四川
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近日，昆明理工大學祝星教授團隊在Carbon Neutrality上發表氫能耦合微電網運行優化方面的研究成果，研究根據高原城市麗江的特殊地理條件，提出并優化了一套區域氫能微電網系統。該系統通過設計符合當地實際的氫能微電網框架，結合可再生能源歷史參數構建的高維橢球不確定集，并考慮用戶需求側響應的優化思路，實現了微電網工況篩選和運行策略的優化調整。最后基于麗江的實際參數對高海拔地區氫能耦合微電網進行仿真運行。
文章亮點
提出一套符合高海拔地區實際情況的區域氫能耦合微電網構架；
以麗江市古城區域為例，對用電規模1.5MW的區域氫能微電網運行流程、設備調度、計算優化進行了仿真；
利用一種考慮時空相關性的高維橢球集合替代傳統盒式不確定集合，精確預測新能源出力參數；
提出數據驅動—需求響應—多時間尺度聯合運行機制提高系統計算結果的精確性。
內容簡介
氫能作為可再生能源的重要補充，對系統的儲能效益具有至關重要的作用。昆明理工大學祝星教授團隊針對高原旅游城市麗江的特殊地理條件，設計并優化了一套用于麗江古城的氫能微電網系統，探索氫能在地區能源結構中的應用潛力及經濟性。課題在可再生能源的出力預測問題上，基于歷史出力數據建立了高維橢球不確定集用以工況篩選，并重新圈定系統規模，使用一定功率的電解槽產氫收益覆蓋掉電力成本，最后考慮構建需求響應、多時間尺度優化等方法提升計算準確性。系統結合當地氫能項目的部分參數，用MATLAB軟件對區域氫能微電網的運行流程進行了仿真對比，為區域氫能項目的優化提供參考，證明了氫能在推動區域低碳轉型中的實用性和效益。
高海拔地區分布式氫能微電網框架
圖文導讀
微電網的實時調度與優化是系統運行的核心，其主要任務是根據負荷需求和能源供應情況，動態調整發電、儲能以及與外部電網的交互策略。
為了實現設備出力的精確調節，系統需采用集中式控制結構。該結構確保系統出力能夠匹配功能規劃目標，分為兩個層次，包括日前優化控制和日內優化控制。其中，日前優化控制將基于負荷優化和可再生能源發電篩選，制定未來一天內的優化調度策略，主要針對全局規劃。日內優化控制則根據實時的負荷變化和發電狀態，對當天的調度計劃進行動態調整。
圖1 微電網集中控制結構
借助微電網的集中控制結構，可以對系統框架的優化運行流程進行梳理。系統優先利用光伏和風電機組發電，當可再生能源發電不足以滿足負荷需求時，控制中心會調度微型燃氣輪機作為備用發電設備，以補充電力缺口。通過ALK堿性電解槽和儲氫設備實現電力與氫氣之間的能量轉化。當可再生發電機組產生的電力超過系統負荷需求時，控制中心會將多余的電能用于制氫，并儲存在儲氫設備中，微電網通過對氫氣用途進行優先級排序，動態優化氫氣資源的使用。反之，儲氫設備中儲存的氫氣通過燃料電池轉化為電能。系統內部發電能力不足以滿足負荷需求時，控制中心通過配電網購電補充能源。反之，微電網將多余的電力輸送至配電網，獲取經濟收益。
微電網框架外，在電負荷側引入PDR（分時電價機制）和IDR（激勵響應機制），合理用戶端的用電行為。在新能源出力參數上，借助數據驅動篩選機制，用高維橢球不確定集合替代傳統盒式不確定集合。最后用數據驅動—需求響應—多時間尺度聯合運行機制提高系統計算結果的精確性，并設置多組對照情形驗證該機制的有效性。
圖2 系統聯合優化運行機制
在新能源出力不確定問題的處理上，借助數據驅動不確定集篩選惡劣工況。與傳統的蒙特卡洛仿真和模糊邏輯模型不同，該方法通過優化高維數據的處理，能夠更精確地捕捉新能源輸出的極限情況。高維橢球系統通過在多維數據空間中構建一個橢球模型，并根據歷史數據的分布情況調整橢球的大小和形狀，從而實現對極限輸出的精確量化。
圖3 高維橢球不確定集合結構建模
結合實際參數后的惡劣工況篩選情況如圖4所示。面對圖4中風電（c圖data1，data2）和光伏（d圖data2，data6）的極端惡劣工況，數據驅動不確定集能夠很好的識別并首先排除掉。在風電出力篩選中，剩余風電出力場景（c圖data3，data4，data5，data6）爬坡功率明顯減少，顯示出一種更為平緩的波動趨勢，用作可再生出力條件能明顯降低魯棒優化的保守性。光伏發電同樣得到了更平穩的功率輸出，尤其是在處理功率尖峰時表現出更加溫和可控的變化，有助于減少光伏發電對微電網整體穩定性的影響。這表明數據驅動不確定集能有效地緩解風光發電的隨機性并提高系統計算的精確性。
圖4 數據驅動不確定集與盒式不確定集的惡劣工況篩選
系統完成需求響應優化，處理完不確定參數后，可以得出微電網的日前初步優化調度結果。此時微電網采用數據驅動-需求響應-氫能應用聯合運行機制，理論上達到系統最優運行狀態。其中新能源發電以風電為主，占總發電量50%左右，MGT微型燃氣輪機的發電占系統的次主要位置，占總發電量30%左右。光伏發電在系統中占比小且分散，不到10%。氫燃料電池發電占比極低，電負荷調峰作用幾乎可以忽略。ALK電解槽幾乎全天都在運轉制氫，保證氫能供應，占系統總用電能耗的20%左右。氫儲存罐的容量比率進一步反映了氫氣儲存量的變化。
（Case 1）
圖5 考慮聯合運行機制的日前調度負荷平衡以及儲氫罐容量比
為了凸顯日前調度聯合運行機制的優化作用，設置Case 2、Case 3、Case 4三組對照情形，進而研究在不同管理策略下系統運行成本的變化。在沒有考慮氫能應用的情況（Case 2）與考慮氫能的情況（Case 1）相比，微電網顯示出明顯的運行成本增加，這強調了氫能在降低運行成本和增強系統能源自給自足能力中的重要性。同時，采用盒式不確定集（Case 3）和不采用PDR（Case 4）的情況下微電網運行成本均有所增加，但盒式不確定集的應用對該微電網單日運行成本的影響更大，而需求響應機制對微電網的影響較小。
（Case 2）
（Case 3）
（Case 4）
圖6 日前調度負荷平衡和單日運行成本對照
在考慮所有優化機制的基礎上，進行日內優化并分析結果。縮減時間尺度后的系統負荷平衡見圖7（a）。節點從24個擴展到96個，調度策略更為精確，模型更能適應實際不可控因素的干擾。此時日前氫能耗與日內氫能耗功率大致持平。區別在于，日內調度的儲氫罐，在當天3時至7時，多了一部分氫氣釋放。在當天的22時至第二天的3時，多出一部分氫氣用于售賣，此時氫氣的供應存在盈余。當天9時和10時達到氫氣的最高消耗量，并且日內優化的最高消耗功率更高。整個氫能的消耗組成基本一致。
氫能設備的兩階段調度對比曲線顯示，日前調度的電解槽功率整體偏低，這是因為擾動量對系統的干擾作用，導致系統功率存在一定程度的損耗。微型燃氣輪機作為系統中作為唯一的常規發電設備，兩階段調度趨勢基本一致，但在當天的部分時段，日內調度比日前調度功率高90-100kW左右。同樣，在考慮擾動量對系統的干擾作用后，日前調度的微型燃氣輪機功率整體偏低。
（a）
（b）
圖7 日內調度負荷情形圖：（a）日內負荷平衡占比；（b）P2G制氫設備與MGT微型燃氣輪機的日前日內調度偏差
總結展望
本文針對高原旅游城市的特定需求，提出了一種基于實際的區域氫能微電網優化系統，用以優化微電網可再生能源分布不均以及出力不穩定的問題。通過實際數據進行的仿真模擬，本研究展示了氫能如何在滿足系統收益和用戶需求方面發揮重要作用。與傳統區域微電網相比，采用氫能后的區域微電網顯著提升了系統運行的靈活性，并有效降低了運營成本。實施數據驅動—需求響應—多時間尺度聯合運行機制，實現了系統單日運行成本的最低記錄，凸顯了高效管理和優化策略的經濟效益。基于真實參數構建數據驅動不確定集，能有效排除新能源中的極端惡劣工況，使得篩選出的運行情景更貼合實際。本文通過這些對比案例驗證了上述優化策略在實際應用中的有效性，為氫能技術在能源轉型中的應用提供了寶貴經驗和數據支持。
原文信息
Two-stage robust optimization of hydrogen microgrid in plateau tourist cities —taking Yunnan Lijiang as an example
作者：
Ran Xu, Zhanghua Hong, Guohua Wang, Tao Zhu, Dongfang Li, Zhishan Li, Liang Zhang* and Xing Zhu*
https://link.springer.com/article/10.1007/s43979-025-00121-2
DOI:
https://doi.org/10.1007/s43979-025-00121-2
Cite this article：
Xu, R., Hong, Z., Wang, G. et al. Two-stage robust optimization of hydrogen microgrid in plateau tourist cities —taking Yunnan Lijiang as an example. Carb Neutrality 4, 7 (2025). https://doi.org/10.1007/s43979-025-00121-2
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通訊作者介紹
祝星，昆明理工大學，教授
研究領域
主要從事氫能及碳捕集相關研究。
個人簡介
祝星，男，漢族，工學博士，昆明理工大學教授、博士生導師，“國家高層次人才”青年學者項目入選者，主要是從事氫能及能源熱化學相關研究工作。主持國家自然科學基金項目、云南省重大科技專項、校企合作項目等，聯合三峽集團云南能源投資有限公司建成云南首個氫能產業示范工程；第一作者或通訊作者在Nature Communications、Energy & Environmental Science等期刊發表論文60余篇，他引3000余次，3篇論文入選擴展版ESI高被引用論文，1篇獲“Energy & Fuels Top 25 Most Cited* Articles”獎，入選年度“全球前2%頂尖科學家榜單”；出版專著1部；授權中國發明專利21項和美國專利1項；完成的“鈰基稀土儲氧催化材料的構建與性能調控”項目獲云南省自然科學特等獎，個人曾獲中國動力工程學會青年科技獎。
聯系方式
E-mail: zhuxing@kust.edu.cn
圖文來源：原文作者
編輯：Carbon Neutrality編輯部
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