一种基于岛屿的电力-热能-氢能-淡水系统的两阶段双层调度优化框架，该框架采用全谱太阳光谱分离技术

《Renewable Energy》：A Two-Stage Bi-Level Dispatch Optimization Framework for Island-Based Electricity–Heat–Hydrogen–Freshwater Systems with Full-Spectrum Solar Spectral Splitting

　　舒爱仁 | 丁瑞毅 | 杨家豪 | 马博阳 | 王东风 | 黄宇
中国河北省保定市，华北电力大学盐洲电力实验室，071003

**摘要**
全谱太阳光谱分割提高了可再生能源的利用率，为确保可靠的岛屿能源供应提供了一种新的方法。然而，显著的太阳辐射不确定性，加上岛屿系统中的电力、热能、氢能和淡水子系统之间的动态特性差异，给稳定运行带来了挑战。为应对这些挑战，本研究提出了一种两阶段、双层优化策略。在第一阶段，我们通过构建基于Wasserstein距离的不确定性集来识别最坏情况，从而制定了一个分布鲁棒的优化（DRO）模型，以减轻可再生能源变化引起的波动。在第二阶段，我们开发了一个双层滚动优化框架：上层进行长期滚动优化以保障热能供应和水资源存储，而下层通过将海水淡化视为灵活负荷来执行短期电力调度。共享的状态变量促进了不同层次之间的互动，以适应异构能源载体之间的动态时间尺度不匹配。针对一个典型夏季日的仿真结果表明，与传统单层优化相比，所提出的两阶段双层方法将系统的发电-负荷不平衡减少了60.11%，并将运营成本降低了4.4%。

**引言**
由于地理和资源限制，当地的可再生能源（主要是太阳能和风能）已成为满足岛屿地区核心能源需求的主要手段[1]。随着太阳能利用技术的进步，全谱光谱分割耦合利用范式受到了越来越多的关注。该范式将太阳光谱划分为不同的波长带[2]，每个波长带专门用于生成特定的能源载体，从而显著提高了整体能源转换效率和功率密度[3]，同时精确满足了岛屿环境的异构能源质量需求[4]。然而，在实际应用中，多能源系统面临能源载体之间的显著时间尺度不匹配[5]以及可再生能源协调利用的巨大不确定性[6]，这两者都可能导致供需不平衡[6]，并使系统调度和控制变得复杂。因此，本文研究了基于全谱光谱分割的岛屿电力-热能-氢能-淡水系统中源侧不确定性和多能源时间尺度不匹配所带来的运营挑战。

为了应对岛屿环境中高效利用可再生能源的挑战，近期研究广泛探讨了各种本地资源的整合。参考文献[7]研究了将潮汐流能纳入零碳岛屿系统以多样化可再生能源供应途径。参考文献[8]分析了实现100%可再生能源供应的潜力，旨在最大化可再生能源的渗透率。同样，参考文献[9]探讨了海上风电和波浪能发电场的共址布置，强调了多源互补性在提高可再生能源输出方面的优势。在这些努力基础上，全谱光谱分割范式作为一种有前景的技术出现，进一步提升了太阳能转换效率，并扩大了其在多能源场景中的应用价值。在理论极限和系统设计方面，参考文献[10]将光谱分割转换与热光伏进行了比较，证明了前者的热力学优势，理论效率达到了64%。此外，参考文献[11]建立了级联太阳能系统的最佳设计原则，证明了集中光谱分割和重塑可以显著提高整体电力输出。在设备实现方面，参考文献[12]和[13]展示了先进的光谱选择器和复合材料在减少光学损耗和提升转换率方面的有效性。这些关键技术推动了多能源互补整合的研究：参考文献[14]和[15]通过实现冷却、加热和电力联产的高效率，证实了多能源系统的潜力；参考文献[16]进一步扩展了太阳能制氢的效率前沿；特别是参考文献[17]提出了一种结合级联太阳光谱辐射和铜氯循环的新型清洁氢生产系统，实现了43.44%的太阳能制氢效率，强调了光谱分割在清洁化学合成中的巨大应用价值。

这些发展表明，全谱技术在整体能源和熵效率[18]方面优于传统的单波长光伏方法，并显著改变了集成系统的模型和运营特性。具体来说，全谱模块同时生成电力和热能直接改变了系统的能源供应模式，这显著影响了电能和热能存储的充放电吞吐量，并减少了下游转换设备的级联熵损失[19]。然而，在实际系统集成中，引入这一新子系统会引发严重的运营问题。由于模块捕获了更宽范围的太阳能量，大气扰动会在电能和热能输出中同时引发大规模的功率波动，从而显著放大了源侧的波动性。由于这些异构能源载体具有根本不同的物理惯性，这种同步扰动严重加剧了系统内部的时间尺度不匹配。现有研究主要集中在效率优化上，而对全谱集成系统的调度和运营挑战探讨不足。

鉴于全谱利用中太阳辐射的显著不确定性，主流研究最初集中在实施先进的智能算法[16]、[17]、[18]上。例如，参考文献[23]利用深度强化学习来优化电力-热能-淡水系统的调度。然而，为了减轻基于预测的方法中不可避免的预测误差，参考文献[24]采用了基于场景的方法进行更稳健的运营规划，参考文献[25]应用了Halton序列增强的拉丁超立方采样技术来生成多样化的可再生能源场景，从而减少了单点预测的偏差，并为不确定性下的氢能集成可再生能源系统建立了最佳运营策略。尽管如此，许多近期研究仍然依赖于假设不同能源载体具有均匀动态响应的单阶段调度公式。对于光伏和光热输出紧密耦合且太阳能变化较大的全谱集成系统，这种简化假设可能会限制运营性能。特别是，忽略电能和热能子系统的特性响应时间差异会减少精细控制的机会，使系统难以吸收快速的太阳波动。因此，快速的电能动态与较慢的热能调整之间的瞬态不匹配会在实践中转化为更大的供需不平衡。

其次，为了解决异构能源载体不同时间尺度带来的运营挑战，现有研究集中在开发多阶段、多时间尺度优化框架[26]、[27]、[28]上，并结合高精度预测技术[29]、[30]以提高调度精度。在这些框架中，利用岛屿特定的需求侧灵活性对于进一步提高系统适应性至关重要，而海水淡化成为最有前景的可控资源之一。参考文献[31]在Ponza岛上证明，将淡化厂与水资源存储系统结合可以有效平衡季节性负荷变化并减少碳排放。同样，参考文献[32]在Ventotene岛上表明，将淡化视为可延迟负荷可以显著提升经济性能和可再生能源的利用率。尽管这些研究证实了“水-能源”耦合的灵活性潜力，但传统的多时间尺度优化方法通常采用顺序级联框架。在这些传统模型中，慢响应调度是预先确定的，无法动态适应实时电力调整，可能导致累积的调度误差和次优的灵活性利用。全谱光谱分割产生的电力-热能-水多能源流动系统表现出更复杂的动态特性，需要同时协调亚分钟级的功率波动与小时级的热能和水力惯性。这种深层次的跨时间尺度耦合需要连续的双向状态变量反馈——这是以往调度策略很少涉及的动态协调机制。第二阶段则使用这一基线作为日内滚动校正的参考，通过分层反馈协调热能和水子系统的慢动态与快速电能动态。因此，迫切需要建立一个基于现有协同作用的集成框架，以适应这些多能源流动特性，并实现多源异构能源的精确同步。

尽管先前关于岛屿多能源系统的研究主要集中在可再生能源的不确定性和异构能源流的时间分割上，但完全耦合系统的精确稳定运行仍面临两个关键挑战。首先，在可再生能源来源的严重波动加剧电力、热能和淡水之间强耦合的情况下，如何制定一个全面的优化策略来同时保证可靠性和经济效率？其次，鉴于这些能源载体之间的响应时间存在显著差异，确定可以设计哪些跨时间尺度的协调机制来利用系统的固有灵活性并消除供需不匹配至关重要。

因此，本文研究了一个集成全谱光谱分割的岛屿电力-热能-氢能-淡水系统。本研究解决的关键挑战是：在孤立岛屿系统中，基于预测的调度必须同时应对两个耦合问题：可再生能源发电的不确定性和异构能源载体之间的动态不匹配。在这项工作中，季节性场景不是用来替代预测的源负荷数据，而是用来描述预测误差的季节性分布，并为次日调度构建更现实的不确定性集。在此基础上，所提出的框架结合了分布鲁棒优化和两阶段双层滚动调度机制。第一阶段建立了一个在季节性预测误差分布下仍可行的次日基线调度和备用裕度。第二阶段则使用这一基线作为日内滚动校正的参考，通过分层反馈协调热能和水子系统的慢动态与快速电能动态。这样，两个阶段从互补的角度共同解决了相同的调度问题：第一阶段定义了风险意识的可行运行范围，第二阶段在该范围内实现精确的多时间尺度调整。主要创新和贡献如下：
(1) 我们采用等效功率方法来确定全谱光谱分割的最佳波长划分。通过精确分配光谱带，该方法最大化了可再生能源的利用效率，并使其与异构能源质量需求相匹配。
(2) 我们提出了一种两阶段双层运营（TSBLO）策略，以协调间歇性可再生能源发电与异构能源载体之间的动态时间尺度不匹配。在第一阶段，构建了一个基于Wasserstein距离的不确定性集来稳健管理不确定性。在第二阶段，建立了一个双层滚动框架，以协调热能和水子系统的慢惯性与可再生能源的快速波动性。值得注意的是，该框架利用了水资源存储的缓冲能力，将海水淡化视为灵活负荷来跟踪可再生能源输出，从而增强了系统的调节能力，并确保了多个时间尺度上的精确稳定性。

**方法片段**
图1展示了基于岛屿的电力-热能-氢能-淡水系统的示意架构。全谱太阳利用子系统包括一个聚光器、一个光伏（PV）发电单元和一个纳米频率分割的流体热管（ST）。该系统集成了一个能源存储模块，包括电池储能、热能储能和水存储单元。电能由可再生能源发电模块提供，包括PV、风力涡轮机（WT）和波浪能。

**案例研究**
为了验证具有全谱光谱分割耦合及其两阶段双层优化方法的岛屿电力-热能-氢能-淡水系统的有效性，本章使用一个代表性岛屿的数据进行了系统经济性和调度性能的比较分析。首先，通过最大化标准辐照条件下的光伏和太阳能热能单元的等效电力输出来确定最佳光谱分割窗口。

**结论**
本研究通过引入一种将全谱太阳光谱分割与四向量（电力-热能-氢能-水）能源网络相结合的新框架，解决了岛屿能源系统中可再生能源不确定性和多时间尺度不匹配的关键挑战。我们设计了一种专门的系统架构，将光谱分割技术与风能和波浪能相结合，通过等效功率方法优化光谱窗口，以最大化太阳能的利用效率。

**作者贡献声明**
舒爱仁：撰写——原始草稿、验证、概念化。
王东风：监督。
马博阳：项目管理。
杨家豪：监督。
丁瑞毅：撰写——审阅与编辑、方法论。
黄宇：撰写——审阅与编辑、项目管理、资金获取、概念化。

**未引用的参考文献**
[20]、[21]、[22]

**利益冲突声明**
? 作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。