【Carbon Neutrality论文荐读】祝星教授团队：高原旅游城市氢能微电网两阶段鲁棒优化—以云南丽江为例

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近日，昆明理工大学祝星教授团队在Carbon Neutrality上发表氢能耦合微电网运行优化方面的研究成果，研究根据高原城市丽江的特殊地理条件，提出并优化了一套区域氢能微电网系统。该系统通过设计符合当地实际的氢能微电网框架，结合可再生能源历史参数构建的高维椭球不确定集，并考虑用户需求侧响应的优化思路，实现了微电网工况筛选和运行策略的优化调整。最后基于丽江的实际参数对高海拔地区氢能耦合微电网进行仿真运行。

文章亮点

1. 提出一套符合高海拔地区实际情况的区域氢能耦合微电网构架；

2. 以丽江市古城区域为例，对用电规模1.5MW的区域氢能微电网运行流程、设备调度、计算优化进行了仿真；

3. 利用一种考虑时空相关性的高维椭球集合替代传统盒式不确定集合，精确预测新能源出力参数；

4. 提出数据驱动—需求响应—多时间尺度联合运行机制提高系统计算结果的精确性。

内容简介

氢能作为可再生能源的重要补充，对系统的储能效益具有至关重要的作用。昆明理工大学祝星教授团队针对高原旅游城市丽江的特殊地理条件，设计并优化了一套用于丽江古城的氢能微电网系统，探索氢能在地区能源结构中的应用潜力及经济性。课题在可再生能源的出力预测问题上，基于历史出力数据建立了高维椭球不确定集用以工况筛选，并重新圈定系统规模，使用一定功率的电解槽产氢收益覆盖掉电力成本，最后考虑构建需求响应、多时间尺度优化等方法提升计算准确性。系统结合当地氢能项目的部分参数，用MATLAB软件对区域氢能微电网的运行流程进行了仿真对比，为区域氢能项目的优化提供参考，证明了氢能在推动区域低碳转型中的实用性和效益。

高海拔地区分布式氢能微电网框架

图文导读

微电网的实时调度与优化是系统运行的核心，其主要任务是根据负荷需求和能源供应情况，动态调整发电、储能以及与外部电网的交互策略。

为了实现设备出力的精确调节，系统需采用集中式控制结构。该结构确保系统出力能够匹配功能规划目标，分为两个层次，包括日前优化控制和日内优化控制。其中，日前优化控制将基于负荷优化和可再生能源发电筛选，制定未来一天内的优化调度策略，主要针对全局规划。日内优化控制则根据实时的负荷变化和发电状态，对当天的调度计划进行动态调整。

图1 微电网集中控制结构

借助微电网的集中控制结构，可以对系统框架的优化运行流程进行梳理。系统优先利用光伏和风电机组发电，当可再生能源发电不足以满足负荷需求时，控制中心会调度微型燃气轮机作为备用发电设备，以补充电力缺口。通过ALK碱性电解槽和储氢设备实现电力与氢气之间的能量转化。当可再生发电机组产生的电力超过系统负荷需求时，控制中心会将多余的电能用于制氢，并储存在储氢设备中，微电网通过对氢气用途进行优先级排序，动态优化氢气资源的使用。反之，储氢设备中储存的氢气通过燃料电池转化为电能。系统内部发电能力不足以满足负荷需求时，控制中心通过配电网购电补充能源。反之，微电网将多余的电力输送至配电网，获取经济收益。

微电网框架外，在电负荷侧引入PDR（分时电价机制）和IDR（激励响应机制），合理用户端的用电行为。在新能源出力参数上，借助数据驱动筛选机制，用高维椭球不确定集合替代传统盒式不确定集合。最后用数据驱动—需求响应—多时间尺度联合运行机制提高系统计算结果的精确性，并设置多组对照情形验证该机制的有效性。

图2 系统联合优化运行机制

在新能源出力不确定问题的处理上，借助数据驱动不确定集筛选恶劣工况。与传统的蒙特卡洛仿真和模糊逻辑模型不同，该方法通过优化高维数据的处理，能够更精确地捕捉新能源输出的极限情况。高维椭球系统通过在多维数据空间中构建一个椭球模型，并根据历史数据的分布情况调整椭球的大小和形状，从而实现对极限输出的精确量化。

图3 高维椭球不确定集合结构建模

结合实际参数后的恶劣工况筛选情况如图4所示。面对图4中风电（c图data1，data2）和光伏（d图data2，data6）的极端恶劣工况，数据驱动不确定集能够很好的识别并首先排除掉。在风电出力筛选中，剩余风电出力场景（c图data3，data4，data5，data6）爬坡功率明显减少，显示出一种更为平缓的波动趋势，用作可再生出力条件能明显降低鲁棒优化的保守性。光伏发电同样得到了更平稳的功率输出，尤其是在处理功率尖峰时表现出更加温和可控的变化，有助于减少光伏发电对微电网整体稳定性的影响。这表明数据驱动不确定集能有效地缓解风光发电的随机性并提高系统计算的精确性。

图4 数据驱动不确定集与盒式不确定集的恶劣工况筛选

系统完成需求响应优化，处理完不确定参数后，可以得出微电网的日前初步优化调度结果。此时微电网采用数据驱动-需求响应-氢能应用联合运行机制，理论上达到系统最优运行状态。其中新能源发电以风电为主，占总发电量50%左右，MGT微型燃气轮机的发电占系统的次主要位置，占总发电量30%左右。光伏发电在系统中占比小且分散，不到10%。氢燃料电池发电占比极低，电负荷调峰作用几乎可以忽略。ALK电解槽几乎全天都在运转制氢，保证氢能供应，占系统总用电能耗的20%左右。氢储存罐的容量比率进一步反映了氢气储存量的变化。

（Case 1）

图5 考虑联合运行机制的日前调度负荷平衡以及储氢罐容量比

为了凸显日前调度联合运行机制的优化作用，设置Case 2、Case 3、Case 4三组对照情形，进而研究在不同管理策略下系统运行成本的变化。在没有考虑氢能应用的情况（Case 2）与考虑氢能的情况（Case 1）相比，微电网显示出明显的运行成本增加，这强调了氢能在降低运行成本和增强系统能源自给自足能力中的重要性。同时，采用盒式不确定集（Case 3）和不采用PDR（Case 4）的情况下微电网运行成本均有所增加，但盒式不确定集的应用对该微电网单日运行成本的影响更大，而需求响应机制对微电网的影响较小。

（Case 2）

（Case 3）

（Case 4）

图6 日前调度负荷平衡和单日运行成本对照

在考虑所有优化机制的基础上，进行日内优化并分析结果。缩减时间尺度后的系统负荷平衡见图7（a）。节点从24个扩展到96个，调度策略更为精确，模型更能适应实际不可控因素的干扰。此时日前氢能耗与日内氢能耗功率大致持平。区别在于，日内调度的储氢罐，在当天3时至7时，多了一部分氢气释放。在当天的22时至第二天的3时，多出一部分氢气用于售卖，此时氢气的供应存在盈余。当天9时和10时达到氢气的最高消耗量，并且日内优化的最高消耗功率更高。整个氢能的消耗组成基本一致。

氢能设备的两阶段调度对比曲线显示，日前调度的电解槽功率整体偏低，这是因为扰动量对系统的干扰作用，导致系统功率存在一定程度的损耗。微型燃气轮机作为系统中作为唯一的常规发电设备，两阶段调度趋势基本一致，但在当天的部分时段，日内调度比日前调度功率高90-100kW左右。同样，在考虑扰动量对系统的干扰作用后，日前调度的微型燃气轮机功率整体偏低。

（a）

（b）

图7 日内调度负荷情形图：（a）日内负荷平衡占比；（b）P2G制氢设备与MGT微型燃气轮机的日前日内调度偏差

总结展望

本文针对高原旅游城市的特定需求，提出了一种基于实际的区域氢能微电网优化系统，用以优化微电网可再生能源分布不均以及出力不稳定的问题。通过实际数据进行的仿真模拟，本研究展示了氢能如何在满足系统收益和用户需求方面发挥重要作用。与传统区域微电网相比，采用氢能后的区域微电网显著提升了系统运行的灵活性，并有效降低了运营成本。实施数据驱动—需求响应—多时间尺度联合运行机制，实现了系统单日运行成本的最低记录，凸显了高效管理和优化策略的经济效益。基于真实参数构建数据驱动不确定集，能有效排除新能源中的极端恶劣工况，使得筛选出的运行情景更贴合实际。本文通过这些对比案例验证了上述优化策略在实际应用中的有效性，为氢能技术在能源转型中的应用提供了宝贵经验和数据支持。

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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通讯作者介绍

祝星，昆明理工大学，教授

研究领域

主要从事氢能及碳捕集相关研究。

个人简介

祝星，男，汉族，工学博士，昆明理工大学教授、博士生导师，“国家高层次人才”青年学者项目入选者，主要是从事氢能及能源热化学相关研究工作。主持国家自然科学基金项目、云南省重大科技专项、校企合作项目等，联合三峡集团云南能源投资有限公司建成云南首个氢能产业示范工程；第一作者或通讯作者在Nature Communications、Energy & Environmental Science等期刊发表论文60余篇，他引3000余次，3篇论文入选扩展版ESI高被引用论文，1篇获“Energy & Fuels Top 25 Most Cited* Articles”奖，入选年度“全球前2%顶尖科学家榜单”；出版专著1部；授权中国发明专利21项和美国专利1项；完成的“铈基稀土储氧催化材料的构建与性能调控”项目获云南省自然科学特等奖，个人曾获中国动力工程学会青年科技奖。

联系方式

E-mail: zhuxing@kust.edu.cn

图文来源：原文作者

编辑：Carbon Neutrality编辑部

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