基于MILP优化框架设计并网微电网：提升风能-太阳能-电池-氢能储能的协同运行效能

本文针对间歇性可再生能源并网导致的能源系统复杂化问题，提出了一种混合整数线性规划（MILP）优化框架，用于设计包含风电、光伏、电池和氢能储能的并网型微电网系统。研究以希腊蒂洛斯岛为案例，优化了系统组件规模与能量调度策略，实现了50.3%的能源自给率和显著的经济效益（NPV 551万欧元）。该研究为多储能协同的并网微电网设计提供了创新方法，对促进可再生能源消纳和电网稳定具有重要参考价值。

　　

随着风电、光伏等间歇性可再生能源（Renewable Energy Sources, RES）的大规模接入，能源系统正变得越来越复杂。为了平衡发电与用电之间的波动，储能系统（Energy Storage Systems, ESS）成为关键支撑。特别是融合多种技术的混合能源系统（Hybrid Energy Systems, HES），能够将电池的快速响应与氢能的长期储能能力相结合，同时应对短期波动和季节性供需失衡。这类系统通常还与国家电网连接，可双向吸收或出售电能。然而，这类包含光伏板、风力发电机、电池、电解槽、压缩机、燃料电池和氢罐等多组件的系统，需要同时协调电力、热力和氢能等多种能量流，其规模优化设计面临高维度、多变量协同的挑战。

尽管已有研究应用混合整数线性规划（Mixed-Integer Linear Programming, MILP）优化孤立微电网，但针对并网型、多储能协同的微电网设计研究仍较为缺乏。为此，Francesco Superchi和Alessandro Bianchini在《Renewable Energy》发表论文，开发了一个全面的MILP优化框架，用于设计并网型微电网，重点优化风电、光伏、锂离子电池和氢能链（碱性电解槽、氢罐和PEM燃料电池）的规模与运行策略。

该研究以希腊蒂洛斯岛为实际案例，该系统通过海底电缆与主网连接，允许在能源短缺时进口电力，在可再生能源过剩时出口电能。由于岛屿夏季旅游高峰期间电力需求激增，且电网接入容量有限（最大400 kW），必须通过储能系统实现调峰和季节性能量转移。

研究团队构建的MILP框架同时优化四个储能组件的规模（整数变量）和全年8760小时的能量流分配（连续变量），总变量数达25.4万个。关键技术方法包括：基于历史数据的系统输入（风机、光伏产量和负载需求）、线性化组件模型（效率、运行约束）、电网交互规则（固定功率带输出与惩罚机制）以及净现值（NPV）最大化目标函数。研究还对比了两种参数化调度策略（优先电网吸收VS优先可再生能源自消纳）以验证MILP优越性。

3.1. 最优规模与整体结果

MILP优化得到系统配置为：电池储能系统（BESS）容量1443 kWh，电解槽功率197 kW，燃料电池功率222 kW，储氢罐容量2902 kg。系统总投资360万欧元，年收益55.8万欧元，NPV达551万欧元，投资回收期6年，能源自给率（SSd）为50.3%。能量分配显示：83%光伏和67%风电直接供电负载，电池充电占风电16%和光伏10%，电解槽消耗风电10%和光伏7%，仅风电剩余4%用于电网出口。

3.2. 能量流分析

氢能系统作为季节性储能，电解槽在冬春季持续产氢，燃料电池在夏季高峰放电，储氢量呈现先升后降趋势。电池则用于短期调节和支撑电网固定功率带输出。夏季负荷高峰时，电网吸收达上限（400 kW），燃料电池作为备用电源启用。

3.3. 与常规策略对比

对比两种参数化策略：优先电网吸收（PARA grid）虽投资相同，但自消纳率仅11.8%，净现值锐减99.6%；优先自消纳（PARA res）需扩大氢能组件（电解槽和储氢罐翻倍）才能满足需求，NPV仅为218万欧元。MILP策略通过动态分配能量流，实现了经济性与可靠性的最优平衡。

该研究证实了MILP框架在复杂并网微电网设计中的有效性，首次在统一优化中整合了多储能规模设计与实时能量调度。氢能季节性储能与电池短期调度的协同，解决了高峰需求与电网限制的矛盾。相比传统策略，MILP在提升自给率、降低电网依赖和最大化经济收益方面优势显著。未来工作可引入鲁棒优化考虑风光不确定性，并集成退化模型以更准确评估系统全生命周期成本。该成果为可再生能源主导的并网微电网提供了可靠的设计工具，对推动能源转型和电网脱碳具有重要意义。