可再生能源微型电网的创新展望

中国储能网讯：未来的微型电网将使用更多来自可再生能源的能源，并将以更低的成本提供越来越可靠的电力。最终，这将把更多的电力扩展到偏远地区，并支持更有弹性的电网社区和工业。

政策制定者总结

为什么是基于可再生能源的微型电网？

基于可再生能源的微型电网为缺乏现代能源服务的农村和偏远地区的社区提供清洁能源。与太阳能家庭服务系统相比，微型电网可以提供更高水平的服务，除了照明等基本服务外，还可以促进能源的生产性使用。在有主电网的地区，微型电网可以连接到主电网，以提供更可靠、更清洁和成本竞争力的替代方案，包括为需要大量电力的消费者。

基于可再生能源的微型电网，或可再生微型电网，是混合小型电网，很大一部分用于产生它们分配的电力。在能源需求没有得到满足、电网扩展不是一种成本效益高的替代方案的地区，可再生微型电网作为能源解决方案继续获得发展势头。可再生微型电网正在达到成熟，其提高了可靠性，降低了环境影响，加强了当地对能源使用的控制，并持续降低了成本。它们照亮偏远社区，使孤立地区的工业成为可能，并在主电网故障时提供备份。未来的微型电网将使用更多来自可再生能源的能源，并将以更低的成本提供越来越可靠的电力。最终，这将把更多的电力扩展到偏远地区，并支持更有弹性的电网社区和工业。

可再生微型电网代表着一个不断增长的市场，每年的价值可能超过2000亿美元。可再生能源可以与柴油燃料的容量混合，将50-250千兆瓦（GW）的容量转换为混合动力微型电网。自主可再生微型电网限制了使用电线杆和电线连接社区和主电网的需要，互联可再生微型电网可能减少集中公用事业网络的负担，甚至支持。根据当地情况，使用不同类型的可再生能源技术，会影响可再生微型电网的设计。现有的柴油微型电网已经进行了改造，以主要通过增加与存储解决方案集成的太阳能光伏（PV）发电的份额来抵消燃料的供应。

小型水电（SHP）和生物质发电的装机容量，尽管农村地区现有75G兆瓦和生物质发电仍然是相对未开发的小型电网解决方案。在有水电和生物质资源的地区，SHP和生物能源可以为社区能源需求提供基本负荷，而不需要短期储存。然而，资源可用性的季节性是这两种选择需要考虑的一个问题。小型风能可以集成到小型电网中，补充光伏系统的发电模式。创新将通过逐步提高可再生能源的普及率，促进向100%可再生微型电网的过渡。

该报告向能源部门的决策者和其他利益相关者通报了可再生微型电网的技术发展。它还讨论了这些技术的发展如何使可再生小型电网加快商业化和大规模部署。本报告中所载的信息有助于各国通过扩大其可再生能源选择来支持其国家目标。决策者还将在本报告中发现，这是一个关于有效执行旨在向可持续能源制度过渡的激励方案和政策行动的讨论。

什么是微电网？

微型电网可以为不同的服务水平提供电力，根据需求进行定制。

小型电网是具有负荷和能源资源的综合能源基础设施。微型电网技术的核心功能是：发电、蓄电、控制、管理和测量（CMM）；转换和消耗。图S1展示了一个可再生的微型网格的例子。规划和设计有助于在施工前和运行期间将其他五种功能连接在一起。

图S1：微电网功能

迷你网格可以根据其与网格的连接和所提供的服务水平进行分类。一个可再生的微型电网可以相互连接到主电网，或者独立于邻近的电网，在这种情况下，它被认为是自主的。可再生的微型电网可以提供不同水平的服务，从仅提供照明等基本服务到更高水平的服务，如满足商业能源需求。表S1提供了这些类别的概述。

部署微电网

提供基本服务的自主小型电网系统被广泛部署。相互连接的微型网格仍在出现。在非洲和拉丁美洲等地区，小型电网具有巨大的未开发潜力。

这份名为《创新展望：可再生微型电网》的报告发现，提供基本服务的自主微型电网已经接近成熟，并正在全球部署。提供更高服务水平的自主可再生微型电网正在世界大多数地区进行测试。互联微型电网的部署有限，大多数实施的系统集中在北美和东亚。

表S1：微电网的类型

表S2：不同类型的微电网的部署状态

创新在规模扩张中起着至关重要的作用

未来的可再生能源微型电网需要在规划和设计阶段，以及在微型电网的每一个功能方面进行技术进步：从发电到消费，以及跨电力存储、电力转换和CMM技术。每个功能都需要改进，以释放成本降低、响应社会需求和保护环境资源。

本报告对这些开创性的创新进行了令人兴奋的研究，这些创新可以带头加快部署具有更大可再生能源份额的微型电网，作为未来有竞争力的能源供应选择之一。今天的研发（研发）和早期商业化预计将产生创新，使可再生微型电网更环保，降低成本，提高其可靠性。这些创新预计将导致在未来20年里更容易地部署可再生矿物材料。本出版物中所述的研发创新为我们提供了解决当今可再生微型电网所面临的挑战的关键方法。

尽管并非本出版物中所述的所有研究都能在2035年之前实现运营解决方案，但这些创新有可能帮助可再生微型电网达到临界质量，并进一步实现微型电网将只使用可再生能源进行发电的过渡。以下列出了目前在实验室中正在进行的一些研究课题和技术发展，并在本出版物中进行了详细的讨论：

规划和设计方面的创新降低了成本，简化了可再生微型电网的实施。目前，这一领域的研发部门正在努力加强设计和规划的工具，以增加负荷数据的可用性，并降低可再生能源评估的成本。

CMM的创新使可再生微型电网的运行更容易、更可靠。在许多其他研究中，一些目前正在确定的研究项目的重点是进行更智能的短期和长期控制，以及风能和太阳能预测，调整计量技术，改进通信技术和互操作性标准，以及简化技术的集成。

存储方面的创新提高了资源的使用效率和更可靠的操作，在所有重大影响领域产生了强大的效益。本出版物讨论了改进电池的研究努力，如使用更便宜和更丰富的材料来制造锂离子电池，较低的维护要求，或可以处理资源可用性的季节性变化的存储

逆变器、整流器和转换器的创新减少了电力损失，并提供了一个集成可再生微型电网组件的硬件平台，这可以简化设置和降低成本。确定的转换研究包括部分输出高效的新转换器设计，将不同的功能组合成逆变器，或者，其中，改进不同可再生微型电网市场的模块化。

消费方面的创新降低了能源需求，产生了环境和成本效益。本出版物讨论了更有效的设备，特别是在远程能源接入市场，为直流电（DC）电网设计的设备的扩大，以及直流线路和设备之间更灵活的连接的发展。

令人兴奋的创新正在进行中

突破性的改进正在进行中，不仅是在组件方面，而且在系统集成、可控性和灵活性方面。

在未来，可再生微型电网的创新将包括越来越多的使用非直升机硬件和软件的模块化解决方案。这些技术将会降低成本，提高能力。随着可再生能源发电和存储成本的下降，模块化和易用性的重要性将继续增加。模块化和易用性将由使用更智能的规划和控制、改进的互操作性和更好的设计可扩展性来驱动。对预计到2035年实现小型电网功能的技术进展的概述包括：

锂离子、有机流和其他化学物质将降低电池成本，预计将增加市场的吸收。虽然铅酸电池预计将继续成为可再生微型电网的主要存储技术，但先进的铅酸电池将发挥更大的作用。先进的铅酸电池越来越能够以更高的效率处理更多的循环。其他化学物质将会激增，这将引发进一步的竞争来压低价格。相变材料和热化学材料的创新有望允许长期增加储热器的使用。超级电容器可以受益于石墨烯使用的创新和提高高功率和长寿命的能力。技术创新对电池成本的影响如图S2所示。

短期控制能够集成更复杂的算法和更准确的风能和太阳能预测，再加上智能控制和电池集成，是增加可再生能源普及率的关键。对能够适应新的商业模式的更智能、更灵活的计量器、使用时间定价、自动电表读数和先进的计量基础设施的研究是研究和创新的关键领域。模块化解决方案和改进的通信和标准对于简化组件的集成和互操作性至关重要。

物联网技术将继续通过允许传统电器之间的互连和相互通信，从而更智能地使用电力。随着成本降低的趋势和直流线路的标准化，市场上对直流电器和更高效的交流电器的使用预计将会增加。

越来越多的直流电网和电器的使用将需要更高效和更经济的直流-直流转换器。转换技术在市场上的可用性预计将增加，并包括更大功率的电池逆变器。然而，大多数转换技术的创新预计将发生在晶体管中。这将降低成本，提高效率，并减少其尺寸和重量。图S3总结了到2035年，在降低网格形成、网格跟踪和双模转换器成本方面的创新所产生的预期影响。

图S2：到2015年、2025年和2035年，铅酸、先进铅酸、锂离子和流式蓄电池的预期成本下降

该出版物还包括一项专利审查，并表明大多数核心技术的创新趋势都是积极的。人们对它们改变能源行业的潜力的兴趣正在增长。在过去的四年里，中国申请了CMM技术近12 000项专利，存储技术超过3万项专利。在此同时，美国申请了可再生微型电子转换器的2 180项专利，能源效率、需求侧管理和备份技术领域的2 090多项专利。

图S3：2025年和2035年电网形成、网格跟随和双模转换器的预期成本降低

图S4：到2025年和2035年可再生微型电网的潜在演变

2025年的可再生能源微型电网

2035年的可再生能源微型电网

创新增强了微型电网的竞争力

技术创新，伴随着进步。微型电网的商业模式和系统运营似乎将下降，这将在未来20年显著将可再生微型电网的发电成本降至目前成本的三分之一。

创新将使自主可再生微型电网能够以更低的成本提供更高的服务水平。这将在未来几十年带来更大的地理范围，为更大的孤立社区提供越来越清洁的电力。到2025年，仅使用可再生能源的自动微型电网的水平成本预计将降至0.30美元/千瓦时（千瓦时）至0.57美元/千瓦时之间，到2035年将降至0.19美元/千瓦时至0.35美元/千瓦时之间。当前成本在0.47美元/千瓦时到0.92美元/千瓦时之间。这种较低的水平成本的主要驱动因素预计是更低的存储成本和更智能的控制。然而，在其他功能方面的创新将是必要的

到2025年，自主可再生微型电网将能够以具有竞争力的价格提供基本和高级服务，导致大规模商业化并部署到全球偏远地区。随着成本的下降，可再生的微型电网将具有更多的经济意义，并将越来越多地与主电网的扩展相竞争。到2035年，即使是在靠近主电网的地区，可再生能源的微型电网也将是一个具有成本竞争力的选择。

相互连接的可再生微型电网也正在发展成为一种商业上可行的选择。如今，对于有关键需求的客户和主电网电力昂贵的地区来说，互联微型电网的商业案例最强。然而，到2025年，创新预计将推动向负荷要求较低的客户安装可再生微型电网，从而形成更有弹性的电网系统。一个主要的驱动因素将是寻找更好的弹性和灾难响应能力。到2035年，公用事业公司对可再生小型电网的广泛接受将进一步改善可再生微型电网与主电网之间的兼容性。在其发电组合中使用中小型可再生能源的微型电网预计将很常见，而日益下降的成本将使寻求更好环境选择的社区采用使用可再生微型电网的可再生能源。

图S5显示了将所有能源来自可再生能源的自主可再生微型电网的估计成本的演变。这些估计都是保守的。将可再生能源与其他能源相结合可以提供成本更低的选择，互联的微型电网成本也可以从邻近的主电网购买能源，以降低成本。

互联可再生微型电网的成本降低将受到互联主电网的经济效益的影响，但可以应用自主电网的主要成本趋势。

在向部署100%可再生能源的微型电网过渡的过程中，根据微型电网的设计，混合微型电网的成本可能比100%可再生的微型电网更低。然而，由于可再生能源在存储和控制系统等技术上的份额提高，该技术整合可再生能源的成本将会下降。例如，对于成本最低的太阳能光伏微型电网设计，可再生能源的最佳比例可能从2015年低于0.45美元/千瓦时的60%上升到2025年约0.30美元/千瓦时的90%以上，到2035年为0.20美元/千瓦时的几乎100%可再生能源。

图S5：从2005年至2035年，一个100%可再生能源社区系统的可再生微型电网的无补贴成本范围。

政策制定者如何能铺平道路？

如果没有决策者、私营部门和非营利部门以及学术界的充分支持，这些创新都是不可能的。

虽然可再生微型电网为重新思考传统能源供应模式提供了一个令人兴奋的机会，但它们的发展和部署需要在社会需求、政治意愿、经济效率、技术能力和环境保护之间取得平衡。为了解决这些相互关联的方面，创新展望：可再生微型电网为政策制定者、技术投资者、项目开发商、非营利部门和学者提供了关键建议，以帮助所有人参与促进这些技术选择的增长。以下是报告中讨论的支持部署可再生微型电网的一些选择：

公私伙伴关系和贷款赠款可以帮助开发和实施项目，而公共风险基金和补贴则有助于产生和交换知识。来自公共和私营部门的资金对于支持产生新想法的基础研究活动至关重要。

政策制定者在提供市场政策以支持可再生微型电网设备的商业化方面发挥着关键作用。可再生微型电网发展最后阶段的创新可以受益于克服“死亡之谷”的市场政策。

对可再生能源微型电网的监管仍处于起步阶段，除其他外，公共部门应专注于采用新的、灵活的标准，鼓励发展，避免阻碍创新的标准。监管可再生微型电网的挑战是，在针对这些小型电网的具体政策监管和适用于无数选择的灵活监管框架之间保持一种平衡的方法。

各国政府通过国际合作和工业支持，在建立能力和传播知识方面发挥了重要作用。还需要进行范式转变，以促进电气工程师和技术人员的新的和持续的培训。

私人投资者在资助基础研究活动和试点项目以及促进知识和技术转让方面发挥着重要作用。私营部门需要对新技术进行投资，并需要技术持有者将他们在其他情况下获得的知识转移到可再生微型电网部门，例如在汽车部门内进行的关于电池的研究。

学术界和大学对可再生微型电网的创新具有重要意义。除了通过基础研究和应用研究来推动创新之外，学术界还可以合作制定研究议程和进行最苛刻的微型网格实验。

未来的几十年将为微型网格带来令人兴奋的前景。可越来越多的微型电网越来越多地选择作为满足世界各地不同社区能源需求的替代方案。从在偏远地区集成了直流系统的太阳能光伏和小型风能技术，到与电动汽车集成和智能需求侧控制的大型社区光伏电站，不同的应用将通过各种创新的解决方案得到增强。在这种动态的景观中，微型电网具有巨大的潜力，除了其应用于能源获取，补充更大的系统和支持可再生能源的生产用途之外。创新展望：可再生微型电网展望未来几十年令人兴奋的发展。