研究人員認(rèn)為，家庭和辦公室中的“智能電器”，比如可以遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)的自動(dòng)恒溫器，以及插入電網(wǎng)的電動(dòng)汽車，可以集中起來用作大容量電池，實(shí)現(xiàn)一種更低成本更低排放的電網(wǎng)發(fā)電備份解決方案。

然而，要讓發(fā)電廠信任虛擬電池，就必須嚴(yán)格地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(jīng)在這方面作出了諸多的努力。

“我們有大量的這些靈活的電力負(fù)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(xué)院信息與決策系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室(LIDS)的博士后DariaMadjidian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(fā)出適當(dāng)?shù)乃惴▉硪赃@樣的方式調(diào)節(jié)這些負(fù)載的功耗：不僅滿足它們所有的約束條件，而且對(duì)電源系統(tǒng)來說呈現(xiàn)為一種電池，可以存儲(chǔ)一定數(shù)量的能量，并以某個(gè)速率吸收和釋放能量？”

在將電力負(fù)荷集中起來作為單個(gè)電池的方案中，研究人員在電池容量和充放電速率之間找到了一種平衡。

然而，這種平衡可以按天或甚至按小時(shí)重新協(xié)調(diào)。如果某一天電力供應(yīng)商認(rèn)為有很大但不穩(wěn)定的風(fēng)力，就可能希望能夠以快速充電為主，以捕獲風(fēng)力渦輪機(jī)的輸出。如果另外有一天電力供應(yīng)商認(rèn)為幾乎所有的用戶會(huì)在晚上開啟他們的家用空調(diào)，那么它可能希望輸出充足的電能以滿足這種浪涌式需求。

“傳統(tǒng)電池做不到這點(diǎn)，但這些家伙可以。”Madjidian指著具有靈活充電速率的設(shè)備表示，“它們開辟了一條設(shè)計(jì)某些控制策略來針對(duì)特定目的調(diào)整設(shè)備指標(biāo)規(guī)格的途徑。”

為了理解一群負(fù)載如何用作電池，可以想象一下大型辦公大樓中的智能恒溫器。對(duì)于任意給定的溫度設(shè)定，大樓中的人們可以容忍上下0.5度的溫差而不會(huì)感到不舒服。將恒溫器向上調(diào)節(jié)0.5度，使大樓的溫度控制系統(tǒng)消耗更多的能源，相當(dāng)于給虛擬電池充電。以相反的方向調(diào)節(jié)恒溫器，使系統(tǒng)消耗更少的能量，相當(dāng)于將電池的電量釋放進(jìn)電網(wǎng)。

同樣，停在辦公大樓中的電動(dòng)汽車需要給它的電池充電，但充電速率可能快也可能慢，而且充電可能在比如4小時(shí)的時(shí)間內(nèi)的任何時(shí)刻進(jìn)行。減慢一組汽車的充電速率或推遲它們的充電時(shí)間可以減少對(duì)電網(wǎng)的需求。這種虛擬電池的充電速率受限于汽車電池的可用容量以及最大充電速率。

平衡

LIDS研究人員首先開發(fā)出了一個(gè)簡(jiǎn)單靈活的電網(wǎng)模型，其中的負(fù)載全都是一個(gè)尺寸，并且以定期間隔聯(lián)網(wǎng)。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。但在探究其原因時(shí)，研究人員發(fā)現(xiàn)了他們認(rèn)為適合幾乎任何靈活負(fù)載群的基本原理。

舉例來說，假如你有兩個(gè)電池，一個(gè)可快速充放電，另一個(gè)的充放電速度比較慢。現(xiàn)在把這兩個(gè)實(shí)際的電池當(dāng)成是一個(gè)虛擬電池，并且其處于半滿狀態(tài)。你會(huì)如何在兩個(gè)實(shí)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(gè)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(gè)實(shí)際電池的耗電一直比另一個(gè)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，如果你想盡量提高放電速率，那么你需要將充電速率較快的那個(gè)電池的電量一直保持比另一個(gè)電池更滿，這樣它就能處理任何大量的放電。

為了了解充電速率與電池容量如何取得平衡，假設(shè)兩個(gè)實(shí)際電池都是空的。為了盡量提高虛擬電池的充電速率，你需要同時(shí)使用這兩個(gè)實(shí)際電池；任何兩個(gè)電池可以比處于隔離狀態(tài)時(shí)的任何一個(gè)電池更快地吸收電量。但更快充電的那個(gè)實(shí)際電池會(huì)在另一個(gè)電池充滿之前先充滿。

因此在最大的充電速率時(shí)，虛擬電池的容量就是較快的實(shí)際電池的容量加上其充滿時(shí)另一個(gè)較慢的電池還能吸收的電量。那個(gè)慢速電池的剩余容量必須處于未用狀態(tài)。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(shí)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(jiǎn)單模型描述了這套平衡方案。在后續(xù)工作中，他們將開發(fā)更加現(xiàn)實(shí)的模型，其中負(fù)載的尺寸和時(shí)序都會(huì)作出改變。

“隨著可再生發(fā)電技術(shù)的逐漸普及，我們需要電力系統(tǒng)具有更好的靈活性。”加州大學(xué)伯克利分校能源系助理教授DuncanCallaway表示，“將來自電動(dòng)汽車（EV）和暖通空調(diào)（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(chǔ)上對(duì)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(xiàn)在于將新型電力負(fù)荷引進(jìn)了我們可以量化為虛擬電池的領(lǐng)域。”