電網協調為電動汽車的靈活性開辟道路

隨著美國電動汽車(EV)的銷售繼續增長，電網正在與其100年歷史上的最大變革同時競爭：可再生能源和電力電子設備的大規模集成。電動汽車的預期擴展將把這些挑戰轉移到更高的水平，使城市面臨電力需求的千兆瓦增長和更多的可變能源。

將大量的電動汽車與動力系統配合起來是一個非常復雜的挑戰。電動汽車會引入高度依賴于客戶行為的可變電氣負載。電氣化運輸涉及與其他能源系統的共同優化，例如天然氣和大容量電池的存儲。它可能涉及自動打車電動車的車隊，并導致混合動力卡車停靠站，為重型車輛提供氫氣和快速充電。

這些變化都將測試電網整合的極限，但是美國國家可再生能源實驗室(NREL)在能源系統與交通運輸的交匯處看到了機遇。借助強大的資源來模擬和評估復雜的系統，多個NREL項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所需的協調。

智能和非智能控制

要欣賞電動汽車協調充電的價值，可以想象一下相反的情況。

“我們的第一個問題是，超級簡單，不協調的電動汽車充電方法可以為電網帶來多少收益或負擔，” NREL 電動汽車網格整合團隊以及智能電動汽車充電RECHARGE項目的負責人安德魯·梅因茨說。“然后，我們將其與萬物相連的'whiz-bang'方法進行比較。我們想知道價值的差異。”

Meintz用“超級簡單”的方法解釋說，電池供電的電動汽車的市場份額不斷增長，而汽車充電協調卻沒有任何發展。想象一下您的工作場所中的每個員工在下午5點開車回家并為他們的車輛充電。這相當于以0到100 mph的速度行駛，如果不破壞系統，至少會非常昂貴。根據NREL的《電氣化期貨研究》，對美國所有經濟領域廣泛電氣化的影響進行了綜合分析，到2050年，電動汽車可能會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。用鴨子曲線的話來說，電動汽車會進一步拉傷鴨子的脖子。

Meintz的“瘋狂”方法想象的是，電動汽車的控制策略是經過深思熟慮的，旨在緩解而不是加劇即將到來的電力需求。這意味著管理車輛充電的時間和地點，以在電網上創建靈活的負載。

在NREL，正在為電網邊緣(如RECHARGEPDF中的消費者和能源用戶連接至電網)和整個配電系統(如GEMINI-XFC projectPDF中)開發智能調度策略，以優化充電。這兩個項目都是由美國能源部(DOE)的車輛技術辦公室資助的，它們依靠NREL的能源系統集成設施的先進功能來模擬未來的能源系統。

在電網邊緣，可以將電動汽車與分布式能源(小規模發電或存儲技術)進行共同優化，這是與伊頓公司合作的主題，這使行業觀點得以對電動汽車車隊進行協調管理。

在更大的系統級別，GEMINI-XFC項目將EV優化方案擴展到了城市規模(具體來說是舊金山灣區)。

“ GEMINI-XFC涉及運輸和電網的最高保真度建模，”并網能源系統NREL研究經理Bryan Palmintier說道。

“我們將未來的交通運輸方案與大型都會區協同仿真 PDF 相結合-數以百萬計的模擬客戶和切合實際的配送系統模型-以找到幫助電網的車輛的最佳方法。”

例如，GEMINI-XFC和RECHARGE可以預見未來的電氣化方案，然后插入控件以減少電網擁堵或抵消峰值需求。電動汽車充電涉及一種空殼游戲，其中負載在充電站之間不斷移動以適應電網需求。

但是對于重型車輛而言，負載很難隱藏。電動卡車車隊將很快上路，創造出數兆瓦的局部需求。重新路由的數量無法避免為重型車輛或其他極端快速充電(XFC)實例充電的需求。為了應對這一挑戰，NREL正在與工業界和其他國家實驗室合作，研究并展示實現1MW充電站 PDF所必需的技術能力，該充電站能夠以很高的能量為中型和重型車輛快速充電。

為了達到這樣的規模，NREL還考慮采用基于先進材料的新型功率轉換硬件，例如寬帶隙半導體，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也將NREL研究推向更高的功率：即將出現的功能將著眼于與其他能源行業相配套的許多兆瓦系統。

氫氣可再生道路

在NREL，更大的研究能力可以滿足對更大充電需求的需求。ARIES的發布為能源系統集成研究打開了大門，其規模是當前能力的20倍(從2兆瓦增加到20兆瓦)。至關重要的是，它提供了一個機會，使您可以了解如何與其他公用事業規模的資產共同優化具有高能源需求的出行方式，以提高電網的穩定性。

燃料電池和氫氣實驗室項目經理Keith Wipke表示：“如果電網負載穩定，嗡嗡作響，那么卡車需要500 kW或更高的功率，這可能會對電網造成巨大破壞。” NREL的技術。

電池存儲系統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中。Wipke的計劃在美國能源部氫氣和燃料電池技術辦公室的支持下，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對電網的影響。這些努力也與美國能源部的H2 @ Scale愿景緊密相關，該愿景是在重型運輸，發電和金屬制造等多個部門中以可承受且有效的方式使用氫。

威普克說：“我們正在模擬一種可以滿足重型電池電動汽車充電負荷的電解槽。當開始快速充電時，電解槽將傾斜。當快速充電結束時，電解槽將傾斜向上。” “如果順利完成，該實用程序甚至都不知道它正在發生。”

由于電解器利用了需求不足時期的廉價電子，因此可以在現場產生大量的氫氣。這創造了從折價電力轉化為燃料的自然能源途徑。因此，難怪幾家知名的運輸和燃料公司最近與NREL發起了數百萬美元的合作伙伴關系，以發展重型氫車輛技術。

威普克說：“將充電基礎設施從單輛示范電池電動卡車的50千瓦擴大到100輛車的5,000千瓦的物流可能會帶來挑戰，” Wipke說。“氫氣的比例非常好;您基本上是將氫氣帶到加油站或在現場生產，但是無論哪種方式，加氫事件都會及時與制氫脫鉤，為電網帶來好處。”

較長的行駛里程和快速的加油時間(包括DOE的目標是為卡車加油10分鐘)已經使氫氣成為倉庫叉車中出色的解決方案。此外，NREL發現分布式電解槽可以同時產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增加急需的穩定性。

這些使用多種技術共同優化與網格的移動性的示例正在鼓勵NREL及其合作伙伴追求新的系統集成規模。幾個具有前瞻性的項目正在將城市交通作為一種能源解決方案進行重新構想，這些解決方案融合了交通技術的相對優勢，兩者相輔相成，填補了電網可靠性的重要空白。

城市交通的未來

高滲透率的電氣化交通將是什么樣?一些NREL項目提供了一些觀點。在最具試驗性的項目中，NREL正在幫助丹佛市建立一個智能社區，該社區與電動化交通相集成，并具有自動充電和車輛調度功能。

在通往高級出行的另一條道路上，洛杉磯已著手進行電力系統基礎設施現代化的計劃，目標是到2045年實現100%的可再生能源供應，并為建筑物和車輛設定積極的電氣化目標。通過“洛杉磯100%可再生能源研究”，紐約市目前正在與NREL合作，通過詳細分析評估過渡的全面影響，該分析將整個實驗室的各種功能整合在一起。

過渡將包括美國最繁忙的集裝箱港口長灘港。

在港口，NREL正在應用與其他項目相同的情景預測和控制評估，以便找到可以整合以實現電網穩定性和可靠服務質量的最佳技術組合：氫燃料混合燃料電池和電動汽車，電池存儲系統，現場可再生能源發電以及一切之間的極端協調。

威普克說：“港口的氫氣和卡車一樣有意義：船舶應用對電力和能源的需求很大。” “但這實際上是多種技術之間的協同作用-電動汽車的現有基礎設施和大容量電池系統的靈活性-才真正有可能向高可再生能源過渡。”

像長灘港一樣，全國各地的交通樞紐正在適應新的出行解決方案的復雜環境。機場和公交車站涉及的旅客，貨物和服務的移動量超過了其他任何地方。隨著向數字化互聯電動交通的轉變改變了機場未來的計劃，諸如雅典娜之類的NREL項目正在利用高性能計算的力量來展示這些樞紐如何使單位能源，時間的旅客和貨運機動性價值最大化。和/或費用。

但是，交通樞紐的復雜性才剛剛開始增長。展望未來，乘車共享電動汽車，自動駕駛汽車和自動乘車共享電動汽車車隊將為管理移動性做出最大的努力。

自駕電網

為了了解未來出行服務提供商的全部影響，NREL開發了HIVE(高度集成車輛生態系統)模擬框架。HIVE結合了與滿足出行需求和電網運營相關的因素，例如客戶拼車或延遲出行的意愿以及可能隨時間變化的充電成本，并在集成環境中模擬了結果。

“我們的問題是，您如何優化主要目的是提供乘車并改善該車隊的調度和收費的車隊的管理?” NREL車輛系統工程師Eric Wood說。

HIVE是NREL自主能源系統研究的一部分，旨在優化對自動車隊的控制。即，優化了電動汽車的路線和調度。

該項目設想了價格信號如何影響調度算法。考慮一個通過乘車應用程序預訂通勤的客戶。在附近的車隊中(收費各不相同且位置不斷變化)，應該選擇哪一個接客?

現在考慮一下城市中成千上萬名乘客的行進和提供運輸服務的數千輛車。伍德說，在代理商的數量中，能源供求的瞬間變化以及供應商技術的廣泛多樣性，“我們正在考慮很多參數”。

但是消除了所有復雜性，并且在大規模仿真中，車輛到網格集成的最終目標是一致的：

伍德說：“我們工作的動機是預測運輸電氣化會給電網帶來巨大的負荷。” “我們希望確保安全有效地整合這一負載，同時滿足乘客的期望和需求。”

真正的替代，無須警告

電動汽車不一定對電網有幫助，但確實可以。隨著電動汽車在交通運輸領域的發展，NREL正在研究如何消除電動化可能對電網造成的任何顛簸，并為通勤者或工業帶來任何好處。

梅因茨說：“這一切都歸功于負載靈活性。” “我們正在試圖決定如何優化調度車輛充電以滿足服務質量的考慮，同時還要使充電成本最小化。”