《International Journal of Hydrogen Energy》：Energy management in offshore islanded hydrogen DC microgrids: A cost and electrolyzer efficiency optimization approach
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在海上孤岛微电网的实时能量管理中，确定存储系统（尤其是氢基存储）的最优运行点面临着重大挑战。这些挑战源于海上可再生能源（RES）的随机性、可变功率需求以及氢系统的波动性。为解决这些问题，研究人员开发了一种新颖的目标函数，将电解槽系统效率集成到直流微电网的能量管
在海上孤岛微电网的实时能量管理中，确定存储系统（尤其是氢基存储）的最优运行点面临着重大挑战。这些挑战源于海上可再生能源（RES）的随机性、可变功率需求以及氢系统的波动性。为解决这些问题，研究人员开发了一种新颖的目标函数，将电解槽系统效率集成到直流微电网的能量管理策略（EMS）中。与大多数将电解槽效率视为常数的现有文献不同，本研究将效率视为一个依赖于运行电流、温度和压力的动态变量。研究人员对电解槽效率随这些参数变化的特性进行了建模、验证，并将其纳入EMS。研究人员开发了一种基于混合整数非线性规划（MINLP）的EMS来实现所提出的公式，并通过在上述场景下展示最优的微电网性能来验证其有效性。值得注意的是，最优温度和压力控制的影响得到了证明，在效率聚焦场景和多目标场景中，电解槽效率分别提升了1.7%和3.1%。研究人员将所提出的EMS与基于规则的和启发式（粒子群算法，PSO）方法进行了评估。在成本基准案例中，与基于规则的方法相比，所开发的方法成本降低了36.5%和0.04%，与PSO相比降低了0.39%。在效率基准方案中，对于最优温度-压力方法，它比PSO获得了0.10%的效率增益；在多目标案例中，与PSO相比，它提供了7.40%的效率增益。
1. 研究背景、问题与研究意义
随着全球气候变化和升温控制目标的推进，可再生能源获得了前所未有的关注，其中风能、太阳能光伏（PV）、波浪能和潮汐能等极具前景，但均具有间歇性发电的特征。同时，氢能因其电-氢-电转换过程可实现零碳运行，在学术界和工业界受到高度重视。然而，将可再生能源（RES）与氢能组件进行随意集成，会给传统电网的控制、运行和管理带来问题。作为有前景的替代方案，微电网集成了分布式发电、储能和控制系统，可在孤岛和并网两种模式下灵活运行。但在小岛屿、孤立船舶/飞机和海上平台等应用场景中，由于高昂成本和复杂的地理条件，连接到主电网存在挑战，微电网通常需要在充足的储能技术支持下的孤岛模式下运行。其中，直流微电网因其效率更高、控制更简单以及与可再生能源和储能系统兼容性更好而更受青睐。
在此类微电网中，能量管理单元负责系统的稳定运行，通过密集利用储能系统（ESS）来存储和调度与间歇性RES结合的能量。当能量过剩时，ESS存储能量；能量不足时，ESS向微电网输送能量。在没有电网支持的情况下，唯一的选择是制定储能策略，例如电池和氢能存储。通常，这种选择是围绕成本相关程序进行的，优先考虑低成本运行。为了在降低运行成本的同时恰当控制储能，需要对储能系统的成本和效率进行仔细分析。这包括确定孤岛系统（包含间歇性RES（如PV和风能）、电池储能系统和氢能储能系统）最经济、最有效的运行点，同时满足与各组件相关的复杂约束。
然而，现有文献大多关注算法改进和采用经济或环境目标，对氢能系统的效率导向控制关注有限。特别是，电解槽效率通常被假设为常数，而忽略其对电流密度、温度、湿度和压力等关键运行变量的依赖性。这种简化会导致运行效率低下，尤其是在具有多样化环境条件的海上和孤岛场景中，能量存储系统（如氢能存储）会显著影响整体系统性能。此外，很少有研究关注电解槽性能对温度和压力变化的敏感性，而这对于精确建模和实际应用至关重要。
为解决上述问题，本研究的主要贡献在于：首先，开发了一种集成电解槽系统效率的新型优化公式，以优化海上孤岛直流微电网中的氢能系统利用；其次，将电解槽系统效率动态建模为运行电流、温度和压力的函数，并集成到EMS中；第三，提出了一个多目标优化框架，为运营者提供兼顾成本效益与运行效率的微电网管理方案；第四，利用所提出的方法考察了电解槽运行压力和温度敏感性对微电网EMS的影响；最后，将所提出的EMS与基于规则和元启发式的EMS进行对比，以验证其在海上氢能直流微电网中的有效性。该论文发表在《International Journal of Hydrogen Energy》上。
2. 主要关键技术与方法
研究人员采用混合整数非线性规划（MINLP）方法，结合YALMIP工具箱和BMIBNB求解器（并辅以Gurobi优化器）进行建模与求解。研究中分别构建了基于成本、基于电解槽效率以及结合成本与效率的多目标优化目标函数。为实现多目标平衡，研究人员采用最小-最大归一化方法处理成本和效率目标，然后通过加权求和得到最终目标函数，其中权重系数在0.1至0.9之间以0.1为步长变化，并利用帕累托前沿分析选择最优运行点。此外，研究中使用的实际负荷数据来源于一家新西兰三文鱼公司的水产养殖设施，代表2024年1月至3月间记录的运行功率需求；太阳能辐照数据来自澳大利亚塔斯马尼亚州格里姆角气象局，风速数据来自塔斯马尼亚州CSIRO数据访问门户。
3. 研究结果
**Case 1: Cost optimization (案例1：成本优化)**
通过最小化总运行成本目标，直流微电网在成本优化下运行。研究发现，电池系统作为成本较低的储能选项被优先使用，电解槽和燃料电池系统的运行受到抑制。在48小时运行期内，微电网总运行成本为191.69美元。
**Case 2a: Optimization of PEM electrolyzer system efficiency (案例2a：PEM电解槽系统效率优化)**
通过将电解槽效率作为唯一优化目标，模型证明将非线性电解槽效率函数引入EMS的有效性。由于不考虑成本，电解槽、燃料电池和电池系统的使用频率显著提高。在此场景下，电解槽系统的平均运行效率达到72.19%，但总运行成本升高至986.1美元。
**Case 2b: Temperature and Pressure Optimized (TPO) PEM electrolyzer system efficiency (案例2b：温度与压力优化的PEM电解槽系统效率)**
在允许运行温度（310K至360K）和运行压力（1 bar至20 bar）在预定范围内变化的情况下，优化框架确定了使电解槽系统效率最大化的最优运行条件。结果表明，当温度调节在约330K，压力在9 bar至11 bar之间动态变化时，电解槽平均运行效率提升至73.92%，相比案例2a获得了1.7%的效率增益。总运行成本上升至1233.7美元。
**Case 3a: Multi-objective optimization considering cost and electrolyzer efficiency (案例3a：考虑成本与电解槽效率的多目标优化)**
通过加权和法构建的归一化多目标函数，研究得出了成本和效率目标的帕累托前沿。通过计算欧几里得距离确定了最优折衷运行点。在该点上，电解槽平均运行效率为65.94%，总运行成本为202.9美元，实现了成本与效率的良好平衡。
**Case 3b: Temperature and Pressure Optimized Multi-Objective (TPO-MO) operation (案例3b：温度与压力优化的多目标运行)**
在允许温度和压力变化的前提下进行多目标优化，发现电解槽系统运行更频繁，平均运行效率提升至68.79%，相比案例3a获得了3.1%的效率增益。总运行成本略微上升至207.5美元。
**Significance of multi-objective case studies (多目标案例研究的意义)**
帕累托前沿对比显示，标准多目标EMS在低动态权重下成本更低，而基于TPO的多目标EMS在效率目标上表现更优，尤其是在低权重时，其能将电解槽运行点推至效率曲线上的更高区域。
4. 比较与验证及研究结论
**比较与验证**：研究人员将所提出的基于MINLP的EMS策略与两种基于规则的传统策略（一种优先电池、一种优先电解槽和燃料电池）以及一种基于粒子群算法（PSO）的元启发式EMS进行了对比。在成本基准EMS中，MINLP方法实现了最低运行成本，相比两种传统规则策略分别降低了0.04%和36.53%，相比PSO降低了0.39%。在效率基准EMS中，MINLP策略在常规运行和温度-压力优化运行下，电解槽平均效率分别比PSO策略高0.3%和0.1%。在多目标基准EMS中，MINLP策略在常规和优化条件下，比PSO策略分别实现了6.9%和7.4%的效率增益，同时成本分别降低了约63%和67%。这些结果清晰地表明，所提出的将电解槽效率作为动态变量的非线性MINLP优化框架，在运行效率和成本控制方面均优于传统规则方法和元启发式方法。
**研究结论**：本文提出了一种基于电解槽系统效率的新型目标函数，通过协调控制电解槽和燃料电池系统，实现了对氢能的最优利用。与大多数现有方法在EMS中将电解槽效率假设为常数不同，所提出的公式将电解槽效率建模为运行电流、温度和压力的函数。通过多个案例研究验证了所提出策略的有效性。开发的直流微电网在效率最大化和多目标优化场景下运行，并整合了电解槽系统的温度与压力优化运行。在效率最大化场景中，恒定条件下电解槽系统的平均运行效率为72.19%，在优化温度和压力后提高至73.92%。在多目标EMS场景中，温度与压力优化运行的平均效率为68.8%，相比恒定运行提高了3.1%。此外，将所提出的基于MINLP的EMS性能与两种广泛使用的策略（基于规则和基于PSO的EMS）进行了比较。在恒定条件及温度和压力优化条件下，基于MINLP的EMS相比基于规则和基于PSO的方法，平均效率分别提高了5.9%和7.4%。这些发现凸显了所提出的目标函数和优化框架对于孤岛直流微电网的有效性。结果表明，其能够在不牺牲运行策略灵活性的前提下，提升氢能系统效率，并实现成本与性能的平衡，从而将系统行为转向更经济、更优化的氢能运行模式。
