家用冷氣機如何在不影響舒適度的情況下平衡電網？

隨著風能和太陽能逐漸加入電力供應系統，雖然有助於減少碳排放，但其間歇性卻對傳統的電力供需平衡方法構成挑戰。通常，平衡電網需要調整傳統大型發電廠的電力輸出。然而，若能協調多種小型分散式能源資源的發電與用電，不僅能提升電網的可靠性，還能更好地整合風能和太陽能。

根據密西根大學主導的一項研究，利用德州奧斯汀地區的家庭冷氣機作為分散式能源資源，可以主動平衡電網，同時不犧牲居住者的舒適度。這項研究發表在《IEEE智慧電網交易》期刊上。研究指出，冷氣機在開啟或關閉後，室內溫度需要一段時間才會變化，這使得冷氣機非常適合用於頻率調節——一種電力廠調整發電量以將電網頻率恢復到60 Hz標準的可靠性服務。

冷氣機透過開啟或關閉來維持室內溫度在設定值附近的小範圍內。透過略微調整這些開關的時機，並協調大量冷氣機的變化，這些冷氣機可以集體調整其電力消耗，幫助將電網頻率恢復到60 Hz。密西根大學電機工程與電腦科學系副教授、該研究的通訊作者Johanna Mathieu表示：「家用冷氣機可以提供高價值的電網平衡服務，而不影響屋主的舒適度。這項資源非常龐大且已經存在，我們只需要善加利用。」

到目前為止，大多數像這樣的「靈活負載」電網平衡策略僅在模擬中進行測試。為了在現實世界中驗證這些想法，密西根大學團隊與Pecan Street Inc.合作，招募了德州奧斯汀地區的家庭參與研究。該研究的首席作者、密西根大學電機與電腦工程博士畢業生Ioannis Marios Granitsas指出：「在現實世界中測試這些方法時，會遇到多項挑戰。例如，資料可用性可能比純模擬研究中假設的要有限得多。克服這些限制是一項非常令人興奮的任務，需要創造性的解決方案。」

在整個研究過程中，約有100戶家庭參與了四次持續一小時的頻率調節事件。研究人員還透過模擬冷氣機來補充相對較小的樣本量。由於智慧家居恆溫器不允許第三方進行開/關控制，這對頻率調節造成了障礙。為瞭解決這個問題，研究人員在每個家庭中安裝了自訂的硬體控制板和感應器。這使得主控制演算法能夠透過雲端向每個家庭的冷氣機分發指令，並在10秒內對電網變化做出反應。

該系統成功協調了冷氣機以提供頻率調節（即追蹤每2秒變化一次的目標電力訊號），其效能評分遠高於行業標準閾值。重要的是，頻率調節並未影響舒適度。屋主被賦予了控制權，但在大多數情況下並未使用，僅在一種情況下使用了兩次。根據溫度感應器的資料，家庭溫度僅與設定值最大偏差1.6°F。

Pecan Street Inc.技術長、該研究的共同作者Scott Hinson表示：「多年來，我們瞭解到，參與HVAC控制研究的參與者希望有某種方式選擇退出計劃。這對招募至關重要。這些是有人居住的家庭，我們必須獲得參與者的信任。我們還瞭解到，如果控制操作正確，幾乎沒有參與者需要退出當天的活動。」

為了確保可擴充套件性，控制方法使用了冷氣機集合的動態模型。模型的大小不受管理的冷氣機數量的影響，這為擴大規模提供了潛力。然而，智慧恆溫器的限制成為了一個障礙，因為為每個連線的家庭安裝硬體在大規模上並不實際。如果智慧恆溫器公司開放其應用程式介面（API）以允許第三方進行頻率調節控制，將加速這一程序。

Pecan Street Inc.和洛斯阿拉莫斯國家實驗室的研究人員也對這項研究做出了貢獻，加州大學柏克萊分校的研究人員也參與了整個專案。