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阿拉斯加科爾多瓦（Cordova）小鎮(zhèn)位于安克雷奇東南150英里處，靠近威廉王子灣（Prince William Sound）上風(fēng)景如畫(huà)的奧卡灣頭（Orca Inlet），和銅河（Copper）口。它以其銅河帝王鮭和紅鮭魚(yú)而聞名。每年，這個(gè)小鎮(zhèn)都會(huì)在五個(gè)月內(nèi)變成一個(gè)海鮮和漁業(yè)大鎮(zhèn)，成為美國(guó)最廣闊、最豐富的商業(yè)捕魚(yú)地點(diǎn)之一。

科爾多瓦的經(jīng)濟(jì)依賴于其商業(yè)捕魚(yú)和加工，超過(guò)一半的家庭都從事這一行業(yè)。在銅河口捕到的魚(yú)通常在世界各地的高級(jí)餐廳和市場(chǎng)上賣出高價(jià)。例如，去年銅河帝王鮭在西雅圖的派克市場(chǎng)（Pike Place Market）賣到了每磅75美元，吸引了大量游客前來(lái)觀看其著名的拋魚(yú)者。隨著旺季月份的到來(lái)，豐收的希望將大部分漁民和漁婦召喚到河邊，在大馬哈魚(yú)到達(dá)捕魚(yú)季節(jié)之前，在銅河的遷徙達(dá)到高潮。

作為阿拉斯加最大的捕魚(yú)船隊(duì)，商業(yè)捕魚(yú)也帶動(dòng)了科爾多瓦的能源需求。隨著春季捕魚(yú)季節(jié)的開(kāi)始，科爾多瓦的人口增加了一倍，整個(gè)鎮(zhèn)子的交通出現(xiàn)了瓶頸，下船的隊(duì)伍排得很長(zhǎng)。隨著幾百名季節(jié)性工人的到來(lái)，魚(yú)類加工廠也在為這個(gè)季節(jié)加緊工作，該鎮(zhèn)經(jīng)歷了電力需求的高峰期，幾乎是冬季高峰期的三倍。

要滿足這些日益增長(zhǎng)的需求，就必須面對(duì)許多大多數(shù)城鎮(zhèn)沒(méi)有經(jīng)歷過(guò)的挑戰(zhàn)。科爾多瓦是一個(gè)偏遠(yuǎn)的社區(qū)，是阿拉斯加165個(gè)社區(qū)中的一個(gè)，只有通過(guò)飛機(jī)或船才能到達(dá)，而且沒(méi)有與外部輸電線路或高速公路相連。這里極端的氣候也帶來(lái)了挑戰(zhàn)。在過(guò)去的五年里，科爾多瓦經(jīng)歷了兩次7.0級(jí)以上的地震，一次大規(guī)模的火山噴發(fā)，風(fēng)速高達(dá)100英里/小時(shí)的超級(jí)風(fēng)暴，包括傾倒數(shù)英尺厚濕雪的暴風(fēng)雪。

極端的環(huán)境、偏遠(yuǎn)的社區(qū)、漁業(yè)回報(bào)率和開(kāi)放捕魚(yú)期的變化以及捕魚(yú)季節(jié)的高峰期的大電力需求，這些因素導(dǎo)致小城鎮(zhèn)的能源消耗變化很大，而且不經(jīng)濟(jì)。高昂的成本是由滿足高峰期需求所需的柴油消耗所驅(qū)動(dòng)的。科爾多瓦需要找到一種方法來(lái)提高獨(dú)立電網(wǎng)的能源效率和成本效益。

科爾多瓦如何結(jié)束對(duì)化石燃料的依賴？

1989年，埃克森·瓦爾迪茲（Exxon Valdez）石油泄漏事件，1,100萬(wàn)加侖原油泄漏到阿拉斯加的威廉王子灣（2010年深水地平線（Deepwater Horizon）石油泄漏事件之前，這是美國(guó)歷史上最嚴(yán)重的石油泄漏事件），給科爾多瓦和整個(gè)地區(qū)造成了嚴(yán)重的生態(tài)和經(jīng)濟(jì)破壞。由于地處偏遠(yuǎn)，救災(zāi)工作無(wú)法完全滿足社區(qū)的需求，該鎮(zhèn)最終不得不重建經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)和基礎(chǔ)設(shè)施。在所有重建的壓力中，這場(chǎng)災(zāi)難最終提供了新的能源機(jī)會(huì)。

科爾多瓦電力合作社(CEC)決定不再使用柴油發(fā)電機(jī)和柴油燃料，因?yàn)椴裼桶l(fā)電機(jī)和柴油燃料必須通過(guò)船運(yùn)進(jìn)口，成本高且對(duì)環(huán)境有害。換句話說(shuō)，該鎮(zhèn)需要實(shí)現(xiàn)能源獨(dú)立。

為了啟動(dòng)能源獨(dú)立，CEC建立了一個(gè)混合微電網(wǎng)，從而能夠采用各種來(lái)源的可再生電力，包括兩個(gè)新的水電項(xiàng)目。

這些水電項(xiàng)目通過(guò)CEC的Power Creek設(shè)施的兩臺(tái)3兆瓦沿河水力發(fā)電機(jī)，以及Humpback Creek的一臺(tái)300千瓦和兩臺(tái)500千瓦渦輪機(jī)、1.25兆瓦沿河水力設(shè)施來(lái)滿足科爾多瓦的基本負(fù)荷。在需要的時(shí)候，CEC用主控制中心所在的Orca柴油發(fā)電機(jī)組的輸出補(bǔ)充水力發(fā)電。兩臺(tái)1兆瓦的柴油發(fā)電機(jī)組以及一臺(tái)2.4兆瓦、一臺(tái)2.6兆瓦和一臺(tái)3.7兆瓦的柴油發(fā)電機(jī)組，用于支持脫離水電運(yùn)行的高峰負(fù)荷。在冬季河流結(jié)冰、水流量下降時(shí)，發(fā)電機(jī)組也會(huì)啟動(dòng)。

在純水力運(yùn)行模式下，運(yùn)行人員通過(guò)調(diào)整Power Creek的 快動(dòng)水導(dǎo)向器的角度來(lái)控制電網(wǎng)頻率。這些導(dǎo)流器將部分水流從水輪機(jī)上引開(kāi)，以調(diào)節(jié)水輪機(jī)的功率輸出，從而維持電網(wǎng)的穩(wěn)定性。這就像傳統(tǒng)電網(wǎng)中的旋轉(zhuǎn)儲(chǔ)備概念一樣，CEC通常會(huì)偏轉(zhuǎn)約750千瓦的容量，以支持負(fù)荷的突然增加。

水電對(duì)削減成本很有幫助，平均約為0.06美元/千瓦時(shí)，而柴油發(fā)電成本可高達(dá)10倍，這取決于高度變動(dòng)的燃料價(jià)格。僅水電就能滿足高達(dá)78%的年需求。但是，雖然水電在夏季可以提供科爾多瓦幾乎所有的電力，在冬季也可以提供很大一部分電力，但沒(méi)有辦法儲(chǔ)存任何多余的電力，所以偏轉(zhuǎn)的水流只是順著河道流下來(lái)，可再生能源就會(huì)流失。

到了春天，徑流為科爾多瓦提供了充足的電力。但隨后捕魚(yú)季節(jié)開(kāi)始，CEC從單純的水力發(fā)電過(guò)渡到水電與柴油相結(jié)合的發(fā)電方式。當(dāng)水力儲(chǔ)備降到750千瓦以下時(shí)，一臺(tái)1兆瓦的柴油發(fā)電機(jī)組就會(huì)啟動(dòng)。由于柴油機(jī)必須以400千瓦的最低輸出功率運(yùn)行，這就增加了最終溢出的水力發(fā)電量；剛剛低于750千瓦的旋轉(zhuǎn)備用所需的功率加上柴油機(jī)上線時(shí)置換的400千瓦。在這段過(guò)渡期內(nèi)，CEC浪費(fèi)了超過(guò)1兆瓦的水力，同時(shí)也燃燒了昂貴的柴油。根據(jù)不同的負(fù)荷模式，切換時(shí)間可以從幾個(gè)小時(shí)到幾天不等，而且切換時(shí)間越長(zhǎng)，成本越高。

CEC需要解決這個(gè)問(wèn)題。其團(tuán)隊(duì)認(rèn)識(shí)到，電網(wǎng)規(guī)模的儲(chǔ)能系統(tǒng)(ESS)將使其能夠最大限度地利用可再生能源并控制成本，同時(shí)減少對(duì)進(jìn)口柴油的依賴。因此，CEC求助于專門從事先進(jìn)技術(shù)電池解決方案的Saft公司，開(kāi)發(fā)了一個(gè)額定功率為1兆瓦、儲(chǔ)能容量為1兆瓦時(shí)的基于鋰離子的ESS解決方案。為了幫助CEC調(diào)節(jié)電力系統(tǒng)，并最大限度地利用當(dāng)?shù)厣a(chǎn)的水電，他們確定了一個(gè)優(yōu)選的一攬子解決方案，其中包括位于CEC電網(wǎng)中央變電站的日立ABB Power Grids電源轉(zhuǎn)換器和電池容器。

CEC于2018年10月與日立ABB電力網(wǎng)合作，以其電力轉(zhuǎn)換和先進(jìn)的控制技術(shù)來(lái)創(chuàng)建電池儲(chǔ)能系統(tǒng)（BESS），該系統(tǒng)于2019年上線。BESS提供了額外的旋轉(zhuǎn)備用，使CEC能夠充分利用水力發(fā)電的潛力。日立ABB電網(wǎng)系統(tǒng)與Saft公司的鋰離子電池相配合，可替代柴油或水電進(jìn)行電網(wǎng)頻率穩(wěn)定，以平衡系統(tǒng)負(fù)荷。全自動(dòng)化的日立ABB電網(wǎng)系統(tǒng)是CEC微網(wǎng)頻率形成的主要來(lái)源。

由于BESS提供的基本上是一個(gè)額外的旋轉(zhuǎn)備用，它使CEC能夠完全打開(kāi)導(dǎo)流板，避免水力發(fā)電產(chǎn)能外溢。當(dāng)流過(guò)導(dǎo)流板的流量降到750千瓦以下時(shí)，不是啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)，而是指定ESS的運(yùn)行原理，接上負(fù)荷注入和吸收電能，以維持電網(wǎng)頻率。當(dāng)電荷狀態(tài)降至30%以下時(shí)，CEC的自動(dòng)調(diào)度系統(tǒng)將啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)組，此時(shí)柴油發(fā)電機(jī)組可以以400千瓦的最小輸出功率運(yùn)行，以滿足需求，同時(shí)為電池充電。如果變化狀態(tài)達(dá)到70%，凈負(fù)荷仍然很低，柴油機(jī)將關(guān)閉，BESS將調(diào)節(jié)頻率，同時(shí)放電，以幫助滿足全部系統(tǒng)需求。反之，如果凈負(fù)荷增加到400千瓦以上，柴油機(jī)將接管頻率管理，只有在沒(méi)有多余水電浪費(fèi)的情況下，BESS才會(huì)進(jìn)行充電并保持待機(jī)模式。

由于BESS的高性能，CEC預(yù)計(jì)每年可節(jié)省4萬(wàn)至5萬(wàn)加侖的柴油。這為增加可再生能源的使用和節(jié)省更多的柴油提供了機(jī)會(huì)。CEC還增加了一個(gè)電鍋爐，保持其不斷閑置的柴油發(fā)電機(jī)被加熱到135F的溫度，以便能立即工作，這取代了過(guò)去提供這項(xiàng)服務(wù)的燃油鍋爐。由于增加了750千瓦的水力發(fā)電能力，CEC除了節(jié)省電網(wǎng)費(fèi)用外，還能通過(guò)該鍋爐替代數(shù)千加侖的柴油。因此，CEC能夠減少對(duì)柴油的依賴，并更接近科爾多瓦電力系統(tǒng)的可持續(xù)性、可靠性和長(zhǎng)期管理的目標(biāo)。現(xiàn)在，CEC可以依靠運(yùn)行和性能保證，并將專業(yè)工程集成和優(yōu)化的需求外包。

科爾多瓦如何選擇微電網(wǎng)？

由于科爾多瓦沒(méi)有更大的電網(wǎng)連接，如果CEC的系統(tǒng)出現(xiàn)故障，電網(wǎng)的恢復(fù)能力至關(guān)重要。社區(qū)的偏遠(yuǎn)位置也使安裝儲(chǔ)能系統(tǒng)成為一個(gè)更大的后勤挑戰(zhàn)。CEC需要選擇具有良好業(yè)績(jī)記錄和長(zhǎng)期成功經(jīng)驗(yàn)的合作伙伴。選擇日立ABB電網(wǎng)公司的解決方案的一個(gè)主要因素是，這些解決方案已經(jīng)在阿拉斯加的其他地方進(jìn)行了商業(yè)化安裝，證明該技術(shù)能夠承受阿拉斯加的惡劣環(huán)境。這讓CEC有信心相信這些解決方案能夠長(zhǎng)期滿足其需求。

在購(gòu)買儲(chǔ)能系統(tǒng)時(shí)，謹(jǐn)慎選擇很重要。拆除、回收和更換一套完整的電池組，可能會(huì)在一攬子方案的初始購(gòu)買價(jià)格基礎(chǔ)上增加60%的費(fèi)用。此外，工廠保修和年度維護(hù)合同可能會(huì)很昂貴，特別是對(duì)于像科爾多瓦這樣的偏遠(yuǎn)社區(qū)。

CEC希望能夠?yàn)槠渖鐓^(qū)提供最優(yōu)價(jià)值，因此需要根據(jù)研究和數(shù)據(jù)選擇解決方案。第一步是進(jìn)行系統(tǒng)建模，這得到了美國(guó)能源部?jī)?chǔ)能研究主任Imre Gyuk博士的支持，他委托桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和阿拉斯加大學(xué)費(fèi)爾班克斯分校的阿拉斯加能源和電力中心進(jìn)行建模。為了進(jìn)一步支持建模和估計(jì)燃料的節(jié)約量，CEC參考了其多年數(shù)據(jù)庫(kù)中標(biāo)準(zhǔn)化的年份的詳細(xì)負(fù)荷和水力數(shù)據(jù)。此外，Saft根據(jù)新的控制理念進(jìn)行了詳細(xì)的模擬，以驗(yàn)證節(jié)油效果和計(jì)算電池老化。這成為指定ESS的起點(diǎn)，并提供了支持集成的成本份額。

在建模過(guò)程中，CEC了解到儲(chǔ)能和電池技術(shù)的幾個(gè)重要方面，特別是運(yùn)行機(jī)制對(duì)電池老化的影響。例如，如果采用合適的電池化學(xué)成分，鋰離子電池的歷時(shí)老化和運(yùn)行老化可以降低到每年小于3%的容量損失。雖然功率能力幾乎保持不變，但伴隨著往返效率的輕微損失。然而，如果激進(jìn)地使用鋰離子電池，以至于到了濫用的地步，鋰離子電池會(huì)出現(xiàn)災(zāi)難性的老化。因此，工作設(shè)定點(diǎn)的選擇對(duì)電池壽命至關(guān)重要，從而最終能獲得最佳的投資回報(bào)。

此外，電池壽命期間的儲(chǔ)能能力也是CEC要考慮的重要因素。深度蓄電池充放電循環(huán)總數(shù)會(huì)造成更快速的容量損失。例如，如果一個(gè)額定功率為1兆瓦和1兆瓦時(shí)的ESS從100%到0%的變化狀態(tài)完全充放電，它將提供大約5000次循環(huán)，相當(dāng)于5GWh的總能量輸送。但是，如果它能保持5%左右的小充放電循環(huán)，那么同一塊電池在其壽命內(nèi)可以提供100萬(wàn)次500-kWh循環(huán)，即500GWh總?cè)萘俊?/p>

隨著應(yīng)用的ESS規(guī)模的擴(kuò)大，其壽命期GWh吞吐量和最終kWh容量也會(huì)隨著其購(gòu)買成本的增加而增加。平衡壽命期總成本的優(yōu)先級(jí)是很重要的。頻率控制操作需要許多小的充電和放電周期，這些周期可以與批量充電或放電同時(shí)進(jìn)行。訣竅是針對(duì)較大的變化狀態(tài)波動(dòng)優(yōu)化設(shè)定點(diǎn)，這樣既能保證電池壽命，又能最大限度地節(jié)省柴油。

雖然儲(chǔ)能項(xiàng)目的前置時(shí)間可能相當(dāng)短，但值得花時(shí)間正確指定ESS、電源切換設(shè)備和通信接口。根據(jù)其建模，CEC估計(jì)前10年每年的成本約為17萬(wàn)美元，因?yàn)橛布⒃O(shè)計(jì)和集成、人工和其他成本都被攤銷了。計(jì)算結(jié)果預(yù)測(cè)，每年可節(jié)約燃料35,000加侖。如果再加上其他節(jié)省的費(fèi)用，包括減少柴油發(fā)電機(jī)組的維護(hù)費(fèi)用，預(yù)計(jì)每年可節(jié)省150,000美元。

雖然最初的估計(jì)成本高于節(jié)省的費(fèi)用，但社區(qū)將從整體上受益。科爾多瓦將變得更有彈性，減少對(duì)城外燃料供應(yīng)的依賴。市政府官員目前也在研究實(shí)施大宗水力儲(chǔ)存和抽水蓄能的方案，目標(biāo)是用本地水電滿足100%的需求。因此，ESS是CEC向自己的智能電網(wǎng)和智慧城市未來(lái)邁進(jìn)的重要一步。到目前為止，節(jié)油效果超出預(yù)期，從電鍋爐站向柴油機(jī)廠供熱還可獲得額外的節(jié)油效果，系統(tǒng)表現(xiàn)良好，預(yù)計(jì)BESS可節(jié)省凈成本。

能源行業(yè)仍在努力全面設(shè)計(jì)和加強(qiáng)電網(wǎng)的彈性。對(duì)于像科爾多瓦這樣的偏遠(yuǎn)社區(qū)，極端環(huán)境和巨大的需求峰值，沒(méi)有時(shí)間等待一個(gè)明確的最終解決方案。最終的愿景是擁有一個(gè)自給自足、可持續(xù)發(fā)展的電力系統(tǒng)，不僅用于傳統(tǒng)的發(fā)電和售電，而且用于支持家庭供暖、電動(dòng)汽車充電以及有朝一日漁船和飛機(jī)等有益的電氣化。雖然還有很長(zhǎng)的路要走，但ESS項(xiàng)目代表了CEC和科爾多瓦鎮(zhèn)在實(shí)現(xiàn)其愿景的道路上，在電網(wǎng)優(yōu)化和彈性方面的一個(gè)重要里程碑。

-Clay Koplin是Cordova Electric Cooperative（科爾多瓦電力合作社CEC）的首席執(zhí)行官，他擔(dān)任科爾多瓦市長(zhǎng)和其他社區(qū)組織的領(lǐng)導(dǎo)職務(wù)，致力于在阿拉斯加建立一個(gè)繁榮的社區(qū)。作為一名擁有MBA學(xué)位的合格電氣工程師，他在項(xiàng)目管理、地下電力和通信線路設(shè)計(jì)、電力公司業(yè)務(wù)管理、戰(zhàn)略規(guī)劃和執(zhí)行等方面擁有豐富的專業(yè)知識(shí)。

Translated by Lincoln