混合动力微电网上的BESS系统为偏远的阿拉斯加社区供电

https://www.powermag.com/bess-system-on-hybrid-microgrid-powers-remote-alaskan-community/阿拉斯加科尔多瓦（Cordova）小镇位于

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阿拉斯加科尔多瓦（Cordova）小镇位于安克雷奇东南150英里处，靠近威廉王子湾（Prince William Sound）上风景如画的奥卡湾头（Orca Inlet），和铜河（Copper）口。它以其铜河帝王鲑和红鲑鱼而闻名。每年，这个小镇都会在五个月内变成一个海鲜和渔业大镇，成为美国最广阔、最丰富的商业捕鱼地点之一。

科尔多瓦的经济依赖于其商业捕鱼和加工，超过一半的家庭都从事这一行业。在铜河口捕到的鱼通常在世界各地的高级餐厅和市场上卖出高价。例如，去年铜河帝王鲑在西雅图的派克市场（Pike Place Market）卖到了每磅75美元，吸引了大量游客前来观看其著名的抛鱼者。随着旺季月份的到来，丰收的希望将大部分渔民和渔妇召唤到河边，在大马哈鱼到达捕鱼季节之前，在铜河的迁徙达到高潮。

作为阿拉斯加最大的捕鱼船队，商业捕鱼也带动了科尔多瓦的能源需求。随着春季捕鱼季节的开始，科尔多瓦的人口增加了一倍，整个镇子的交通出现了瓶颈，下船的队伍排得很长。随着几百名季节性工人的到来，鱼类加工厂也在为这个季节加紧工作，该镇经历了电力需求的高峰期，几乎是冬季高峰期的三倍。

要满足这些日益增长的需求，就必须面对许多大多数城镇没有经历过的挑战。科尔多瓦是一个偏远的社区，是阿拉斯加165个社区中的一个，只有通过飞机或船才能到达，而且没有与外部输电线路或高速公路相连。这里极端的气候也带来了挑战。在过去的五年里，科尔多瓦经历了两次7.0级以上的地震，一次大规模的火山喷发，风速高达100英里/小时的超级风暴，包括倾倒数英尺厚湿雪的暴风雪。

极端的环境、偏远的社区、渔业回报率和开放捕鱼期的变化以及捕鱼季节的高峰期的大电力需求，这些因素导致小城镇的能源消耗变化很大，而且不经济。高昂的成本是由满足高峰期需求所需的柴油消耗所驱动的。科尔多瓦需要找到一种方法来提高独立电网的能源效率和成本效益。

科尔多瓦如何结束对化石燃料的依赖？

1989年，埃克森·瓦尔迪兹（Exxon Valdez）石油泄漏事件，1,100万加仑原油泄漏到阿拉斯加的威廉王子湾（2010年深水地平线（Deepwater Horizon）石油泄漏事件之前，这是美国历史上最严重的石油泄漏事件），给科尔多瓦和整个地区造成了严重的生态和经济破坏。由于地处偏远，救灾工作无法完全满足社区的需求，该镇最终不得不重建经济基础和基础设施。在所有重建的压力中，这场灾难最终提供了新的能源机会。

科尔多瓦电力合作社(CEC)决定不再使用柴油发电机和柴油燃料，因为柴油发电机和柴油燃料必须通过船运进口，成本高且对环境有害。换句话说，该镇需要实现能源独立。

为了启动能源独立，CEC建立了一个混合微电网，从而能够采用各种来源的可再生电力，包括两个新的水电项目。

这些水电项目通过CEC的Power Creek设施的两台3兆瓦沿河水力发电机，以及Humpback Creek的一台300千瓦和两台500千瓦涡轮机、1.25兆瓦沿河水力设施来满足科尔多瓦的基本负荷。在需要的时候，CEC用主控制中心所在的Orca柴油发电机组的输出补充水力发电。两台1兆瓦的柴油发电机组以及一台2.4兆瓦、一台2.6兆瓦和一台3.7兆瓦的柴油发电机组，用于支持脱离水电运行的高峰负荷。在冬季河流结冰、水流量下降时，发电机组也会启动。

在纯水力运行模式下，运行人员通过调整Power Creek的 快动水导向器的角度来控制电网频率。这些导流器将部分水流从水轮机上引开，以调节水轮机的功率输出，从而维持电网的稳定性。这就像传统电网中的旋转储备概念一样，CEC通常会偏转约750千瓦的容量，以支持负荷的突然增加。

水电对削减成本很有帮助，平均约为0.06美元/千瓦时，而柴油发电成本可高达10倍，这取决于高度变动的燃料价格。仅水电就能满足高达78%的年需求。但是，虽然水电在夏季可以提供科尔多瓦几乎所有的电力，在冬季也可以提供很大一部分电力，但没有办法储存任何多余的电力，所以偏转的水流只是顺着河道流下来，可再生能源就会流失。

到了春天，径流为科尔多瓦提供了充足的电力。但随后捕鱼季节开始，CEC从单纯的水力发电过渡到水电与柴油相结合的发电方式。当水力储备降到750千瓦以下时，一台1兆瓦的柴油发电机组就会启动。由于柴油机必须以400千瓦的最低输出功率运行，这就增加了最终溢出的水力发电量；刚刚低于750千瓦的旋转备用所需的功率加上柴油机上线时置换的400千瓦。在这段过渡期内，CEC浪费了超过1兆瓦的水力，同时也燃烧了昂贵的柴油。根据不同的负荷模式，切换时间可以从几个小时到几天不等，而且切换时间越长，成本越高。

CEC需要解决这个问题。其团队认识到，电网规模的储能系统(ESS)将使其能够最大限度地利用可再生能源并控制成本，同时减少对进口柴油的依赖。因此，CEC求助于专门从事先进技术电池解决方案的Saft公司，开发了一个额定功率为1兆瓦、储能容量为1兆瓦时的基于锂离子的ESS解决方案。为了帮助CEC调节电力系统，并最大限度地利用当地生产的水电，他们确定了一个优选的一揽子解决方案，其中包括位于CEC电网中央变电站的日立ABB Power Grids电源转换器和电池容器。

CEC于2018年10月与日立ABB电力网合作，以其电力转换和先进的控制技术来创建电池储能系统（BESS），该系统于2019年上线。BESS提供了额外的旋转备用，使CEC能够充分利用水力发电的潜力。日立ABB电网系统与Saft公司的锂离子电池相配合，可替代柴油或水电进行电网频率稳定，以平衡系统负荷。全自动化的日立ABB电网系统是CEC微网频率形成的主要来源。

由于BESS提供的基本上是一个额外的旋转备用，它使CEC能够完全打开导流板，避免水力发电产能外溢。当流过导流板的流量降到750千瓦以下时，不是启动柴油发电机，而是指定ESS的运行原理，接上负荷注入和吸收电能，以维持电网频率。当电荷状态降至30%以下时，CEC的自动调度系统将启动柴油发电机组，此时柴油发电机组可以以400千瓦的最小输出功率运行，以满足需求，同时为电池充电。如果变化状态达到70%，净负荷仍然很低，柴油机将关闭，BESS将调节频率，同时放电，以帮助满足全部系统需求。反之，如果净负荷增加到400千瓦以上，柴油机将接管频率管理，只有在没有多余水电浪费的情况下，BESS才会进行充电并保持待机模式。

由于BESS的高性能，CEC预计每年可节省4万至5万加仑的柴油。这为增加可再生能源的使用和节省更多的柴油提供了机会。CEC还增加了一个电锅炉，保持其不断闲置的柴油发电机被加热到135F的温度，以便能立即工作，这取代了过去提供这项服务的燃油锅炉。由于增加了750千瓦的水力发电能力，CEC除了节省电网费用外，还能通过该锅炉替代数千加仑的柴油。因此，CEC能够减少对柴油的依赖，并更接近科尔多瓦电力系统的可持续性、可靠性和长期管理的目标。现在，CEC可以依靠运行和性能保证，并将专业工程集成和优化的需求外包。

科尔多瓦如何选择微电网？

由于科尔多瓦没有更大的电网连接，如果CEC的系统出现故障，电网的恢复能力至关重要。社区的偏远位置也使安装储能系统成为一个更大的后勤挑战。CEC需要选择具有良好业绩记录和长期成功经验的合作伙伴。选择日立ABB电网公司的解决方案的一个主要因素是，这些解决方案已经在阿拉斯加的其他地方进行了商业化安装，证明该技术能够承受阿拉斯加的恶劣环境。这让CEC有信心相信这些解决方案能够长期满足其需求。

在购买储能系统时，谨慎选择很重要。拆除、回收和更换一套完整的电池组，可能会在一揽子方案的初始购买价格基础上增加60%的费用。此外，工厂保修和年度维护合同可能会很昂贵，特别是对于像科尔多瓦这样的偏远社区。

CEC希望能够为其社区提供最优价值，因此需要根据研究和数据选择解决方案。第一步是进行系统建模，这得到了美国能源部储能研究主任Imre Gyuk博士的支持，他委托桑迪亚国家实验室和阿拉斯加大学费尔班克斯分校的阿拉斯加能源和电力中心进行建模。为了进一步支持建模和估计燃料的节约量，CEC参考了其多年数据库中标准化的年份的详细负荷和水力数据。此外，Saft根据新的控制理念进行了详细的模拟，以验证节油效果和计算电池老化。这成为指定ESS的起点，并提供了支持集成的成本份额。

在建模过程中，CEC了解到储能和电池技术的几个重要方面，特别是运行机制对电池老化的影响。例如，如果采用合适的电池化学成分，锂离子电池的历时老化和运行老化可以降低到每年小于3%的容量损失。虽然功率能力几乎保持不变，但伴随着往返效率的轻微损失。然而，如果激进地使用锂离子电池，以至于到了滥用的地步，锂离子电池会出现灾难性的老化。因此，工作设定点的选择对电池寿命至关重要，从而最终能获得最佳的投资回报。

此外，电池寿命期间的储能能力也是CEC要考虑的重要因素。深度蓄电池充放电循环总数会造成更快速的容量损失。例如，如果一个额定功率为1兆瓦和1兆瓦时的ESS从100%到0%的变化状态完全充放电，它将提供大约5000次循环，相当于5GWh的总能量输送。但是，如果它能保持5%左右的小充放电循环，那么同一块电池在其寿命内可以提供100万次500-kWh循环，即500GWh总容量。

随着应用的ESS规模的扩大，其寿命期GWh吞吐量和最终kWh容量也会随着其购买成本的增加而增加。平衡寿命期总成本的优先级是很重要的。频率控制操作需要许多小的充电和放电周期，这些周期可以与批量充电或放电同时进行。诀窍是针对较大的变化状态波动优化设定点，这样既能保证电池寿命，又能最大限度地节省柴油。

虽然储能项目的前置时间可能相当短，但值得花时间正确指定ESS、电源切换设备和通信接口。根据其建模，CEC估计前10年每年的成本约为17万美元，因为硬件、设计和集成、人工和其他成本都被摊销了。计算结果预测，每年可节约燃料35,000加仑。如果再加上其他节省的费用，包括减少柴油发电机组的维护费用，预计每年可节省150,000美元。

虽然最初的估计成本高于节省的费用，但社区将从整体上受益。科尔多瓦将变得更有弹性，减少对城外燃料供应的依赖。市政府官员目前也在研究实施大宗水力储存和抽水蓄能的方案，目标是用本地水电满足100%的需求。因此，ESS是CEC向自己的智能电网和智慧城市未来迈进的重要一步。到目前为止，节油效果超出预期，从电锅炉站向柴油机厂供热还可获得额外的节油效果，系统表现良好，预计BESS可节省净成本。

能源行业仍在努力全面设计和加强电网的弹性。对于像科尔多瓦这样的偏远社区，极端环境和巨大的需求峰值，没有时间等待一个明确的最终解决方案。最终的愿景是拥有一个自给自足、可持续发展的电力系统，不仅用于传统的发电和售电，而且用于支持家庭供暖、电动汽车充电以及有朝一日渔船和飞机等有益的电气化。虽然还有很长的路要走，但ESS项目代表了CEC和科尔多瓦镇在实现其愿景的道路上，在电网优化和弹性方面的一个重要里程碑。

-Clay Koplin是Cordova Electric Cooperative（科尔多瓦电力合作社CEC）的首席执行官，他担任科尔多瓦市长和其他社区组织的领导职务，致力于在阿拉斯加建立一个繁荣的社区。作为一名拥有MBA学位的合格电气工程师，他在项目管理、地下电力和通信线路设计、电力公司业务管理、战略规划和执行等方面拥有丰富的专业知识。

Translated by Lincoln