电网协调为电动汽车的灵活性开辟道路

随着电动汽车(EV)的销售继续增长，电网正在与其100年历史上的最大变革同时竞争：可再生能源和电力电子设备的大规模集成。电动汽车的预期扩展将把这些挑战转移到更高的水平，使城市面临电力需求的千兆瓦增长和更多的可变能源。

将大量的电动汽车与动力系统配合起来是一个非常复杂的挑战。电动汽车会引入高度依赖于客户行为的可变电气负载。电气化运输涉及与其他能源系统的共同优化，例如天然气和大容量电池的存储。它可能涉及自动打车电动车的车队，并导致混合动力卡车停靠站，为重型车辆提供氢气和快速充电。

这些变化都将测试电网整合的极限，但是可再生能源实验室(NREL)在能源系统与交通运输的交汇处看到了机遇。借助强大的资源来模拟和评估复杂的系统，多个NREL项目正在确定快速充电，平衡电力供需以及有效利用所有能源资产所需的协调。

智能和非智能控制

要欣赏电动汽车协调充电的价值，可以想象一下相反的情况。

“我们的第一个问题是，超级简单，不协调的电动汽车充电方法可以为电网带来多少收益或负担，” NREL 电动汽车网格整合团队以及智能电动汽车充电RECHARGE项目的负责人安德鲁·梅因茨说。“然后，我们将其与万物相连的'whiz-bang'方法进行比较。我们想知道价值的差异。”

Meintz用“超级简单”的方法解释说，电池供电的电动汽车的市场份额不断增长，而汽车充电协调却没有任何发展。想象一下您的工作场所中的每个员工在下午5点开车回家并为他们的车辆充电。这相当于以0到100 mph的速度行驶，如果不破坏系统，至少会非常昂贵。根据NREL的《电气化期货研究》，对所有经济领域广泛电气化的影响进行了综合分析，到2050年，电动汽车可能会在电力需求高峰期间使能源使用量增加33%，这是一天的昂贵间隔，采购。用鸭子曲线的话来说，电动汽车会进一步拉伤鸭子的脖子。

Meintz的“疯狂”方法想象的是，电动汽车的控制策略是经过深思熟虑的，旨在缓解而不是加剧即将到来的电力需求。这意味着管理车辆充电的时间和地点，以在电网上创建灵活的负载。

在NREL，正在为电网边缘(如RECHARGEPDF中的消费者和能源用户连接至电网)和整个配电系统(如GEMINI-XFC projectPDF中)开发智能调度策略，以优化充电。这两个项目都是由能源部(DOE)的车辆技术办公室资助的，它们依靠NREL的能源系统集成设施的先进功能来模拟未来的能源系统。

在电网边缘，可以将电动汽车与分布式能源(小规模发电或存储技术)进行共同优化，这是与伊顿公司合作的主题，这使行业观点得以对电动汽车车队进行协调管理。

在更大的系统级别，GEMINI-XFC项目将EV优化方案扩展到了城市规模(具体来说是旧金山湾区)。

“ GEMINI-XFC涉及运输和电网的最高保真度建模，”并网能源系统NREL研究经理Bryan Palmintier说道。

“我们将未来的交通运输方案与大型都会区协同仿真 PDF 相结合-数以百万计的模拟客户和切合实际的配送系统模型-以找到帮助电网的车辆的最佳方法。”

例如，GEMINI-XFC和RECHARGE可以预见未来的电气化方案，然后插入控件以减少电网拥堵或抵消峰值需求。电动汽车充电涉及一种空壳游戏，其中负载在充电站之间不断移动以适应电网需求。

但是对于重型车辆而言，负载很难隐藏。电动卡车车队将很快上路，创造出数兆瓦的局部需求。重新路由的数量无法避免为重型车辆或其他极端快速充电(XFC)实例充电的需求。为了应对这一挑战，NREL正在与工业界和其他实验室合作，研究并展示实现1MW充电站 PDF所必需的技术能力，该充电站能够以很高的能量为中型和重型车辆快速充电。

为了达到这样的规模，NREL还考虑采用基于先进材料的新型功率转换硬件，例如宽带隙半导体，以及新的控制器和算法，这些控制器和算法特别适合需要大量充电的车辆。集成1兆瓦以上充电所面临的挑战也将NREL研究推向更高的功率：即将出现的功能将着眼于与其他能源行业相配套的许多兆瓦系统。

氢气可再生道路

在NREL，更大的研究能力可以满足对更大充电需求的需求。ARIES的发布为能源系统集成研究打开了大门，其规模是当前能力的20倍(从2兆瓦增加到20兆瓦)。至关重要的是，它提供了一个机会，使您可以了解如何与其他公用事业规模的资产共同优化具有高能源需求的出行方式，以提高电网的稳定性。

燃料电池和氢气实验室项目经理Keith Wipke表示：“如果电网负载稳定，嗡嗡作响，那么卡车需要500 kW或更高的功率，这可能会对电网造成巨大破坏。” NREL的技术。

电池存储系统可以部分满足这种高功率需求。或者它可以完全隐藏在氢气生产中。Wipke的计划在能源部氢气和燃料电池技术办公室的支持下，一直在研究电解器(利用电将水分解为氢和氧的装置)如何抵消XFC对电网的影响。这些努力也与能源部的H2 @ Scale愿景紧密相关，该愿景是在重型运输，发电和金属制造等多个部门中以可承受且有效的方式使用氢。

威普克说：“我们正在模拟一种可以满足重型电池电动汽车充电负荷的电解槽。当开始快速充电时，电解槽将倾斜。当快速充电结束时，电解槽将倾斜向上。” “如果顺利完成，该实用程序甚至都不知道它正在发生。”

由于电解器利用了需求不足时期的廉价电子，因此可以在现场产生大量的氢气。这创造了从折价电力转化为燃料的自然能源途径。因此，难怪几家知名的运输和燃料公司最近与NREL发起了数百万美元的合作伙伴关系，以发展重型氢车辆技术。

威普克说：“将充电基础设施从单辆示范电池电动卡车的50千瓦扩大到100辆车的5,000千瓦的物流可能会带来挑战，” Wipke说。“氢气的比例非常好;您基本上是将氢气带到加油站或在现场生产，但是无论哪种方式，加氢事件都会及时与制氢脱钩，为电网带来好处。”

较长的行驶里程和快速的加油时间(包括DOE的目标是为卡车加油10分钟)已经使氢气成为仓库叉车中出色的解决方案。此外，NREL发现分布式电解槽可以同时产生氢气并改善电压条件，这可以为容纳可变资源中更多能量的电网增加急需的稳定性。

这些使用多种技术共同优化与网格的移动性的示例正在鼓励NREL及其合作伙伴追求新的系统集成规模。几个具有前瞻性的项目正在将城市交通作为一种能源解决方案进行重新构想，这些解决方案融合了交通技术的相对优势，两者相辅相成，填补了电网可靠性的重要空白。

城市交通的未来

高渗透率的电气化交通将是什么样?一些NREL项目提供了一些观点。在最具试验性的项目中，NREL正在帮助丹佛市建立一个智能社区，该社区与电动化交通相集成，并具有自动充电和车辆调度功能。

在通往高级出行的另一条道路上，洛杉矶已着手进行电力系统基础设施现代化的计划，目标是到2045年实现100%的可再生能源供应，并为建筑物和车辆设定积极的电气化目标。通过“洛杉矶100%可再生能源研究”，纽约市目前正在与NREL合作，通过详细分析评估过渡的全面影响，该分析将整个实验室的各种功能整合在一起。

过渡将包括最繁忙的集装箱港口长滩港。

在港口，NREL正在应用与其他项目相同的情景预测和控制评估，以便找到可以整合以实现电网稳定性和可靠服务质量的最佳技术组合：氢燃料混合燃料电池和电动汽车，电池存储系统，现场可再生能源发电以及一切之间的极端协调。

威普克说：“港口的氢气和卡车一样有意义：船舶应用对电力和能源的需求很大。” “但这实际上是多种技术之间的协同作用-电动汽车的现有基础设施和大容量电池系统的灵活性-才真正有可能向高可再生能源过渡。”

像长滩港一样，全国各地的交通枢纽正在适应新的出行解决方案的复杂环境。机场和公交车站涉及的旅客，货物和服务的移动量超过了其他任何地方。随着向数字化互联电动交通的转变改变了机场未来的计划，诸如雅典娜之类的NREL项目正在利用高性能计算的力量来展示这些枢纽如何使单位能源，时间的旅客和货运机动性价值最大化。和/或费用。

但是，交通枢纽的复杂性才刚刚开始增长。展望未来，乘车共享电动汽车，自动驾驶汽车和自动乘车共享电动汽车车队将为管理移动性做出最大的努力。

自驾电网

为了了解未来出行服务提供商的全部影响，NREL开发了HIVE(高度集成车辆生态系统)模拟框架。HIVE结合了与满足出行需求和电网运营相关的因素，例如客户拼车或延迟出行的意愿以及可能随时间变化的充电成本，并在集成环境中模拟了结果。

“我们的问题是，您如何优化主要目的是提供乘车并改善该车队的调度和收费的车队的管理?” NREL车辆系统工程师Eric Wood说。

HIVE是NREL自主能源系统研究的一部分，旨在优化对自动车队的控制。即，优化了电动汽车的路线和调度。

该项目设想了价格信号如何影响调度算法。考虑一个通过乘车应用程序预订通勤的客户。在附近的车队中(收费各不相同且位置不断变化)，应该选择哪一个接客?

现在考虑一下城市中成千上万名乘客的行进和提供运输服务的数千辆车。伍德说，在代理商的数量中，能源供求的瞬间变化以及供应商技术的广泛多样性，“我们正在考虑很多参数”。

但是消除了所有复杂性，并且在大规模仿真中，车辆到网格集成的最终目标是一致的：

伍德说：“我们工作的动机是预测运输电气化会给电网带来巨大的负荷。” “我们希望确保安全有效地整合这一负载，同时满足乘客的期望和需求。”

真正的替代，无须警告

电动汽车不一定对电网有帮助，但确实可以。随着电动汽车在交通运输领域的发展，NREL正在研究如何消除电动化可能对电网造成的任何颠簸，并为通勤者或工业带来任何好处。

梅因茨说：“这一切都归功于负载灵活性。” “我们正在试图决定如何优化调度车辆充电以满足服务质量的考虑，同时还要使充电成本最小化。”