面向零碳机场运营的电-热-氢微网优化调度与电动/氢能飞机集成策略研究

本研究针对零碳航空转型中机场能源基础设施面临的巨大挑战，提出了一种集成光伏、氢燃料电池和多类型储能的电-热-氢微网系统。通过精细化飞机充电/加氢需求建模和随机优化方法，实现了29.4%的电网灵活性提升和63.2%的运行风险降低，为未来机场多能源系统协同调度提供了重要技术路径。

　　

随着航空业碳排放问题日益严峻，零碳航空已成为全球航空业转型的核心方向。传统航空依赖化石燃料，而电动飞机、氢燃料电池飞机和氢燃烧飞机等新型航空器正逐步走向应用。然而，这些零碳飞机的大规模运营将对机场能源系统带来前所未有的挑战——机场需要同时满足兆瓦级的电力充电需求和大规模的氢燃料供应，同时还要保障机场航站楼本身的电力和热力需求。这种多能源、高负荷、强波动的需求特性，完全改变了传统机场能源系统的运行模式。

为了应对这一挑战，来自谢菲尔德大学的研究团队在《eTransportation》上发表了一项开创性研究，构建了一个面向零碳机场运营的电-热-氢微网优化调度框架。该研究首次提出了针对全电动、混合氢电和氢动力飞机的精细化充电/加氢需求统计方法，开发了考虑运行风险和电网灵活性的多目标优化模型，并通过实际机场数据的案例验证了系统的可行性和优越性。

研究人员采用了几项关键技术方法：首先基于代理模型和点质量飞机模型精确估计不同机型的能量消耗，利用拉丁超立方采样和同步后向缩减技术处理光伏发电的不确定性；其次构建了包含光伏、氢燃料电池、电解槽、电池储能、氢储罐和热储罐的多能源系统模型；最后采用混合整数线性规划（MILP）和Gurobi优化器求解多目标优化问题。研究以曼彻斯特机场的真实航班数据为基础，分析了不同季节的代表日运行场景。

研究结果方面，在系统架构设计部分，团队提出了一个集成光伏发电、氢燃料电池、电解槽和多类型储能的机场微网结构，能够同时满足电动飞机的充电需求、氢能飞机的加氢需求以及航站楼的电热需求。在飞机电氢负荷建模部分，通过高精度飞机点质量模型和代理模型方法，准确预测了不同机型的能量消耗，并考虑了备用能量和周转时间约束，实现了飞机负荷的时空平移能力。

在组件建模部分，研究详细考虑了光伏发电的随机特性、电池储能的衰减成本、电解槽的多状态运行特性以及燃料电池的热电联产能力，建立了更贴近实际运行的设备模型。在优化问题 formulation 部分，构建了以经济成本最小化、运行风险最小化和电网灵活性最大化为目标的多目标优化模型，并考虑了各类运行约束。

在案例分析与结果讨论部分，研究对比了五种不同优化策略下的系统性能。结果显示，通过飞机负荷平移和多能源协同优化，案例5实现了最佳的综合性能——与仅考虑经济性的案例1相比，总成本虽然有所增加，但运行风险降低了63.2%，电网灵活性提高了29.4%。这表明适当的成本投入可以显著提升系统安全性和灵活性。

在敏感性分析部分，研究发现能源价格对系统运行具有重要影响。当电价较低时（基准电价的0.4-0.6倍），电网几乎无风险运行；而当氢价较高时（基准氢价的1.6-1.8倍），运行风险显著增加。同时，研究确定了飞机电氢能量需求比约为0.225时，系统能够实现成本、风险和灵活性的最佳平衡。

在研究结论与讨论部分，作者强调本研究提出的优化框架能够有效支持零碳机场的能源管理，显著提升系统经济性、安全性和灵活性。随着电动和氢能飞机的普及，机场能源系统将从单纯的能源消费者转变为积极的电网服务提供者，通过负荷平移和多能源协同为外部电网提供调峰等服务。

这项研究的重要意义在于为未来零碳机场的能源系统规划设计提供了理论依据和技术路径，所提出的多能源协同优化方法不仅适用于机场场景，也可推广到其他综合能源系统。随着航空业脱碳进程的加速，这种电-热-氢多能互补的微网架构将成为机场能源基础设施的重要发展方向，为全球航空业的碳中和目标提供关键支撑。