《Sustainable Computing: Informatics and Systems》：Optimal design and performance assessment of a data-driven hybrid sustainable energy management framework for grid-tied urban power networks
编辑推荐：
摘要：频繁停电、气候相关不确定性及城市电力系统复杂性的日益增加，提升了对可靠且经济可行的可再生能源解决方案的需求。本研究为中国南方广西某城市配电网设计了一种并网混合可持续能源结构，整合光伏(PV)、风力发电(WT)、蓄电池储能系统(BES)及市电电网支撑。采用
摘要：频繁停电、气候相关不确定性及城市电力系统复杂性的日益增加，提升了对可靠且经济可行的可再生能源解决方案的需求。本研究为中国南方广西某城市配电网设计了一种并网混合可持续能源结构，整合光伏(PV)、风力发电(WT)、蓄电池储能系统(BES)及市电电网支撑。采用消防员优化(Firefighter Optimization, FFO) MPPT控制器提升升压变换器性能，在变化大气条件下优化PV系统功率提取。定量仿真结果表明，所提MPPT方法较传统灰狼优化(GWO)及粒子群优化(PSO)基控制器，收敛时间缩短达47.27%，动态恢复性能提升达46.15%。同时，开发了FFO优化的人工神经网络(ANN)基能量管理策略(EMS)，协调可再生能源、储能与电网间潮流。EMS依据PV出力、风电发电、负荷需求及电池荷电状态(SOC)生成蓄电池充放电及电网功率交互控制信号。技术经济分析表明，相较传统全依赖电网运行模式，所设计配置显著降低了净现值成本(NPC)与平准化能源成本(LCOE)。敏感性分析显示，负荷需求±15%变动引起NPC与年运行成本分别波动33.41%与39.18%；太阳总辐射照度(GHI)±15%变动导致可再生渗透率(RF)变化31.18%；风速±15%变动引致RF与内部收益率(IRR)分别变化11.5885%与3.55%。综上，结果表明可持续微电网中充分的管控与最优系统配置可提升系统可靠性，为城市配电网提供长期解决方案。
本文对发表于《Sustainable Computing: Informatics and Systems》的论文《Optimal design and performance assessment of a data-driven hybrid sustainable energy management framework for grid-tied urban power networks》（Debabrata Mazumdar, Josep M. Guerrero, Anugula Rajamallaiah, Baseem Khan, Chiranjit Sain, F. Ahmad）进行解读总结。
研究背景方面，全球变暖与能源危机促使可持续能源源(SESs)成为替代化石能源的重要方向，太阳能光伏(PV)、风力发电机(WT)与电池储能系统(BES)构成现代微电网(Microgrid, MG)的核心。中国提出"双碳30–60目标"，计划在2030年前将风光装机提升至至少1200 GW，但各省资源禀赋差异大，南方省份如广西具备较好太阳能潜力且城市化带来的负荷增长迅速，却缺乏针对中等规模城市并网混合系统的区域化研究。现有文献多单独关注技术经济最优定容或孤立的最大功率点跟踪(MPPT)与简化能量管理策略(EMS)，鲜有在同一并网城市混合微电网框架内集成自适应MPPT控制、人工智能驱动的EMS、HOMER定容及详细敏感性分析，且在变电价与可再生能源间歇情境下的协调调度研究不足，限制了成果对实际城市能源规划的适用性。因此，研究人员以广西某城市并网PV-WT-BES-电网混合可持续能源资源(HSER)为对象，开展集成最优组件定容、FFO-MPPT及FFO优化ANN-EMS的研究，并通过技术经济分析与敏感性分析验证系统性能。
主要关键技术方法：研究人员采用HOMER Grid软件对PV、WT、BES及逆变器容量进行最优定容以最小化净现值成本(NPC)与平准化能源成本(LCOE)；在PV侧升压变换器中设计消防员优化算法(Firefighter Optimization Algorithm, FFO)基MPPT控制器，在变化大气条件下追踪最大功率点；构建以PV出力、WT发电、负荷需求及电池荷电状态(SOC)为输入，以BES充放电指令与电网交换功率为输出的ANN，并利用FFO同时对ANN结构与权重进行双角色优化形成EMS；在Matlab/Simulink中搭建并网PV-WT-BES系统模型，分别在晴日与阴天低辐照场景进行动态仿真；基于HOMER输出开展NPC、LCOE、可再生渗透率(Renewable Fraction, RF)、内部收益率(IRR)等技术经济指标计算，并对负荷需求、太阳总辐射照度(Global Horizontal Irradiance, GHI)及风速做±15%敏感性分析。
研究结果如下：
System Description and modelling：研究人员首先利用HOMER Grid对PV阵列、WT系统、双向DC-DC变换器连接的BES及公用电网各组件进行最优配置筛选，确定使NPC与LCOE最小的容量组合，PV与BES接入直流母线，WT经整流接入直流侧或交流侧，系统整体为并网型混合发电系统。
Framework of adaptive EMS：所提EMS框架以FFO优化后的ANN为核心，实时采集PV功率、WT功率、负荷及BES SOC，输出BES充放电信号与双向变流器及网侧交换功率指令，优先由可再生与储能满足负荷，市电作备用，适应气候与负荷波动并增强直流母线电压稳定性。
Result and discussion：仿真结果表明，FFO-MPPT较GWO与PSO基MPPT收敛时间最大减少47.27%，动态恢复性能最大提升46.15%，在辐照突变与部分遮蔽条件下具更好追踪稳定性。FFO-ANN EMS可有效协调PV-WT-BES-电网功率流，降低对市电依赖。技术经济分析证实优化配置较单纯市电供电显著降低NPC与LCOE。敏感性分析得出负荷需求±15%变动造成NPC与年运行成本分别变化33.41%与39.18%，属主导因素；GHI±15%变动引致RF变化31.18%；风速±15%变动造成RF变化11.5885%、IRR变化3.55%。
Conclusion：研究人员得出结论，在中国广西城市配电网中设计的并网PV-WT-BES混合系统，通过消防员优化算法优化的MPPT与ANN能量管理策略及HOMER最优定容，可实现可再生电源、储能与电网协调运行，在保障供电可靠性的同时明显降低系统总成本。BES作为主要缓冲单元配合FFO-MPPT与FFO-ANN EMS可提升系统对可再生间歇性与负荷波动的适应能力，技术经济分析与敏感性分析结果为南方中等城市并网混合微电网规划提供了量化依据。该研究填补了南方省份中等城市并网HSER中集成智能EMS、自适应MPPT及综合敏感性评估的空白，对推进城市低炭能源转型具参考意义。
