中國儲能網(wǎng)訊：2020年12月，國際可再生能源署（IRENA）發(fā)布《智能微電網(wǎng)“質(zhì)量基礎(chǔ)架構(gòu)”》報告，作為小島嶼發(fā)展中國家燈塔倡議項目的報告，為離網(wǎng)可再生能源發(fā)展提供了思路。特轉(zhuǎn)發(fā)供參考。
《智能微電網(wǎng)“質(zhì)量基礎(chǔ)架構(gòu)”》
Quality infrastructure for smart mini-grids
微電網(wǎng)是非常復雜的系統(tǒng)，通常在安裝和操作方面存在很高的監(jiān)管不確定性。要為可再生能源微電網(wǎng)建立一個可行的市場，為投資者帶來增長前景和長期盈利能力，就需要為微電網(wǎng)技術(shù)和系統(tǒng)建立可信賴的質(zhì)量技術(shù)基礎(chǔ)（Quality Infrastructure, QI）。
本篇報告介紹了可再生能源微電網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀，并針對其未來發(fā)展方向進行預(yù)測。同時，該篇報告引入了“質(zhì)量技術(shù)基礎(chǔ)”的概念，強調(diào)了QI在智能可再生微電網(wǎng)開發(fā)中的關(guān)鍵作用，并深入分析了微電網(wǎng)QI發(fā)展的目標與成本效益。
重點結(jié)論：
目前，全球離網(wǎng)可再生能源微電網(wǎng)的裝機容量已超過4GW，其中生物能的工業(yè)應(yīng)用占總裝機的67%。水電微電網(wǎng)正在快速發(fā)展，服務(wù)于社區(qū)和工業(yè)，而光伏微電網(wǎng)主要用于商業(yè)、社區(qū)和農(nóng)業(yè)。100%可再生能源的微電網(wǎng)與化石燃料微電網(wǎng)相比已經(jīng)具有成本競爭力，LCOE為0.39-0.75美元/千瓦時，2035年有望降低到0.2美元/千瓦時。
可再生能源微電網(wǎng)的核心用途是發(fā)電、儲能、轉(zhuǎn)換和消費，以及控制、管理和測量（CMM）。物聯(lián)網(wǎng)平臺將構(gòu)成未來CMM功能的骨干，儲能科技的進步將有力推進微電網(wǎng)的應(yīng)用。
QI包括全面的計量、標準、認證認可、檢驗檢測。有效的QI可以降低微電網(wǎng)發(fā)展的風險，改善項目融資，減少法規(guī)和性能上的不確定性，擴大微電網(wǎng)市場，降低電力成本。
系統(tǒng)及測試是可再生能源微電網(wǎng)QI開發(fā)的主要挑戰(zhàn)。微電網(wǎng)作為復雜的系統(tǒng)，不能被視為各部分的簡單總和，必須找到一種全面的方法開發(fā)QI。物理組件與模擬的結(jié)合可以降低測試成本且更易于調(diào)整。
報告的主要內(nèi)容如下：
可再生微型電網(wǎng)將電力負荷和可再生能源結(jié)合在一起，由于集成能源基礎(chǔ)設(shè)施可以為島嶼和偏遠社區(qū)等關(guān)鍵細分市場帶來許多好處，其部署動力日益增強。可再生微型電網(wǎng)可以提供電力接入，提高電力彈性和可靠性，降低能源成本和碳足跡，并改善生活質(zhì)量。
隨著部署的增加，關(guān)注系統(tǒng)性能、耐久性和對新發(fā)展的適應(yīng)性是至關(guān)重要的。這揭示了開發(fā)質(zhì)量保證機制和所謂的“質(zhì)量技術(shù)基礎(chǔ)”的重要作用，本報告對此進行了深入闡釋，以成功地保障強大的可再生微型電網(wǎng)，使其能夠為現(xiàn)在和未來的社會服務(wù)。
（一）可再生能源微電網(wǎng)的現(xiàn)狀和潛在增長點
我們已經(jīng)做了許多努力來收集微型電網(wǎng)數(shù)據(jù)，但不同的數(shù)據(jù)源仍然存在差異。作為一個近年來發(fā)展非常迅速的行業(yè)，對全球微型電網(wǎng)份額的估計比較明確:全球約有1.9萬個已安裝的微型電網(wǎng)，其中約一半使用柴油和其他化石燃料發(fā)電機(ESMAP, 2019)，但由可再生能源驅(qū)動的微型電網(wǎng)（并網(wǎng)和離網(wǎng)）的全球份額并不容易估算。用可再生能源替代大排放量的微型電網(wǎng)具有巨大的市場潛力。
如圖1所示，國際可再生能源署（IRENA）分析發(fā)現(xiàn)，離網(wǎng)可再生能源微型電網(wǎng)的裝機容量為4.16吉瓦(GW)，服務(wù)至少800萬人口。由于經(jīng)常用于大功率工業(yè)微型電網(wǎng)，基于生物能源的微型電網(wǎng)的裝機容量最高。基于風能和水力發(fā)電的微型電網(wǎng)通常部署在不同的終端使用領(lǐng)域。特別是水力發(fā)電微型電網(wǎng)，最近增加了在住宅和工業(yè)領(lǐng)域的部署。太陽能光伏(PV)微型電網(wǎng)裝置通常用于商業(yè)、住宅和農(nóng)業(yè)用途。
圖1 自主(離網(wǎng))微型電網(wǎng)總?cè)萘?兆瓦)
注: MW = 兆瓦?；? (IRENA, 2018a)。
在可能的情況下，將一個微型電網(wǎng)與另一個微型電網(wǎng)或與主電網(wǎng)互聯(lián)可以帶來一系列的好處，可改變微型電網(wǎng)的運行模式。圖2總結(jié)了不同的微型電網(wǎng)類型。并網(wǎng)可再生微型電網(wǎng)可以使電力供應(yīng)更可靠、更有彈性，并推動可再生能源成為能源發(fā)電的重要貢獻者。然而，自主可再生微型電網(wǎng)主要適用于偏遠地區(qū)，包括農(nóng)村電氣化和偏遠地區(qū)的設(shè)施。
圖2 微型電網(wǎng)類型
基于:(IRENA, 2016a)。
預(yù)計未來幾年，離網(wǎng)和互聯(lián)微型電網(wǎng)的部署將有所加強，由于公用事業(yè)微型電網(wǎng)活動日益增多，以及城市、商業(yè)和工業(yè)領(lǐng)域電網(wǎng)問題日益嚴重，并網(wǎng)部分有望成為電網(wǎng)領(lǐng)域的最大增長點（2018年全球數(shù)據(jù)）。
可再生微型電網(wǎng)在經(jīng)濟上變得可行，對傳統(tǒng)發(fā)電機來說是一種具有吸引力的、具有成本競爭力的選擇。
盡管近年來由于競爭加劇和政策驅(qū)動的激勵，微型電網(wǎng)硬件的成本普遍下降，但與定制工程研究及監(jiān)管、環(huán)境和互連合規(guī)相關(guān)的軟成本下降趨勢，有時由于非競爭性監(jiān)管摩擦而受到限制（Cherian，2017年）。因此，與往年相比，這些費用目前在總成本中所占的比例更大。圖3總結(jié)了100%可再生能源自主基礎(chǔ)服務(wù)和自主全面服務(wù)社區(qū)微型電網(wǎng)的調(diào)查結(jié)果，其中，2020年自主基礎(chǔ)度電成本（LCOE）從每千瓦時0.39美元到0.58美元/千瓦時不等，自主全面用電成本從0.50美元/千瓦時到0.75美元/千瓦時不等。與小型汽油和柴油發(fā)電機相比（0.35 美元/千瓦時-0.70美元/千瓦時（Agenbroad等，2018年）），使用100%可再生能源的微型電網(wǎng)具有成本競爭力。
圖3 2005年至2035年100%可再生能源社區(qū)系統(tǒng)的可再生微型電網(wǎng)無補貼成本范圍
基于:(IRENA, 2017c)。
可再生微型電網(wǎng)的進一步部署是由諸多因素驅(qū)動的，包括：能源獲取、節(jié)約能源成本(包括節(jié)約燃料)、提高服務(wù)質(zhì)量和供應(yīng)獨立性、減少二氧化碳排放和污染以及實現(xiàn)可再生能源目標。
對于島嶼和偏遠社區(qū)(如沙漠或山區(qū)社區(qū)，沒有配電網(wǎng))來說，能源獲取是主要驅(qū)動力。將可再生能源整合到這些微型電網(wǎng)中，可以降低能源成本，并帶來服務(wù)質(zhì)量、積極的環(huán)境影響和生活質(zhì)量等額外好處。微型電網(wǎng)不同類型和應(yīng)用的驅(qū)動因素詳見圖5。
圖4 可再生微型電網(wǎng)的驅(qū)動因素
基于:(ABB, 2018)。
（二）可再生能源微電網(wǎng)的未來發(fā)展方向
微型電網(wǎng)市場的增長應(yīng)該伴隨著高質(zhì)量基礎(chǔ)設(shè)施，以確保實施的系統(tǒng)將提供長期的預(yù)期服務(wù)和利益。國際標準、測試和許可設(shè)施是確保部署高質(zhì)量微型電網(wǎng)的關(guān)鍵。
可再生微型電網(wǎng)的核心功能是:發(fā)電；能量儲存；轉(zhuǎn)換；消費；以及控制、管理和測量(CMM)。
持續(xù)的創(chuàng)新和技術(shù)進步正在為微型電網(wǎng)添加補充功能，改進其運行，使其更加復雜。
基于智能電表和物聯(lián)網(wǎng)(IoT)解決方案的發(fā)展和廣泛使用，以及可再生能源發(fā)電數(shù)據(jù)可用性和預(yù)測能力的提高，未來可再生微型電網(wǎng)將擁有更先進的CMM操作。微型電網(wǎng)具備固有的智能和數(shù)據(jù)收集能力?；谖锫?lián)網(wǎng)的平臺將成為未來CMM功能的支柱。
儲能技術(shù)的創(chuàng)新也將影響未來的微型電網(wǎng)，包括從電池到電解槽技術(shù)，應(yīng)用各異。電動汽車(EVs)的集成對微型電網(wǎng)有很多好處，因為它們可以被視為間歇性可再生發(fā)電的存儲。然而，這也帶來了一系列挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)與在國家電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施中電動汽車集成所涉及的挑戰(zhàn)不同。
在消費者方面，傳統(tǒng)的消費者到產(chǎn)消者的過渡伴隨著各種各樣的技術(shù)創(chuàng)新，從本地發(fā)電、存儲和控制到創(chuàng)新的交易技術(shù)。此外，如圖5所示，微型電網(wǎng)是點對點電力交易的良好環(huán)境，它有助于消費者之間更好地利用本地產(chǎn)生的電力。
圖5 未來可再生微型電網(wǎng)
注：VG1 =智能充電;VG2 =汽車-電網(wǎng)。
（三）質(zhì)量技術(shù)基礎(chǔ)的定義（Quality Infrastructure, QI）
微型電網(wǎng)系統(tǒng)的可持續(xù)市場增長和長期盈利需要質(zhì)量技術(shù)基礎(chǔ) (QI)。微型電網(wǎng)是具有不同供應(yīng)商的復雜系統(tǒng)，是針對不同應(yīng)用而開發(fā)的，大多數(shù)情況下，其安裝和運行存在很高的監(jiān)管不確定性。QI包括綜合標準、測試、認證認可、檢驗監(jiān)測和計量，是降低風險的關(guān)鍵。
圖6 QI元素
QI薄弱，會造成低質(zhì)量的組件和缺乏檢驗或培訓，導致投資和預(yù)期電力生產(chǎn)的損失，甚至普遍損害國家市場的聲譽。微型電網(wǎng)市場的發(fā)展必須與QI的發(fā)展齊頭并進。
QI的主要目標是推廣優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品、流程和服務(wù)；防止或克服市場壁壘；并使技術(shù)合作更容易(IRENA, 2015a)。這將最終減少系統(tǒng)停機時間，并改善微型電網(wǎng)的運行和維護。QI還為利益相關(guān)者帶來了直接的經(jīng)濟效益(降低了LCOE)，因為它的存在降低了投資者的風險，并為未來的項目帶來了更好的融資條件，如圖7所示。QI帶來的技術(shù)和監(jiān)管清晰度刺激了可持續(xù)創(chuàng)新，并為全球微型電網(wǎng)市場注入了信心。這反過來促進了貿(mào)易，并允許微型電網(wǎng)系統(tǒng)供應(yīng)商輕松地在不同地區(qū)擴展其業(yè)務(wù)。
圖7 微型電網(wǎng)QI目標及結(jié)果
本報告指出，目前大部分的QI和標準化工作都是面向微型電網(wǎng)單個組件的功能，而不是面向整個微型電網(wǎng)系統(tǒng)。在通往智能微型電網(wǎng)的道路上，還需要在微型電網(wǎng)系統(tǒng)層面上進一步細化標準及其他QI元素。為了實現(xiàn)這一目標，必須填補目前各個微型電網(wǎng)功能的空白。
微型電網(wǎng)是一個復雜的系統(tǒng)，不應(yīng)該被認為是各個部分的簡單相加。針對QI的發(fā)展，有必要采取綜合辦法。
QI的各組成部分應(yīng)能夠?qū)ξ⑿碗娋W(wǎng)的各個方面確定適當?shù)臉藴剩?guī)范其正確應(yīng)用，并有效驗證微型電網(wǎng)的一致性。
主要的標準化工作是重點面向各個功能，而不是整個微型電網(wǎng)系統(tǒng)。需要做出進一步努力，在系統(tǒng)層面制定標準。為了實現(xiàn)這一目標，必須首先填補各個微型電網(wǎng)功能的當前空白。將涉及安全、設(shè)計和運行等方面的標準匯集在一套文件中，全面描述可再生微型電網(wǎng)的開發(fā)和/或整體運行，將大大降低微型電網(wǎng)質(zhì)量保證的復雜性。
微型電網(wǎng)的主要挑戰(zhàn)在于系統(tǒng)級測試。微型電網(wǎng)測試的主要目標是使在不同的環(huán)境中復制微型電網(wǎng)系統(tǒng)變得容易和安全。標準化的測試程序允許微型電網(wǎng)CMM設(shè)備在不同的條件和不同的配置下進行測試，這是實現(xiàn)其目標的關(guān)鍵。目前，微型電網(wǎng)系統(tǒng)級測試通常是在系統(tǒng)構(gòu)建和調(diào)試過程中，甚至在微型電網(wǎng)部署結(jié)束時通過物理測試完成的。這使利益相關(guān)者的風險更高。
更靈活和更具成本效益的測試方法將減少與微型電網(wǎng)相關(guān)的風險。將物理組件與模擬相結(jié)合，可以在無需構(gòu)建完整的微型電網(wǎng)的情況下測試微型電網(wǎng)的控制功能，同時限制了測試成本，并易于調(diào)整。
微型電網(wǎng)的運行質(zhì)量不僅取決于組件和設(shè)計的質(zhì)量，還取決于安裝和維護。目前還沒有針對如針對光伏安裝和其他可再生能源的認證機構(gòu)一樣的微型電網(wǎng)安裝商(和運營商)的合格認證機構(gòu)，這主要是因為缺乏相關(guān)標準。如果已經(jīng)存在許可證要求，例如針對光伏安裝商的標準，則擴展現(xiàn)有的許可證培訓，使其包括存儲和系統(tǒng)控制，可能是一種很好的解決方案。
（四）質(zhì)量基礎(chǔ)設(shè)施的成本效益分析
QI的實施和執(zhí)行需要努力和前期融資，這將帶來長期、高質(zhì)量的微型電網(wǎng)，并最終實現(xiàn)市場增長、整個價值鏈參與者獲得更好的報酬、對消費者的更嚴格的保護和更少的碳排放。
實施QI，可確保所安裝的系統(tǒng)能以預(yù)期的質(zhì)量水平提供預(yù)期的服務(wù)。這減少了與系統(tǒng)低質(zhì)量相關(guān)的成本，為了長期提供預(yù)期的服務(wù)必須經(jīng)常對系統(tǒng)進行維修或更換，否則只能提供低質(zhì)量的服務(wù)。
在早期市場階段，QI的首要好處是減少法律、監(jiān)管和性能的不確定性。不確定性的減少創(chuàng)造了一個更好的融資環(huán)境，釋放了市場增長并走向成熟所需的投資。
除了降低低質(zhì)量的成本，QI還有助于實現(xiàn)微型電網(wǎng)的實際效益。很難量化地將這些效益與成功實施QI聯(lián)系起來。因此，需要使用指標來量化QI的效益或證明QI前期成本的合理性。本報告分析了7個具體案例，證明了QI的重要性，以及QI如何在具體案例中提升電網(wǎng)的性能和穩(wěn)定性，為相關(guān)方帶來更大的利益。CWEA
報告來源：國際可再生能源機構(gòu)（IRENA）
https://www.irena.org/publications/2020/Dec/Quality-infrastructure-for-smart-mini-grids
https://www.irena.org/-/media/Files/IRENA/Agency/Publication/2020/Dec/IRENA_Smart_mini-grids_outlook_2020.pdf
