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IRENA:构建可再生能源微电网的“质量技术基础”

作者:MI中方秘书处 来源:创新使命 发布时间:2021-03-27 浏览:
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优德88手机中文版讯:2020年12月,国际可再生能源署(IRENA)发布《智能微电网“质量基础架构”》报告,作为小岛屿发展中国家灯塔倡议项目的报告,为离网可再生能源发展提供了思路。特转发供参考。

《智能微电网“质量基础架构”》

Quality infrastructure for smart mini-grids

微电网是非常复杂的系统,通常在安装和操作方面存在很高的监管不确定性。要为可再生能源微电网建立一个可行的市场,为投资者带来增长前景和长期盈利能力,就需要为微电网技术和系统建立可信赖的质量技术基础(Quality Infrastructure, QI)。

本篇报告介绍了可再生能源微电网的发展现状,并针对其未来发展方向进行预测。同时,该篇报告引入了“质量技术基础”的概念,强调了QI在智能可再生微电网开发中的关键作用,并深入分析了微电网QI发展的目标与成本效益。

重点结论:

目前,全球离网可再生能源微电网的装机容量已超过4GW,其中生物能的工业应用占总装机的67%。水电微电网正在快速发展,服务于社区和工业,而光伏微电网主要用于商业,社区和农业。100%可再生能源的微电网与化石燃料微电网相比已经具有成本竞争力,LCOE为0.39-0.75美元/千瓦时,2035年有望降低到0.2美元/千瓦时。

可再生能源微电网的核心用途是发电,储能,转换和消费,以及控制,管理和测量(CMM)。物联网平台将构成未来CMM功能的骨干,储能科技的进步将有力推进微电网的应用。

QI包括全面的计量,标准,认证认可,检验检测。有效的QI可以降低微电网发展的风险,改善项目融资,减少法规和性能上的不确定性,扩大微电网市场,降低电力成本。

系统及测试是可再生能源微电网QI开发的主要挑战。微电网作为复杂的系统,不能被视为各部分的简单总和,必须找到一种全面的方法开发QI。物理组件与模拟的结合可以降低测试成本且更易于调整。

报告的主要内容如下:

可再生微型电网将电力负荷和可再生能源结合在一起,由于集成能源基础设施可以为岛屿和偏远社区等关键细分市场带来许多好处,其部署动力日益增强。可再生微型电网可以提供电力接入,提高电力弹性和可靠性,降低能源成本和碳足迹,并改善生活质量。

随着部署的增加,关注系统性能,耐久性和对新发展的适应性是至关重要的。这揭示了开发质量保证机制和所谓的“质量技术基础”的重要作用,本报告对此进行了深入阐释,以成功地保障强大的可再生微型电网,使其能够为现在和未来的社会服务。

(一)可再生能源微电网的现状和潜在增长点

我们已经做了许多努力来收集微型电网数据,但不同的数据源仍然存在差异。作为一个近年来发展非常迅速的行业,对全球微型电网份额的估计比较明确:全球约有1.9万个已安装的微型电网,其中约一半使用柴油和其他化石燃料发电机(ESMAP, 2019),但由可再生能源驱动的微型电网(并网和离网)的全球份额并不容易估算。用可再生能源替代大排放量的微型电网具有巨大的市场潜力。

如图1所示,国际可再生能源署(IRENA)分析发现,离网可再生能源微型电网的装机容量为4.16吉瓦(GW),服务至少800万人口。由于经常用于大功率工业微型电网,基于生物能源的微型电网的装机容量最高。基于风能和水力发电的微型电网通常部署在不同的终端使用领域。特别是水力发电微型电网,最近增加了在住宅和工业领域的部署。太阳能光伏(PV)微型电网装置通常用于商业,住宅和农业用途。

图1 自主(离网)微型电网总容量(兆瓦)

注: MW = 兆瓦。基于: (IRENA, 2018a)。

在可能的情况下,将一个微型电网与另一个微型电网或与主电网互联可以带来一系列的好处,可改变微型电网的运行模式。图2总结了不同的微型电网类型。并网可再生微型电网可以使电力供应更可靠,更有弹性,并推动可再生能源成为能源发电的重要贡献者。然而,自主可再生微型电网主要适用于偏远地区,包括农村电气化和偏远地区的设施。

图2 微型电网类型

基于:(IRENA, 2016a)。

预计未来几年,离网和互联微型电网的部署将有所加强,由于公用事业微型电网活动日益增多,以及城市,商业和工业领域电网问题日益严重,并网部分有望成为电网领域的最大增长点(2018年全球数据)。

可再生微型电网在经济上变得可行,对传统发电机来说是一种具有吸引力的,具有成本竞争力的选择。

尽管近年来由于竞争加剧和政策驱动的激励,微型电网硬件的成本普遍下降,但与定制工程研究及监管,环境和互连合规相关的软成本下降趋势,有时由于非竞争性监管摩擦而受到限制(Cherian,2017年)。因此,与往年相比,这些费用目前在总成本中所占的比例更大。图3总结了100%可再生能源自主基础服务和自主全面服务社区微型电网的调查结果,其中,2020年自主基础度电成本(LCOE)从每千瓦时0.39美元到0.58美元/千瓦时不等,自主全面用电成本从0.50美元/千瓦时到0.75美元/千瓦时不等。与小型汽油和柴油发电机相比(0.35 美元/千瓦时-0.70美元/千瓦时(Agenbroad等,2018年)),使用100%可再生能源的微型电网具有成本竞争力。

图3 2005年至2035年100%可再生能源社区系统的可再生微型电网无补贴成本范围

基于:(IRENA, 2017c)。

可再生微型电网的进一步部署是由诸多因素驱动的,包括:能源获取,节约能源成本(包括节约燃料),提高服务质量和供应独立性,减少二氧化碳排放和污染以及实现可再生能源目标。

对于岛屿和偏远社区(如沙漠或山区社区,没有配电网)来说,能源获取是主要驱动力。将可再生能源整合到这些微型电网中,可以降低能源成本,并带来服务质量,积极的环境影响和生活质量等额外好处。微型电网不同类型和应用的驱动因素详见图5。

图4 可再生微型电网的驱动因素

基于:(ABB, 2018)。

(二)可再生能源微电网的未来发展方向

微型电网市场的增长应该伴随着高质量基础设施,以确保实施的系统将提供长期的预期服务和利益。国际标准,测试和许可设施是确保部署高质量微型电网的关键。

可再生微型电网的核心功能是:发电;能量储存;转换;消费;以及控制,管理和测量(CMM)。

持续的创新和技术进步正在为微型电网添加补充功能,改进其运行,使其更加复杂。

基于智能电表和物联网(IoT)解决方案的发展和广泛使用,以及可再生能源发电数据可用性和预测能力的提高,未来可再生微型电网将拥有更先进的CMM操作。微型电网具备固有的智能和数据收集能力。基于物联网的平台将成为未来CMM功能的支柱。

储能技术的创新也将影响未来的微型电网,包括从电池到电解槽技术,应用各异。电动汽车(EVs)的集成对微型电网有很多好处,因为它们可以被视为间歇性可再生发电的存储。然而,这也带来了一系列挑战,这些挑战与在国家电网基础设施中电动汽车集成所涉及的挑战不同。

在消费者方面,传统的消费者到产消者的过渡伴随着各种各样的技术创新,从本地发电,存储和控制到创新的交易技术。此外,如图5所示,微型电网是点对点电力交易的良好环境,它有助于消费者之间更好地利用本地产生的电力。

图5 未来可再生微型电网

注:VG1 =智能充电;VG2 =汽车-电网。

(三)质量技术基础的定义(Quality Infrastructure, QI)

微型电网系统的可持续市场增长和长期盈利需要质量技术基础 (QI)。微型电网是具有不同供应商的复杂系统,是针对不同应用而开发的,大多数情况下,其安装和运行存在很高的监管不确定性。QI包括综合标准,测试,认证认可,检验监测和计量,是降低风险的关键。

图6 QI元素

QI薄弱,会造成低质量的组件和缺乏检验或培训,导致投资和预期电力生产的损失,甚至普遍损害国家市场的声誉。微型电网市场的发展必须与QI的发展齐头并进。

QI的主要目标是推广优质的产品,流程和服务;防止或克服市场壁垒;并使技术合作更容易(IRENA, 2015a)。这将最终减少系统停机时间,并改善微型电网的运行和维护。QI还为利益相关者带来了直接的经济效益(降低了LCOE),因为它的存在降低了投资者的风险,并为未来的项目带来了更好的融资条件,如图7所示。QI带来的技术和监管清晰度刺激了可持续创新,并为全球微型电网市场注入了信心。这反过来促进了贸易,并允许微型电网系统供应商轻松地在不同地区扩展其业务。

图7 微型电网QI目标及结果

本报告指出,目前大部分的QI和标准化工作都是面向微型电网单个组件的功能,而不是面向整个微型电网系统。在通往智能微型电网的道路上,还需要在微型电网系统层面上进一步细化标准及其他QI元素。为了实现这一目标,必须填补目前各个微型电网功能的空白。

微型电网是一个复杂的系统,不应该被认为是各个部分的简单相加。针对QI的发展,有必要采取综合办法。

QI的各组成部分应能够对微型电网的各个方面确定适当的标准,规范其正确应用,并有效验证微型电网的一致性。

主要的标准化工作是重点面向各个功能,而不是整个微型电网系统。需要做出进一步努力,在系统层面制定标准。为了实现这一目标,必须首先填补各个微型电网功能的当前空白。将涉及安全,设计和运行等方面的标准汇集在一套文件中,全面描述可再生微型电网的开发和/或整体运行,将大大降低微型电网质量保证的复杂性。

微型电网的主要挑战在于系统级测试。微型电网测试的主要目标是使在不同的环境中复制微型电网系统变得容易和安全。标准化的测试程序允许微型电网CMM设备在不同的条件和不同的配置下进行测试,这是实现其目标的关键。目前,微型电网系统级测试通常是在系统构建和调试过程中,甚至在微型电网部署结束时通过物理测试完成的。这使利益相关者的风险更高。

更灵活和更具成本效益的测试方法将减少与微型电网相关的风险。将物理组件与模拟相结合,可以在无需构建完整的微型电网的情况下测试微型电网的控制功能,同时限制了测试成本,并易于调整。

微型电网的运行质量不仅取决于组件和设计的质量,还取决于安装和维护。目前还没有针对如针对光伏安装和其他可再生能源的认证机构一样的微型电网安装商(和运营商)的合格认证机构,这主要是因为缺乏相关标准。如果已经存在许可证要求,例如针对光伏安装商的标准,则扩展现有的许可证培训,使其包括存储和系统控制,可能是一种很好的解决方案。

(四)质量基础设施的成本效益分析

QI的实施和执行需要努力和前期融资,这将带来长期,高质量的微型电网,并最终实现市场增长,整个价值链参与者获得更好的报酬,对消费者的更严格的保护和更少的碳排放。

实施QI,可确保所安装的系统能以预期的质量水平提供预期的服务。这减少了与系统低质量相关的成本,为了长期提供预期的服务必须经常对系统进行维修或更换,否则只能提供低质量的服务。

在早期市场阶段,QI的首要好处是减少法律,监管和性能的不确定性。不确定性的减少创造了一个更好的融资环境,释放了市场增长并走向成熟所需的投资。

除了降低低质量的成本,QI还有助于实现微型电网的实际效益。很难量化地将这些效益与成功实施QI联系起来。因此,需要使用指标来量化QI的效益或证明QI前期成本的合理性。本报告分析了7个具体案例,证明了QI的重要性,以及QI如何在具体案例中提升电网的性能和稳定性,为相关方带来更大的利益。CWEA

报告来源:国际可再生能源机构(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

关键字:微电网,储能

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