综述：混合微电网的关键方面：架构、能源管理、优化技术及未来研究方向——综述

《Journal of Cleaner Production》：Critical aspects of hybrid microgrids: Architectures, energy management, optimization techniques, and future research directions-A review

　　

摘要

可再生能源资源的渗透率不断上升，加速了混合微电网的发展，使其成为增强现代电力系统可持续性、可靠性和运行灵活性的关键解决方案。然而，可再生能源发电的间歇性、分布式能源资源（DER）的日益集成以及能源管理日益增长的复杂性，都需要先进的控制、优化和储能技术。本文对混合微电网进行了全面的关键性综述，涵盖其架构配置、分层控制策略、能源管理系统（EMS）、优化技术和混合储能系统（HESS）。本文采用基于PRISMA的文献筛选、文献计量分析和分类框架支持的系统方法，以确保对文献的透明且结构化的评估。通过比较分析，评估了传统和基于人工智能（AI）的控制策略、数学和元启发式优化方法以及新兴的HESS配置在效率、可扩展性、计算复杂性和实际实施挑战方面的表现。此外，本文全面讨论了关键问题，包括通信延迟、互操作性、网络安全、电池退化、可解释AI和不确定性感知能源管理。基于已识别的研究空白，本文提出了未来方向，强调数字孪生、联邦学习、分布式智能、弹性信息物理架构和下一代AI驱动的能源管理。本文为从事智能混合微电网系统设计、控制、优化和部署的研究人员和实践者提供了一项全面的参考研究。

引言

全球能源行业正在经历一场深刻的转型，向可持续、低碳和分散式电力系统转变，这一转型由不断增长的能源需求、严格的环境法规和太阳能光伏（PV）及风能等可再生能源资源（RES）的快速部署所驱动（Jenei等，2025）。尽管这些可再生能源显著减少了温室气体排放和对化石燃料的依赖，但其固有的间歇性和不确定性引入了重大的运行挑战，包括电压波动、频率偏差、电能质量下降和可靠性问题（Jeyaraj等，2025），（El-Sattar等，2022）。因此，传统集中式电力系统越来越多地由能够高效整合可再生能源发电同时保持安全可靠运行的分布式能源基础设施加以补充。

微电网已成为解决这些挑战的最有前景的解决方案之一。微电网是一种本地化能源系统，它将分布式能源资源（DER）、可再生能源、储能系统（ESS）和可控负载整合在一个能够在并网和孤岛模式下运行的协调框架内（Anonto等，2025），（Restrepo Román等，2024），（Zia等，2022）。其去中心化架构提高了能源韧性、运行灵活性、电能质量和系统可靠性，同时促进了更高的可再生能源渗透率和与公用电网的双向功率交换。电力电子、通信技术、物联网（IoT）和智能传感的近期进展进一步加速了具备自主监测、自适应控制和实时能源管理能力的智能微电网的发展（Abbasi和Baleanu，2023）。

在多种微电网配置中，混合交/直流微电网因其结合了交流和直流配电网络的优势而引起了广泛关注。混合架构减少了多次功率转换环节，提高了整体系统效率，促进了多样化可再生能源和储能技术的集成，并为现代分布式能源系统提供了增强的运行灵活性（Hartani等，2023a），（Montano等，2024），（Meng等，2024）。然而，其增加的结构复杂性引入了与协调控制、保护策略、通信基础设施、互操作性、变换器同步和最优功率管理相关的重要挑战。

为应对这些挑战，先进的能源管理系统（EMS）、分层控制策略和优化算法已成为现代混合微电网的重要组成部分。传统的优化技术，包括线性规划和混合整数优化，因其数学严谨性和解的最优性而仍被广泛采用（Ishaq等，2022a），（Fayyazi等，2023）。然而，混合微电网日益增长的复杂性激发了对元启发式优化方法和基于人工智能（AI）技术的大量研究，包括机器学习、深度学习和强化学习，这些技术在不确定运行条件下提供了更大的适应性（Hoque等，2023），（Hematian等，2024）。

与此同时，混合储能系统（HESS）结合了互补的储能技术，如电池、超级电容器、氢储能、飞轮和热储能，对于提高系统稳定性、可再生能源利用率和运行可靠性变得越来越重要。尽管已有许多综述文章研究了混合微电网的各个单一方面，但大多数现有研究主要关注单一主题，如控制策略、优化技术、能源管理或储能系统，而没有提供这些组件在现代混合微电网架构中如何相互作用的整合性关键评估。此外，涉及人工智能、可解释AI、通信延迟、网络安全、混合优化框架、混合储能系统、数字孪生和弹性信息物理微电网的最新发展尚未在统一的综述框架中得到全面综合。

为克服这些局限性，本文通过系统地检查混合微电网的架构配置、分层控制策略、能源管理系统、优化技术和混合储能系统，对其进行了全面的关键性综述。与主要总结以往研究的传统综述文章不同，本综述采用了结构化的方法论，得到基于PRISMA的文献筛选、文献计量分析、分类驱动的分级和比较关键讨论的支持，以识别当前研究趋势、技术局限性和新兴研究机会。特别强调的是评估传统和AI控制方法的优缺点、数学和智能优化技术、混合储能技术以及实际实施挑战，包括互操作性、通信延迟、网络安全、不确定性建模、电池退化、可扩展性和可解释人工智能。本文的研究发现为研究人员、工程师和决策者提供了对当前混合微电网技术状况的全面理解，同时突出了面向智能、弹性、安全和可持续的下一代能源系统的未来研究方向。

本文其余部分组织如下。第2节描述了综述方法，包括文献检索策略、基于PRISMA的文章筛选流程、文献计量分析和分类框架。第3节介绍了混合微电网的架构和分类。第4节回顾了分层控制策略和智能控制的最新进展。第5节讨论了能源管理系统、优化技术和混合储能系统，并进行关键比较分析。第6节总结了文献中识别的主要研究空白，第7节突出了未来研究方向。最后，第8节对论文进行总结。

章节片段

综述方法
本研究遵循结构化的关键性综述方法，以全面分析混合微电网的最新发展。与聚焦于回答狭窄定义的研究问题的系统性综述不同，本综述对文献进行了关键性综合，以识别混合微电网架构、能源管理策略、控制技术、优化方法和混合储能系统方面的技术进步、研究空白和未来研究方向。

微电网系统概述
微电网（MG）是一种将分布式能源资源（DER）、储能系统（ESS）和可控负载组装为协调系统的本地化能源系统。它可以以并网和孤岛模式运行，从而增加系统灵活性、韧性和可靠性（Rostan等，2025）。微电网可以根据电气配置分为交流（AC）、直流（DC）和混合交/直流。特别是，混合

控制策略
控制策略在确保混合微电网在各种运行条件下稳定、可靠和高效运行方面发挥着关键作用。本节首先介绍了混合微电网中采用的基本控制架构，包括集中式、分散式和分层式方法。然后回顾了传统和高级控制技术的发展演变，接着介绍关键实施挑战及其优缺点的比较分析。

混合微电网中的能源管理优化
微电网（MG）运行的主要条件之一是高效的能源管理，特别是在包含可再生能源（RES）、储能系统（ESS）和广泛负荷曲线的场景中。由于可再生能源发电和负荷需求具有随机性，能源管理系统（EMS）基于复杂的优化方法来寻找供需之间的最佳协调并满足系统约束。实时监测已成为一项研究

研究空白
尽管混合微电网研究取得了重大进展，但仍存在若干限制实际实施和大规模部署的关键挑战和研究空白。首先，大多数现有研究孤立地研究混合微电网的个别方面，如控制策略、优化技术或储能系统，而非采用整合视角。因此，这些关键组件之间的相互作用仍未得到充分理解。

未来研究
为应对上述研究空白，需要设计先进的组合解决方案，使微电网系统变得更加智能、更具韧性和更灵活。最有前景的方向之一是创建一个通用框架，将控制策略、优化技术和储能系统整合在一个连贯框架中。此类框架可以简化流程并使系统在面对不断变化的情况时更具可运行性。人工智能

结论
本综述关键性地审视了混合微电网系统的最新发展，特别关注架构配置、能源管理策略、控制技术、优化方法和混合储能系统。分析表明，混合交/直流微电网在运行灵活性和可再生能源整合方面优于传统单母线架构，尽管其实施引入了额外的挑战。

CRediT作者贡献声明
Ahmed Mashaly：撰写 – 原稿，可视化，验证，软件，资源，方法学，调查，正式分析，数据整理，概念化。Sahar S. Kaddah：撰写 – 审阅与编辑，验证，监督，资源，方法学，正式分析，数据整理，项目管理。Islam Ismael：撰写 – 原稿，监督，资源，方法学，正式分析，概念化。Ragab A. El-Sehiemy：撰写 – 审阅与编辑，可视化。

利益冲突声明
作者声明，他们不知道任何可能影响本论文中报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

Ahmed Mashaly | Sahar S. Kaddah | Islam Ismael | Ragab A. El-Sehiemy