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編者按：考艾島是夏威夷第四大島，考艾島的電力供應(yīng)為33000名居民提供電力服務(wù)，并且該島部署太陽能儲能可確保該島經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，為可再生能源的應(yīng)用建立新模式。

考艾島是太平洋中部的一個島嶼，是美國夏威夷群島的一部分。它是夏威夷第四大島，因其翠綠的山谷、陡峭的山峰、參差錯落的懸崖被稱為花園島。而考艾島的電力供應(yīng)則由考艾島公用事業(yè)合作社（KIUC）提供，為考艾島約33,000名居民提供電力服務(wù)。

2019年1月，世界上規(guī)模最大的太陽能（PV）發(fā)電廠開始為考艾島電網(wǎng)提供電力調(diào)峰服務(wù)。其部署的太陽能+儲能項(xiàng)目有望確保該島經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，并建立穩(wěn)定大規(guī)?？稍偕茉吹男履Ｊ?。而太陽能+儲能項(xiàng)目不再只是傳統(tǒng)發(fā)電設(shè)施的一種補(bǔ)充，而是可以取代它。

積極的授權(quán)

考艾島公用事業(yè)合作社（KIUC）制定了公用事業(yè)廠商最積極的可再生能源目標(biāo)之一：到2030年達(dá)到采用70％可再生資源目標(biāo)。此外，夏威夷州制定了到2045年采用100％可再生能源目標(biāo)。制定這些目標(biāo)的原因來自經(jīng)濟(jì)和環(huán)境壓力?？及瑣u現(xiàn)有的峰值發(fā)電廠采用石油為燃料，這種能源的依賴性使電力成本居高不下。由于石油價格上漲以及高昂的運(yùn)輸成本，考艾島的電力價格在美國名列前茅。

2010年之前，考艾島的能源組合只包括8％的可再生能源，是該島一直在采用的傳統(tǒng)水電設(shè)施。2010年之后，該島的可再生能源組合已經(jīng)增長到54％，這在很大程度上是因?yàn)閺V泛部署太陽能發(fā)電設(shè)施。然而，隨著太陽能發(fā)電量的增長，對單一可再生能源過度依賴的風(fēng)險也隨之增加。2016年，考艾島公用事業(yè)合作社（KIUC）日間的太陽能發(fā)電量達(dá)到了上限。該島需要更多的容量來提供一致可靠的電力，因此部署儲能系統(tǒng)變得至關(guān)重要。獨(dú)立部署的電池儲能系統(tǒng)并不能解決問題，因?yàn)樵诔潆姇r需要調(diào)度能量?？及瑣u公用事業(yè)合作社（KIUC）需要一種能夠在太陽能發(fā)電設(shè)施電力輸出很少或沒有輸出時提供可靠的電力解決方案。

正確的解決方案

考艾島公用事業(yè)合作社（KIUC）和AES分布式能源公司共同開發(fā)了一個大型太陽能發(fā)電設(shè)施和電池儲能系統(tǒng)配套部署的解決方案。這個系統(tǒng)由AES公司擁有和運(yùn)營，通過改變電力輸出以滿足峰值需求，使太陽能+儲能項(xiàng)目能夠承擔(dān)化石燃料發(fā)電廠所起的作用。其電力主要在凌晨6點(diǎn)至9點(diǎn)以及下午4點(diǎn)到晚上10點(diǎn)交付。考艾島公用事業(yè)合作社（KIUC）根據(jù)25年的購電協(xié)議以固定價格從AES公司購買電力。

AES公司就設(shè)計(jì)這個解決方案，將太陽能發(fā)電設(shè)施和電池儲能系統(tǒng)完全整合為一個可再生能源發(fā)電廠。其設(shè)計(jì)來自美國科羅拉多州博爾德的美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）的一個試點(diǎn)項(xiàng)目。這個試點(diǎn)項(xiàng)目由一個裝機(jī)容量為240 kWh太陽能發(fā)電設(shè)施和一個500 kWh的電池儲能系統(tǒng)（BESS）組成。該實(shí)驗(yàn)室的試驗(yàn)平臺提供了一個真實(shí)的環(huán)境，可以驗(yàn)證太陽能+儲能項(xiàng)目的安裝程序和技術(shù)要素。在試驗(yàn)平臺上，AES公司能夠描述系統(tǒng)響應(yīng)和延遲，改進(jìn)通信，排除控制算法故障，定義系統(tǒng)集成組件，并設(shè)置構(gòu)建指南。

在考艾島Lwai部署的這個太陽能調(diào)峰發(fā)電廠由一個裝機(jī)容量為28MW太陽能發(fā)電設(shè)施和一個裝機(jī)容量為100MW電池儲能系統(tǒng)組合而成。預(yù)計(jì)第一年運(yùn)營將提供53,000MWh電力，約占該島總能源需求的11％。這使得考艾島采用的可再生能源超過50％。

該太陽能調(diào)峰發(fā)電廠支持三種重要的配電方案：

1、它使太陽能發(fā)電設(shè)施在給電池儲能系統(tǒng)充電的同時為輸電系統(tǒng)供電，并隨著需求的變化而動態(tài)分配。

2、在晚上和早上高峰需求期間，將電池儲能系統(tǒng)中存儲的電力送到輸電系統(tǒng)。

3、它可以同時調(diào)度太陽能發(fā)電量和電池儲能系統(tǒng)的容量，以解決需求高峰或黑啟動問題，以及在電力系統(tǒng)中斷時恢復(fù)供電。雖然許多其他系統(tǒng)，特別是交流耦合系統(tǒng)共存，但它們并非為一起運(yùn)行而設(shè)計(jì)的，這個太陽能調(diào)峰發(fā)電廠需要將這些組件集成到一個系統(tǒng)中。

為了降低運(yùn)行成本，并可靠地傳輸更多電能，每個電源塊都集成在DC-DC背板上，并共用逆變器和變壓器。這種直流耦合解決方案使太陽能發(fā)電設(shè)施實(shí)現(xiàn)可調(diào)度和可控，并且比傳統(tǒng)的交流耦合系統(tǒng)更有效。此外，直流耦合架構(gòu)可節(jié)省冗余電源設(shè)備，如逆變器和變壓器，同時與交流耦合系統(tǒng)相比，可提高整體效率。此外，由于只需要采用一半數(shù)量的逆變器和變壓器，太陽能調(diào)峰發(fā)電廠比交流耦合系統(tǒng)更快、更高效、更靈活地響應(yīng)需求峰值。因此，該模型為需要對大部分太陽能發(fā)電量進(jìn)行時移的太陽能發(fā)電市場設(shè)定了新的響應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。

現(xiàn)場部署的挑戰(zhàn)

其部署的現(xiàn)場在施工以及未來的現(xiàn)場和設(shè)備維護(hù)方面提出了獨(dú)特的挑戰(zhàn)。選擇的場地有四個相鄰水庫、三座大壩、多條溝壑、未修筑的道路和陡坡，其坡度高達(dá)18%。此外，在施工之前，現(xiàn)場長滿了幾內(nèi)亞草等植被，如果不加以控制，幾內(nèi)亞草可以長到12英尺高（3.6米），并且每周生長18英寸（0.5米）。

因此，該項(xiàng)目的所有設(shè)備都必須專門為現(xiàn)場選擇和設(shè)計(jì)。AES公司采用集裝箱式設(shè)計(jì)，因此電池儲能系統(tǒng)可以作為標(biāo)準(zhǔn)集裝箱進(jìn)行運(yùn)輸和安裝。所有設(shè)備都必須通過更高的耐腐蝕性標(biāo)準(zhǔn)才能承受Kauai的多鹽潮濕空氣。此外，還引入了獨(dú)特的雙軸太陽能跟蹤器，在現(xiàn)場的陡坡上部署。雙軸太陽能跟蹤器的高度為7.5英尺高，是標(biāo)準(zhǔn)單軸太陽跟蹤器的兩倍，并且具有高架布線，允許工作人員在太陽能發(fā)電陣列下方進(jìn)行維護(hù)操作。

為了以環(huán)保的方式管理和清理生長的植被，AES與當(dāng)?shù)啬翀鲋骱炗喓贤?，在該地點(diǎn)輪換放養(yǎng)300只綿羊。這為140英畝（57公頃）的土地提供了二級農(nóng)業(yè)用途，并遵守該州土地使用委員會的指令，盡可能保留夏威夷的農(nóng)業(yè)特征。在合同過程中，放養(yǎng)綿羊?qū)⒐?jié)省數(shù)百萬美元的勞動力成本，避免使用傳統(tǒng)維護(hù)方法中使用的化石燃料和除草劑，并防止割草和雜草生長對太陽能發(fā)電設(shè)施造成損害。

為了在這個具有挑戰(zhàn)性的地點(diǎn)建造太陽能調(diào)峰發(fā)電廠，AES公司建造了八個獨(dú)立的發(fā)電單元。每個單元都集成了太陽能電池陣列和電池儲能系統(tǒng)。該發(fā)電廠的裝機(jī)容量為28MW，電池儲能系統(tǒng)每天最多可存儲100 MWh電能。該電廠設(shè)施響應(yīng)由考艾島公用事業(yè)合作社（KIUC）發(fā)布的自動發(fā)電控制（AGC）調(diào)度信號，通過工廠控制邏輯安全自動地運(yùn)行。AES公司的電氣操作技術(shù)人員支持現(xiàn)場的預(yù)防性維護(hù)、維修、承包商管理和商業(yè)管理需求。此外，AES公司還維護(hù)排水池、監(jiān)控設(shè)備、支撐結(jié)構(gòu)防腐工作，并管理工廠設(shè)置，以確保整個工廠的電池電量均衡。

社區(qū)整合

考艾島公用事業(yè)合作社（KIUC）也邀請考艾當(dāng)?shù)厣鐓^(qū)參與了該項(xiàng)目的建設(shè)，向社區(qū)居民通告部署項(xiàng)目的好處。令人關(guān)注的是，太陽能調(diào)峰發(fā)電廠能源成本低于考艾島上燃油發(fā)電廠使用的化石燃料成本。

此外，該電廠已設(shè)計(jì)、選址并整合到其他休耕地的景觀中，不需要建設(shè)額外的輸電線路。通過統(tǒng)一支持和包含公眾反饋的開發(fā)流程，AES公司和考艾島公用事業(yè)合作社（KIUC）能夠在不到兩年的時間內(nèi)從協(xié)議階段發(fā)展到運(yùn)營階段，為開發(fā)敏捷性和過程中的利益相關(guān)者合作關(guān)系制定了新的標(biāo)準(zhǔn)。

提供一種新模式

2019年1月，AES公司Lwai太陽能發(fā)電廠開始為考艾島的輸電系統(tǒng)提供晚間和早晨可再生的調(diào)峰能力。

值得注意的是，通過采用可調(diào)度的太陽能以及重要的電池儲能系統(tǒng)，這個太陽能發(fā)電廠的總成本大約是幾年前太陽能發(fā)電項(xiàng)目所需成本的一半。該項(xiàng)目建成之后將為該島的電力基礎(chǔ)設(shè)施提供電力，其成本遠(yuǎn)低于目前的燃油發(fā)電設(shè)施的電力成本，這將有助于穩(wěn)定考艾島公用事業(yè)合作社（KIUC）客戶的電價。

該項(xiàng)目將為考艾島消除每年350萬桶（5.56億升）石油的經(jīng)濟(jì)成本和環(huán)境影響?？及瑣u公用事業(yè)合作社（KIUC）和AES公司已經(jīng)合作開展了第二個項(xiàng)目，其中包括AES公司部署的一個裝機(jī)容量為19.3MW太陽能發(fā)電設(shè)施和一個裝機(jī)容量為70MW電池儲能系統(tǒng)，該設(shè)施目前正在美國國防部的太平洋導(dǎo)彈靶場設(shè)施中進(jìn)行建設(shè)。AES公司希望這種解決方案成為太陽能發(fā)電飽和市場的一種典范，在這些市場中，必須對產(chǎn)生的大部分能量實(shí)現(xiàn)時移。


考艾島公用事業(yè)合作社（KIUC）總裁兼首席執(zhí)行官David Bissell與AES分布式能源公司總裁Woody Rubin在太陽能調(diào)峰發(fā)電廠出席現(xiàn)場剪彩儀式

考艾島公用事業(yè)合作社的太陽能調(diào)峰發(fā)電廠為可再生能源的應(yīng)用建立新模式。通過解決可調(diào)度性問題，它解決了太陽能發(fā)電設(shè)施只能在配電系統(tǒng)中發(fā)揮輔助作用的折衷問題，使太陽能發(fā)電設(shè)施成為主要的發(fā)電來源，其工作模式比化石燃料工廠更實(shí)惠、更靈活、更具可持續(xù)性。

使用更穩(wěn)定的DC-DC電網(wǎng)

這個太陽能調(diào)峰發(fā)電廠的能量轉(zhuǎn)換速度比用于設(shè)備管理的傳統(tǒng)監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集（SCADA）系統(tǒng)快得多。傳統(tǒng)的監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有一秒的響應(yīng)時間，而太陽能調(diào)峰發(fā)電廠控制協(xié)調(diào)數(shù)百個設(shè)備在50毫秒內(nèi)進(jìn)行系統(tǒng)級響應(yīng)。這是因?yàn)樵摪l(fā)電廠的分布式DC-DC轉(zhuǎn)換和先進(jìn)的設(shè)備通信1500V級逆變器在固定電壓下運(yùn)行，具有分布式DC-DC轉(zhuǎn)換和先進(jìn)通信。通過將電池儲能系統(tǒng)和太陽能發(fā)電子系統(tǒng)上的DC-DC轉(zhuǎn)換器饋送雙向逆變器，可以將太陽能電池板連接到與電池相同的直流總線上。

在正常運(yùn)行中，電池儲能系統(tǒng)可以采用太陽能發(fā)電設(shè)施的電能充電而不從電網(wǎng)中獲取任何能量。此外，其獨(dú)特的設(shè)計(jì)使太陽能發(fā)電能夠通過逆變器流入電網(wǎng)，或直接進(jìn)入電池儲能系統(tǒng)。它還可以使太陽能發(fā)電設(shè)施和儲能系統(tǒng)的電力同時輸出到電網(wǎng)上。電池充電和放電由系統(tǒng)控制自動管理，系統(tǒng)控制設(shè)置為對太陽能發(fā)電設(shè)施的電壓作出反應(yīng)，從而構(gòu)建成為一個響應(yīng)速度更快、更穩(wěn)定的電網(wǎng)。

原標(biāo)題：夏威夷考艾島部署大型太陽能+儲能項(xiàng)目或改變電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)