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夏威夷考艾岛部署大型太阳能+储能项目或改变电力系统结构

作者:刘伯洵 来源:中国储能网 发布时间:2019-07-22 浏览:
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中国储能网讯:考艾岛是太平洋中部的一个岛屿,是美国夏威夷群岛的一部分。它是夏威夷第四大岛,因其翠绿的山谷、陡峭的山峰、参差错落的悬崖被称为花园岛。而考艾岛的电力供应则由考艾岛公用事业合作社(KIUC)提供,为考艾岛约33,000名居民提供电力服务。

2019年1月,世界上规模最大的太阳能(PV)发电厂开始为考艾岛电网提供电力调峰服务。其部署的太阳能+储能项目有望确保该岛经济的可持续发展,并建立稳定大规模可再生能源的新模式。而太阳能+储能项目不再只是传统发电设施的一种补充,而是可以取代它。

积极的授权

考艾岛公用事业合作社(KIUC)制定了公用事业厂商最积极的可再生能源目标之一:到2030年达到采用70%可再生资源目标。此外,夏威夷州制定了到2045年采用100%可再生能源目标。制定这些目标的原因来自经济和环境压力。考艾岛现有的峰值发电厂采用石油为燃料,这种能源的依赖性使电力成本居高不下。由于石油价格上涨以及高昂的运输成本,考艾岛的电力价格在美国名列前茅。

2010年之前,考艾岛的能源组合只包括8%的可再生能源,是该岛一直在采用的传统水电设施。2010年之后,该岛的可再生能源组合已经增长到54%,这在很大程度上是因为广泛部署太阳能发电设施。然而,随着太阳能发电量的增长,对单一可再生能源过度依赖的风险也随之增加。2016年,考艾岛公用事业合作社(KIUC)日间的太阳能发电量达到了上限。该岛需要更多的容量来提供一致可靠的电力,因此部署储能系统变得至关重要。独立部署的电池储能系统并不能解决问题,因为在充电时需要调度能量。考艾岛公用事业合作社(KIUC)需要一种能够在太阳能发电设施电力输出很少或没有输出时提供可靠的电力解决方案。

考艾岛公用事业合作社(KIUC)的太阳能调峰发电厂采用8个独立控制的电池储能系统

正确的解决方案

考艾岛公用事业合作社(KIUC)和AES分布式能源公司共同开发了一个大型太阳能发电设施和电池储能系统配套部署的解决方案。这个系统由AES公司拥有和运营,通过改变电力输出以满足峰值需求,使太阳能+储能项目能够承担化石燃料发电厂所起的作用。其电力主要在凌晨6点至9点以及下午4点到晚上10点交付。考艾岛公用事业合作社(KIUC)根据25年的购电协议以固定价格从AES公司购买电力。

AES公司就设计这个解决方案,将太阳能发电设施和电池储能系统完全整合为一个可再生能源发电厂。其设计来自美国科罗拉多州博尔德的美国国家可再生能源实验室(NREL)的一个试点项目。这个试点项目由一个装机容量为240 kWh太阳能发电设施和一个500 kWh的电池储能系统(BESS)组成。该实验室的试验平台提供了一个真实的环境,可以验证太阳能+储能项目的安装程序和技术要素。在试验平台上,AES公司能够描述系统响应和延迟,改进通信,排除控制算法故障,定义系统集成组件,并设置构建指南。

太阳能发电设施+电池储能系统组合而成的太阳能调峰发电厂

在考艾岛Lwai部署的这个太阳能调峰发电厂由一个装机容量为28MW太阳能发电设施和一个装机容量为100MW电池储能系统组合而成。预计第一年运营将提供53,000MWh电力,约占该岛总能源需求的11%。这使得考艾岛采用的可再生能源超过50%。

该太阳能调峰发电厂支持三种重要的配电方案

1、它使太阳能发电设施在给电池储能系统充电的同时为输电系统供电,并随着需求的变化而动态分配。

2、在晚上和早上高峰需求期间,将电池储能系统中存储的电力送到输电系统。

3、它可以同时调度太阳能发电量和电池储能系统的容量,以解决需求高峰或黑启动问题,以及在电力系统中断时恢复供电。虽然许多其他系统,特别是交流耦合系统共存,但它们并非为一起运行而设计的,这个太阳能调峰发电厂需要将这些组件集成到一个系统中。

为了降低运行成本,并可靠地传输更多电能,每个电源块都集成在DC-DC背板上,并共用逆变器和变压器。这种直流耦合解决方案使太阳能发电设施实现可调度和可控,并且比传统的交流耦合系统更有效。此外,直流耦合架构可节省冗余电源设备,如逆变器和变压器,同时与交流耦合系统相比,可提高整体效率。此外,由于只需要采用一半数量的逆变器和变压器,太阳能调峰发电厂比交流耦合系统更快、更高效、更灵活地响应需求峰值。因此,该模型为需要对大部分太阳能发电量进行时移的太阳能发电市场设定了新的响应标准。

现场部署的挑战

其部署的现场在施工以及未来的现场和设备维护方面提出了独特的挑战。选择的场地有四个相邻水库、三座大坝、多条沟壑、未修筑的道路和陡坡,其坡度高达18%。此外,在施工之前,现场长满了几内亚草等植被,如果不加以控制,几内亚草可以长到12英尺高(3.6米),并且每周生长18英寸(0.5米)。

因此,该项目的所有设备都必须专门为现场选择和设计。AES公司采用集装箱式设计,因此电池储能系统可以作为标准集装箱进行运输和安装。所有设备都必须通过更高的耐腐蚀性标准才能承受Kauai的多盐潮湿空气。此外,还引入了独特的双轴太阳能跟踪器,在现场的陡坡上部署。双轴太阳能跟踪器的高度为7.5英尺高,是标准单轴太阳跟踪器的两倍,并且具有高架布线,允许工作人员在太阳能发电阵列下方进行维护操作。

在7.5英尺高的位置,双向单轴跟踪器可使维护人员在太阳能发电阵列下进行操作

为了以环保的方式管理和清理生长的植被,AES与当地牧场主签订合同,在该地点轮换放养300只绵羊。这为140英亩(57公顷)的土地提供了二级农业用途,并遵守该州土地使用委员会的指令,尽可能保留夏威夷的农业特征。在合同过程中,放养绵羊将节省数百万美元的劳动力成本,避免使用传统维护方法中使用的化石燃料和除草剂,并防止割草和杂草生长对太阳能发电设施造成损害。

为了在这个具有挑战性的地点建造太阳能调峰发电厂,AES公司建造了八个独立的发电单元。每个单元都集成了太阳能电池阵列和电池储能系统。该发电厂的装机容量为28MW,电池储能系统每天最多可存储100 MWh电能。该电厂设施响应由考艾岛公用事业合作社(KIUC)发布的自动发电控制(AGC)调度信号,通过工厂控制逻辑安全自动地运行。AES公司的电气操作技术人员支持现场的预防性维护、维修、承包商管理和商业管理需求。此外,AES公司还维护排水池、监控设备、支撑结构防腐工作,并管理工厂设置,以确保整个工厂的电池电量均衡。

社区整合

考艾岛公用事业合作社(KIUC)也邀请考艾当地社区参与了该项目的建设,向社区居民通告部署项目的好处。令人关注的是,太阳能调峰发电厂能源成本低于考艾岛上燃油发电厂使用的化石燃料成本。

此外,该电厂已设计、选址并整合到其他休耕地的景观中,不需要建设额外的输电线路。通过统一支持和包含公众反馈的开发流程,AES公司和考艾岛公用事业合作社(KIUC)能够在不到两年的时间内从协议阶段发展到运营阶段,为开发敏捷性和过程中的利益相关者合作关系制定了新的标准。

太阳能调峰发电厂与考艾岛公用事业合作社(KIUC)现有电网的57kV互连点线路图

现场并排部署太阳能发电设施和电池储能系统,无需安装额外的输电线路

提供一种新模式

2019年1月,AES公司Lwai太阳能发电厂开始为考艾岛的输电系统提供晚间和早晨可再生的调峰能力。

值得注意的是,通过采用可调度的太阳能以及重要的电池储能系统,这个太阳能发电厂的总成本大约是几年前太阳能发电项目所需成本的一半。该项目建成之后将为该岛的电力基础设施提供电力,其成本远低于目前的燃油发电设施的电力成本,这将有助于稳定考艾岛公用事业合作社(KIUC)客户的电价。

该项目将为考艾岛消除每年350万桶(5.56亿升)石油的经济成本和环境影响。考艾岛公用事业合作社(KIUC)和AES公司已经合作开展了第二个项目,其中包括AES公司部署的一个装机容量为19.3MW太阳能发电设施和一个装机容量为70MW电池储能系统,该设施目前正在美国国防部的太平洋导弹靶场设施中进行建设。AES公司希望这种解决方案成为太阳能发电饱和市场的一种典范,在这些市场中,必须对产生的大部分能量实现时移。

考艾岛公用事业合作社(KIUC)总裁兼首席执行官David Bissell与AES分布式能源公司总裁Woody Rubin在太阳能调峰发电厂出席现场剪彩仪式

考艾岛公用事业合作社的太阳能调峰发电厂为可再生能源的应用建立新模式。通过解决可调度性问题,它解决了太阳能发电设施只能在配电系统中发挥辅助作用的折衷问题,使太阳能发电设施成为主要的发电来源,其工作模式比化石燃料工厂更实惠、更灵活、更具可持续性。

使用更稳定的DC-DC电网

这个太阳能调峰发电厂的能量转换速度比用于设备管理的传统监控和数据采集(SCADA)系统快得多。传统的监控与数据采集系统有一秒的响应时间,而太阳能调峰发电厂控制协调数百个设备在50毫秒内进行系统级响应。这是因为该发电厂的分布式DC-DC转换和先进的设备通信1500V级逆变器在固定电压下运行,具有分布式DC-DC转换和先进通信。通过将电池储能系统和太阳能发电子系统上的DC-DC转换器馈送双向逆变器,可以将太阳能电池板连接到与电池相同的直流总线上。

在正常运行中,电池储能系统可以采用太阳能发电设施的电能充电而不从电网中获取任何能量。此外,其独特的设计使太阳能发电能够通过逆变器流入电网,或直接进入电池储能系统。它还可以使太阳能发电设施和储能系统的电力同时输出到电网上。电池充电和放电由系统控制自动管理,系统控制设置为对太阳能发电设施的电压作出反应,从而构建成为一个响应速度更快、更稳定的电网。

关键字:储能 电力系统

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