《Energy Nexus》：Microgrid systems for isolated communities: A review of recent advances in renewable energy planning, optimization and techno-economic analysis
该综述调查了面向农村地区的最新可再生能源（RE）微电网（MG）；识别了不同社会经济与气候情境下的技术经济性能参数，例如平准化电力成本（LCOE）、净现成本（NPC）与失负荷期望（LOLE）；讨论了多种RE优化方法，包括随机、元启发式与多目标算法；识别了RE整合的政府政策、社会技术因素与监管方面；识别了新兴趋势、关键挑战、研究空白与未来研究方向。
针对孤立社区的可再生能源微电网研究正在从单一性能优化转向部署、韧性和生命周期导向的综合设计。一致供电是社会经济、健康和教育发展的先决条件，但仍有大量人口无法获得现代能源服务；农村和偏远地区面临气候、社会经济、地理位置复杂、需求密度低以及电网扩展成本高等障碍。分散式MG结合本地RE、储能系统（ESS）和能源管理系统（EMS），成为相对低成本且可扩展的方案。光伏（PV）、风力发电机（WT）、电池储能系统（BESS）和电力电子接口的进步推动了混合可再生能源系统（HRES）部署。系统架构由传统交流（AC）向直流（DC）及混合AC/DC发展，可降低变换损耗并提高效率；优化策略从确定性、规则型方法转向随机、多目标和人工智能驱动方法；技术经济分析（TEA）对系统可行性与政策相关性仍至关重要。当前仍存在混合AC/DC保护、互操作性、通信可靠性、环境退化、ESS生命周期、社会可接受性、成本效益和参与式治理等问题。该综述因此聚焦近期尤其是2025年研究，强调部署导向综合、性能到部署差距、生命周期与韧性评估、技术与社会经济需求整合以及面向2035的研究路线图。
研究方法不超过250字：研究人员采用结构化文献综述，检索Scopus和Web of Science Core Collection，围绕RE MG、RE整合、EMS、BESS、TEA和优化技术；主要纳入2025—2026年英文期刊，必要时纳入较早研究。采用PRISMA 2020流程：初检3150篇，排除重复1067篇和自动过滤364篇，题摘筛除714篇，全文筛选967篇，排除755篇，回溯引文增加10篇，最终分析222篇，其中212篇来自数据库，10篇为2025年前。定性评价包括技术深度、方法严谨性、验证方法、孤立社区应用相关性与TEA指标完整性。样本队列来源为Scopus和Web of Science Core Collection。
研究结果如下。
3. MG architectures for remote communities：综述表明，MG可作为分布式能源资源（DER）构建的 scalable、 adaptable 和 robust 方案，适合偏远电气化，并可并网或孤岛运行；AC、DC和混合AC/DC结构在效率、可靠性、灵活性和实施成本方面各有差异。
3.1 AC MGs：AC MG是农村和孤立地区最常见的离网架构。研究提出同步参考系下的构网控制、比例—积分（PI）多环电压电流控制、双层串联补偿AC MG、PMSG与柴油发电机协同模型、下垂控制、自动电压调节器（AVR）和同步逻辑。综述指出预测控制与元启发式优化EMS成为主流，可改善电压、频率、成本和可靠性，但多数研究使用固定负荷曲线仿真，需硬件在环和现场测试验证。
3.2 DC MGs：DC MG与PV、BESS和直流负荷兼容，转换损耗更低。相关研究设计车辆到电网（V2G）充电器、基于马尔可夫决策过程的EMS、超级电容—BESS混合控制、高增益DC-DC变换器和快速故障保护；保护动作可在1.5 μs内响应短路、25 μs内响应开路。综述认为DC MG研究以变换器拓扑创新和保护进展为主，但效率与故障韧性之间存在权衡，真实场景验证仍有限。
3.3 Hybrid AC/DC MGs for remote communities：混合AC/DC MG结合AC网络灵活性与DC子网效率。研究提出三端口互连变换器、虚拟惯量与虚拟电感、多模式自适应控制、预同步切换、混合整数线性规划（MILP）调度、车辆到微电网（V2MG）协调和双端口构网互连变换器。TEA显示混合AC/DC设计可降低运行成本和CO
2排放约38%，并报告约3.6年回收期，其LCOE通常低于单独AC或DC MG。
4. Techno-economic analysis (TEA) for rural electrification MGs：TEA用于评估MG可行性和农村电气化经济性，连接技术性能与经济可行性，并纳入NPC、LCOE、CAPEX、OPEX等指标。HOMER/HOMER Pro常用，并与SAM或MATLAB优化程序结合。全球案例覆盖亚洲、中东、非洲、北美等，PV-WT-BESS等系统在有利资源下可实现低于0.10 USD/kWh的LCOE和超过90%的可再生渗透。
4.1 Technical performance indicators：技术指标包括失负荷概率（LPSP）、失负荷期望（LOLE）、可靠性因子、可再生比例（ReF）、过剩发电百分比（PEPG）、变换器损耗、运行容量裕度和储能往返效率。综述指出提高可靠性可降低燃料消耗和LCOE，但需要足够储能与可调度能力满足LPSP约束。
4.2 Economic performance indicators：经济指标包括LCOE、NPC、投资回收期（PBP）、内部收益率（IRR）和效益成本比（BCR）。NPC包含CAPEX、替换、运维、燃料和排放成本并扣除折现收入；LCOE按生命周期发电量分摊。综述强调CAPEX与可靠性、可再生比例之间存在权衡，且不同研究报告的NPC和LCOE因假设不同不宜直接比较。
4.3 Socio-economic considerations：社会经济效益包括可负担性、社会公平、本地就业和社区参与。研究指出家庭收入、支付意愿（WTP）和融资方式对农村电气化关键。治理模型包括公用事业所有、合作社、社区所有和公共—私营合作（PPP）；政策工具包括上网电价、资本补助、税收减免和优惠融资。
5. Optimization approaches：优化用于HRES容量配置、调度和能量管理，以平衡可持续性、可负担性和韧性。综述指出优化方法已从确定性转向随机、韧性和元启发式，但MILP仍是容量配置和运行调度最常用方法。
5.1 Deterministic methods：确定性方法包括线性规划、MILP、机会约束优化和两阶段层次模型。研究显示这些方法可提高技术经济可行性、运行性能和计算效率，并可纳入实时电价、部件退化和空间/多准则优化，但线性化会削弱非线性问题的最优性。
5.2 Heuristic and metaheuristic algorithms：启发式和元启发式方法基于种群或生物启发搜索，处理非凸非线性HRES配置问题。综述提到海鸥优化算法（SOA）、灰狼—鲸鱼混合、改进粒子群优化（PSO）等，可改善收敛、可靠性和解多样性；但存在参数敏感、缺乏全局最优保证和仿真验证为主的问题。
5.3 Multi-objective optimization：多目标优化（MOO）用于处理LCOE、NPC、可靠性、温室气体（GHG）排放和供电概率等冲突目标。研究采用NSGA、PSO、GA、GWO、MODE、WOA、SSA、MSSA、ISSA、IHHO等，并常与多准则决策（MCDM）方法结合。案例表明MOO可得到低NPC、零排放、100%可再生比例和较高可靠性配置，并可降低LCOE和电力中断风险。
5.4 Stochastic and robust optimization：随机规划（SP）、鲁棒优化（RO）和信息间隙决策理论（IGDT）用于处理RE、负荷和市场不确定性。研究显示考虑不确定性可小幅增加成本，但显著改善碳足迹和可靠性；RO和IGDT适用于概率分布不可靠场景，可在参数显著变化时保持可行性。
5.5 Critical comparative evaluation of optimization paradigms：MILP在凸线性条件下可得全局最优，但对大规模非线性系统扩展性差；元启发式可处理非线性并产生多样Pareto解，但无收敛保证且依赖参数调优；人工智能/深度强化学习（DRL）和模型预测控制（MPC）适合实时调度，但存在数据稀缺、极端条件泛化和可解释性不足问题。综述认为没有单一范式同时满足可扩展性、不确定性鲁棒性、实时适应性和可解释性，混合方案具有潜力但仍多处于仿真阶段。
5.6 Planning approaches：规划结合GIS、MCDM、AHP、TOPSIS、分阶段扩展和政策对齐。研究用于资源测绘、选址、电网扩展与MG比较、氢能选址和农村MG规划。综述指出分散或参与式规划在治理和电价模型明确时可降低成本并提高韧性，软件如HOMER Pro、MATLAB/Simulink和RETScreen常用于筛选和容量配置。
5.7 Comparative assessment of EMS and optimization approaches：综述认为没有一种EMS或优化方法在所有MG应用中理想。确定性MILP清晰但扩展性有限；元启发式灵活但参数依赖；随机和鲁棒方法适合不确定性但计算昂贵；AI和数字孪生辅助EMS有前景但需大规模验证。部署还需考虑社会、监管和制度问题。
6. Socio-technical, policy, and regulatory aspects：社会技术兼容性影响电力项目可持续性。研究强调零售和回购电价、连接补贴、生产性用途支持、预测集成运行、部门耦合、安全措施、多准则规划和适当所有权结构的重要性。监管与许可、融资约束、运维物流和本地技术能力常被TEA低估。治理结构方面，公用事业主导可靠性高但社区参与弱，合作社和社区所有提升认同但资金与技术受限，PPP可平衡公共监督与私人投资。
7. Emerging trends：新兴趋势包括智能化、适应性、网络韧性和社会包容架构。
7.1 Data-driven and intelligent EMS：EMS正整合AI和机器学习，形成预测、优化与调度闭环，支持预测性维护、自适应控制和数字孪生。研究显示AI辅助天气信息EMS可降低峰值需求29.2%，在12 min内从天气导致发电下降中恢复，并降低电网进口成本27.4%。研究机会指向自愈能力。
7.2 Hybrid storage and sector integration：混合储能与部门整合趋势明显。氢长时储能与锂离子BESS短时储能结合可提升可靠性、韧性和能量平衡。综述提到NaNiCl
2基BES的LCOE最低为0.1050 USD/kWh，HES最高GHG减排92.39%但LCOE为0.2824 USD/kWh，PHS成本最高为0.4094 USD/kWh，TES为0.1429 USD/kWh；研究机会指向农村绿色氢枢纽。
7.3 Grid-forming reliability and advanced topologies：构网逆变器和虚拟惯量控制对高比例逆变器资源稳定至关重要。研究提出AHDRC和DPSC控制器，在负载冲击和故障下实现1.5 s稳定时间、超调低于8%。双端口和多端口变换器改善混合AC/DC MG故障恢复和PV、EV、BESS集成。研究机会认为混合AC/DC设计可能成为社区MG标准。
7.4 Circularity and cybersecurity-by-design：现代HRES关注资源循环、生命周期优化和第二生命电池。数字化使网络安全成为设计要件，异常检测、加密和安全通信对远程管理至关重要。研究机会指向区块链透明电价与自动威胁响应。
7.5 Proposed benchmarking framework for renewable energy MGs：综述提出标准化基准框架，包括技术、经济、环境和计算性能指标；比较MILP、随机、鲁棒、元启发式和AI方法；设置干旱、寒冷和孤岛社区基准测试系统，以评估可靠性、经济性、环境绩效、计算效率和真实应用性。
8. Challenges and research gaps：挑战包括基准与数据透明、气候—资产降额与运维物流、保护与恢复复杂性、社会经济障碍与循环物流、不确定性建模与压力测试。
8.1 Benchmarking and data transparency：EMS和容量配置研究依赖定制负荷数据和工具默认设置，缺乏跨气候标准测试集，难以识别性能提升来源；研究建议建立统一社区数据集和EMS基线。
8.2 Climate–asset derating and O&M logistics：超干旱和飓风易发地区案例显示产量下降和部件退化加快，但EMS研究很少共同建模维护物流与环境应力；研究建议发展气候—资产降额联动模型，共同优化生命周期性能与韧性。
8.3 Complexity of protection and restoration：混合MG集群中互连变换器、DC电弧检测和选择性保护仍存在空白，TEA常低估高可再生波动系统的恢复规划和启动顺序复杂性；研究建议开展EMS—保护协同设计。
8.4 Socioeconomic barriers and circularity logistics：高CAPEX、融资有限、OPEX不确定和部件老化构成财务障碍，TEA常忽略危险废物处理、回收和本地技术能力；研究建议纳入“四重底线”指标。
8.5 Uncertainty modeling and stress testing：多数研究模拟典型不确定性，较少比较协变量漂移、级联故障或沙尘暴、通信中断等分布外冲击；研究建议用统一测试套件和N-1-1压力场景、多日孤岛测试验证模型。
9. Future research roadmap towards 2035：路线图分三阶段。2026—2028年聚焦标准化和真实世界测试，包括统一数据集、基准标准、HIL、CHIL、PHIL和大规模实验、气候与退化感知模型。2029—2031年聚焦韧性感知集成设计，包括部件退化、维护、保护、恢复、极端事件和混合AC/DC系统EMS—保护协同设计。2032—2035年聚焦自适应和可持续社区MG，EMS更自主，预测性维护和循环资产管理延长寿命，规划整合技术、经济、环境和社会目标。路线图强调从性能优化转向部署优化。
讨论与结论总结：讨论部分强调，MG可持续部署依赖社会技术兼容、政策监管、融资、治理、社区参与、运维物流和生命周期管理；现有TEA多集中于仿真指标，真实部署受监管、融资、维护物流和环境退化限制。研究结论翻译如下：该综述综合了面向偏远和孤立社区的混合可再生能源微电网近期研究，考虑了MG架构、EMS、优化、TEA与社会技术因素。综述文献表明，研究明显转向混合AC/DC架构、先进优化、智能EMS与集成储能方案，以提高可靠性、灵活性与RE利用率。然而，研究人员认识到，没有任何单一架构、储能技术或优化技术可被概括为最合适；其有效性仍强依赖于本地资源、需求特征、系统规模与运行约束。此外，治理、可负担性与社区参与等社会技术因素仍是可持续部署的关键使能因素，但在TEA研究中很少被量化。尽管建模与仿真取得显著进展，实际实施仍受基准不一致、不确定性处理不足与实验验证有限制约。解决这些空白对于扩展智能MG系统以可靠且可负担地服务孤立社区至关重要。未来研究方向包括：统一基准与数据集的比较方法；HIL、CHIL和现场规模实验；将生命周期退化、维护物流和外部应力纳入EMS与优化；混合AC/DC MG的EMS、保护与恢复协同设计；以及纳入极端事件和分布外条件的压力测试。
