绿色认证与清洁能源分配：实现可持续城市的有效分散式框架——将工业产消者融入城市能源系统

《Sustainable Cities and Society》：Green Certification and Clean Energy Distribution for Sustainable Cities: A Robust Decentralized Framework for Integrating Industrial Prosumers into Urban Energy Systems

　　• 将绿色认证与清洁能源分配联系起来，以实现可持续城市发展。
• 将工业消费者（prosumers）整合到具有韧性的城市能源系统中。
• 协调氢能源的生产、储存、电动汽车充电以及灵活的生产方式。
• 优化成本、减排、电压稳定性以及可再生能源的韧性。

引言
全球向低碳能源系统的转变正在加速各个工业领域的转型，其中氢能源预计将在实现深度脱碳中发挥核心作用（Liu等，2026；Y. Wang等，2025）。通过水电解从可再生能源电力中产生的绿色氢能源为化石燃料和原料提供了一种可持续的替代方案，能够显著减少难以减排的工业过程中的温室气体排放。将其融入能源系统还有助于提高灵活性、加强行业间的协同作用，并更有效地利用可再生能源（Mansouri等，2026）。

对于那些既能生产氢能源又能在其工业过程中使用氢能源的工业消费者来说，有效协调能源流动和认证程序对于确保运营效率和合规性至关重要（GUO等，2023；Yang等，2024）。除了满足自身的能源和生产需求外，这些消费者还处于日益复杂的能源系统中，与电力网络和监管框架的互动十分关键。在这种情况下，绿色证书作为原产地证明，发挥着重要作用，确保所使用的氢能源来自可再生资源。这些证书不仅提高了透明度并支持合规性，还增强了氢能源在低碳能源系统中的经济和环境价值（Gong等，2025；Hu等，2025）。

协调基于氢能源的工业消费者的调度需要仔细考虑技术和监管方面的多个因素（J. Li等，2022；Wei等，2024）。日前调度必须考虑到可再生能源发电的不确定性，同时确保下游工业过程的效率。同时，与电力网络的互动必须符合运营和安全要求，这需要机制来使消费者的决策与网络层面的可行性相匹配。实现这种协调对于使基于氢能源的消费者能够可靠地为能源转型做出贡献至关重要，同时保持其运营自主权和隐私（Tostado-Véliz, Borghetti等，2025；Zhou等，2023）。

本研究从可持续城市能源转型的角度出发，为基于氢能源的工业消费者开发了一个能源和绿色证书的协调框架。工业区是城市能源需求和排放的主要来源，因此向可再生能源电力、绿色氢能源及灵活运营的转型可以成为城市规模脱碳策略的重要组成部分。所提出的框架将工业能源管理、配电网运营和可再生来源认证联系起来，使工业消费者能够在与电力系统安全协调互动的同时参与城市能源转型。从市政规划的角度来看，这种协调有助于将工业区纳入更广泛的气候和清洁能源战略中，通过将能源使用时间调整为可再生能源供应量较高的时段，促进经过认证的可再生能源的使用，并减少对高碳电力的依赖。这些变化还有助于改善城市空气质量，因为清洁电力和可再生氢能源可以替代化石能源。此外，绿色认证提供了一种透明的机制，用于验证工业消费者使用的能源的可再生来源，加强清洁能源采购的透明度，并支持在城市工业系统中更透明地获取认证的低碳能源。

最近关于基于氢能源的消费者运营调度的研究取得了显著进展，重点关注在不确定性条件下电解槽、燃料电池、储存设施及多能源互动的协调管理。（Qi等，2025）提出了一种混合氢电池微电网的长期能源管理策略，证明结合功率依赖型储能效率可以改善季节性调度并减少可再生能源的削减。在（J. Wang等，2024b）中，对电解槽调度方法的全面回顾确定了关键建模要求，如衰减、爬坡和启停约束，并探索了基于随机、鲁棒性和模型预测控制（MPC）的电网集成和市场参与方法。（Xie等，2025）提出了一种两阶段优化框架，结合日前MILP和实时MPC，用于带有电氢混合储存的微电网，从而提高了成本效率和可靠性。（Ju等，2025）提出了一种多能源调度方法，结合插电式混合动力汽车的充电需求，表明灵活的氢能源转换可以在不确定性下缓冲需求高峰并扩大可行运行范围。（Khavari等，2024）开发了一种基于分解的方法，将长期氢储能规划与日常运营联系起来，提高了经济性能和对季节性波动的韧性。（J. Wang等，2024a）展示了风能-太阳能-氢能源-电池系统的协调调度如何稳定氢能源生产并减少设备压力，提高了效率并延长了系统寿命。（Zare Oskouei等，2024）引入了一种风险约束的自调度和竞价框架，用于耦合电力-氢能源的系统，使消费者能够在管理不确定性的同时优化在日前市场和备用市场中的参与。在（Abdelghany等，2024）中，一种基于分层MPC的控制策略用于风能-氢能源微电网，结合了爬坡和状态转换约束，提高了孤立模式和并网模式下的运营稳定性。（Han等，2024）开发了一种多时间尺度调度策略，利用了不同类型电解槽和燃料电池的互补动态，相比单一时间尺度解决方案降低了成本并提高了韧性。（Zhang等，2025）为基于氢能源的社区微电网提出了一种互动调度框架，将加注和工业需求与系统范围内的成本最小化相结合，减少了拥堵并改善了服务质量。

最近的研究还强调了分布式灵活性在支持低碳和韧性城市能源系统方面的重要性。（?ztürk等，2025）表明，协调工作场所电动汽车充电的定价和电力分配可以改善负荷管理并降低充电成本，说明了灵活的移动资源如何有助于更高效的城市电力使用。（Boroomandnia等，2025）研究了耦合水力和电力网络中的微型抽水储能的最佳运行方式，并展示了其提高运营效率和支持城市脱碳的潜力。（Knudsen等，2025）表明，需求侧的灵活性可以改善区域能源系统中可用废热的利用。从协调的角度来看，（Tostado-Véliz, Dolatabadi等，2025）开发了一种保护隐私的调度框架，使参与者可以在不披露详细内部信息的情况下贡献灵活性。在工业层面，（Ranaboldo等，2024）确定了市场准入、聚合、数字化和调度能力作为有效需求响应参与的重要条件。实践经验也指出了跨多种能源载体和参与者进行协调的重要性。（Bampaou & Panopoulos，2025）表明，“氢谷”倡议可以将可再生能源发电、氢能源生产和多种终端用途行业整合到共同的能源生态系统中，同时也强调了基础设施准备和机构协调的重要性。最后，基于美国微电网的示范经验（Ton & Smith，2012）展示了分布式发电、储存和响应性需求如何提高本地可靠性和峰值负荷管理，同时也揭示了实际部署中的挑战。

最近的研究还探讨了能源市场和绿色证书市场在影响基于氢能源的消费者运营和经济行为方面的交叉作用。（Maksakova & Popov，2024）提出了一个市场模型，其中用于低碳氢能源的绿色证书显著降低了生产成本并提高了电解槽的利用率，从而影响了最佳投资和调度策略。（Y. Li等，2025）研究表明，在整合的天然气-氢能源系统中，协调参与能源、碳和绿色证书市场可以重塑调度模式，加快低碳基础设施的部署。（X. Li等，2025）为集成能源系统开发了一种共同管理策略，明确模拟了碳上限和绿色属性之间的互动，从而制定了更有效的价格机制。（Chang等，2023）对耦合的可交易绿色证书和碳排放交易方案进行了分析评估，展示了联合市场设计如何推动可再生能源整合，并为氢能源消费者的调度政策提供依据。（Langer等，2024）探讨了自愿性可再生能源证书在清洁氢能源监管中的作用，强调了它们在减少排放足迹和优化电解槽系统证书采购策略方面的潜力。（J. Li等，2024）表明，电力、碳配额和绿色电力证书的联合交易，结合需求灵活性，可以增加总体社会福利并为电力到氢能源的消费者创造新的收入来源。（B. Wang等，2025）通过均衡建模方法表明，证书收入可以抵消碳配额成本，扩大包含电解槽和燃料电池的多载体系统的盈利运营范围。（Voulkopoulos等，2024）提出了一个适用于氢能源消费者的可再生能源-电解槽聚合者的联合优化框架，结合了电力、氢能源和证书市场。

除了基于市场的证书交易外，认证本身的设计对可再生氢能源的可信度和可转移性也有重要影响。（Velazquez Abad & Dodds，2020）表明，氢能源认证和原产地保证计划在可再生氢能源的定义、系统边界、排放阈值、符合条件的生产路径和验证要求方面存在差异，强调了随着氢能源市场的发展，协调的重要性。在澳大利亚-欧盟的案例研究中（White等，2025），进一步表明氢能源认证要求的不一致性可能会影响项目成本和市场竞争力。特别关注澳大利亚的可再生氢能源生产（Palmer等，2025），研究了在国家认证试验后开发的一种新兴的原产地保证框架，并表明时间匹配和地理相关性要求可以影响生命周期排放、电解槽的灵活性以及认证可再生氢能源所需的基础设施。在美国的背景下（Robinson & Sullivan，2022），强调了在利用可再生能源证书支持排放相关索赔时证书所有权、退役和匹配要求的重要性。在更广泛的城市系统层面（Nikolic等，2025），强调了行业整合和适当系统边界在发展正能量区域中的重要性，而（Klemm等，2024）表明城市能源系统决策可能受到能源价格、排放假设和其他外部条件的影响。

当协调框架在不同监管环境下转移时，这些认证要求、证书市场规则和碳政策安排的变化非常重要。证书市场可能基于强制或自愿的方式运营，具有不同的资格、匹配、验证和退役要求，而碳监管可能依赖于明确的碳定价、排放限制或其他政策工具。所提出的框架可以通过调整证书要求、结算规则和碳相关参数来适应不同的市场设计。然而，在另一个监管环境中实施时，仍需要根据相关市场规则、认证程序和当地能源政策条件进行验证。

可持续城市需要能够协调清洁能源分配、工业脱碳和透明绿色认证的能源系统。尽管最近的研究推进了基于氢能源的消费者和低碳能源市场的运营，但仍存在一些重要空白。首先，电力市场和绿色证书市场往往被单独研究，这限制了人们对绿色认证如何影响清洁能源分配、市场结算决策以及工业消费者在城市能源系统中的运营行为的理解。其次，许多现有模型将工业消费者视为聚合或简化的能源用户，未能充分捕捉电力、天然气、热能、氢能源生产、储存系统、智能电动汽车充电和灵活工业生产之间的内部耦合。因此，工业灵活性在成本降低、减排和配电网性能方面的贡献尚未得到充分评估。第三，分散式消费者决策与城市配电网约束的协调仍待深入探索。完全集中的模型可能会引发隐私和可扩展性问题，而纯粹分散的决策可能会忽略网络安全和市场可行性。因此，需要一个分散式的协调框架来平衡消费者的自主权与系统级别的可靠性。最后，可再生能源的不确定性通常只在日前调度中得到考虑，对其对实时市场暴露和运营韧性的影响关注不足。对于依赖本地可再生资源的工业消费者而言，具有不确定性意识的协调对于降低平衡风险和支持稳定的清洁能源运营至关重要。

本研究通过开发一个强大的分散式框架，将工业脱碳、绿色认证和配电网运营连接起来，为可持续城市能源转型做出了贡献。该框架将工业消费者视为城市能源系统的活跃组成部分，通过灵活的需求、可再生氢能源生产和可验证的清洁能源使用来支持市政气候目标，而不仅仅是作为市场参与者。通过协调这些资源，同时维护网络安全和地方决策自主权，所提出的方法为将工业区纳入全市低碳规划提供了实际基础，并提高了清洁能源采购的透明度和问责性。主要贡献如下：

- 将工业脱碳置于可持续城市能源转型之中：本研究不仅将基于氢的工业消费者视为市场参与者，还视为城市规模低碳能源系统的积极组成部分。通过协调可再生能源电力使用、氢气生产、储存、电动汽车充电和灵活的工业生产，该框架展示了工业区如何为市政脱碳目标做出贡献，同时减少对城市配电网络的负担。
- 将绿色认证与城市工业系统中的透明清洁能源使用联系起来：所提出的框架共同协调电力和绿色证书交易，从而将实际的清洁能源消费与可验证的可再生来源属性联系起来。这为工业消费者展示可再生能源使用提供了透明基础，并加强了认证在可持续城市中负责任低碳能源采购中的作用。
- 实现工业区与城市能源基础设施之间的分散和弹性协调：开发了一种基于斯塔克伯格（Stackelberg）的分散结构，在这种结构中，市场运营商维护网络安全运行，而各个工业消费者独立优化其多能源系统。通过纳入可再生能源的不确定性、储存、智能电动汽车充电和灵活生产，该框架量化了工业灵活性可为日益增长的可再生能源城市能源系统带来的经济、环境和网络效益。

**模型概述**
本研究采用基于斯塔克伯格的分层结构来协调独立市场运营商与基于氢的工业消费者之间的能源和绿色证书交易。这种层级反映了交互的顺序性：市场运营商作为领导者，负责协调电力和绿色证书市场的清算；而工业消费者作为追随者，优化其各自的多能源系统。

**领导者层级**
在这一层级，市场运营商作为斯塔克伯格领导者，负责协调电力和绿色证书市场的清算。目标函数（a1）旨在最小化从可再生能源单元和上游市场购买电力和绿色证书的成本。电力市场通过（a2）中的系统范围有功功率平衡进行清算，而网络可行的电力分配则通过节点功率流来实现。

**结果与讨论**
在本节中，介绍了在图4所示的测试系统上实施所提出模型所获得的结果。该系统基于改进的IEEE 123节点配电网络，并整合了28个基于氢的工业消费者。这些消费者根据其内部配置和各自化学产品的每小时生产率被分为四类。此外，系统中还连接了七个风力发电单元和十一个太阳能发电单元。

**结论**
本研究开发了一个稳健的分散式框架，用于协调城市能源系统中工业消费者之间的绿色认证和清洁能源分配。该框架解决了可持续城市能源转型中的一个关键挑战：如何将工业灵活性、基于可再生能源的氢气生产、绿色证书机制以及配电网络安全整合到一个统一的运营结构中。基于斯塔克伯格的框架实现了协调…

**未引用的参考文献**
Li等人，2025年；Wang等人，2025年

**作者贡献声明**
刘伟：撰写——原始草稿、可视化、软件、方法论、概念化。
黄世军：撰写——审稿与编辑、监督、资源获取、资金筹集。
彭立军：撰写——审稿与编辑、撰写——原始草稿、调查、形式分析、数据管理。

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。

**致谢**
本研究得到了中国国家社会科学基金（23BJY092）的支持。

**作者列表**
刘伟 | 黄世军 | 彭立军