基于氢能支持的社区微电网交易型能源管理：一种分层斯塔克伯格博弈方法

《International Journal of Hydrogen Energy》：Transactive energy management for hydrogen-enabled community microgrids: A hierarchical Stackelberg game approach

　　

• 面向氢能的微电网分层交易型框架。
• 将斯塔克伯格博弈重构为含均衡约束的数学规划（MPEC），用于基于均衡的定价。
• 跨时间尺度耦合建模电池与氢储能。
• 电网依赖度最高降低80.8%，成本节约28%–35%。
• 通过基准测试、敏感性分析和压力测试验证了鲁棒性能。

引言
全球能源向分布式、低碳化系统的转型正在重塑现代微电网（MG）的发电、配电和用电方式[1]。智能微电网在将光伏（PV）等可再生能源（RES）在社区和楼宇层面进行集成方面发挥着重要作用[2]，由此实现就地发电和自发自用，从而提升可持续性、韧性和经济性[3]。然而，可再生能源发电在时间和空间上的高度波动性引入了新的运行挑战。发电与负荷需求的不匹配会导致盈余与缺电时段的交替出现，若不加管理，将引发电网不稳定、弃风弃光以及经济性下降[4]。
为解决上述问题，储能系统能够平抑波动并提升自给能力。短期储能（如电池储能系统BESS）可快速平抑功率波动，而长时储能（如氢储能）则可储存大量可再生能源盈余并在长时间低发电时段释放能量[5,6]。氢尤其受到关注，因其在储能、运输和供热等领域具有多重功能。然而，这些技术的潜力只有通过与社区内多类型异构产消者（prosumer）的协同运行才能真正发挥。
传统集中式优化方法往往存在可扩展性和自主性的缺陷，因为它们依赖详细的数据共享与集中决策。相较而言，交易能量（transactive energy）框架提供了一种基于市场的分布式协调方案，使产消者依据动态价格信号在本地市场交易能量。这种方式可保障本地供需平衡、增强灵活性，并提供符合个体和系统目标的经济激励。然而，纯粹的基于价格机制的交易方案在面对追求自身利益而缺乏协调的产消者时，仍可能出现次优或不稳定的结果[7]。
博弈论方法提供了一个严格的数学框架，用以模拟各产消者之间的策略性互动，从而突破上述限制。通过把能量交易构建为合作或非合作博弈，可以设计出基于均衡的策略，以保证市场结果的效率、稳定性和公平性。在智慧城市微电网中，博弈论有助于在不确定性条件下整合分布式能源管理、本地市场定价与产消者决策。
此外，分层控制架构能够提升此类系统的可扩展性与运行效率。在下层，各产消者依据实时电价和储能约束优化本地目标；在上层，由社区能源经理（CEM）建议买卖报价、清结算本地市场，并通过交易能量机制协调交易。这种双层结构在保留产消者自主性的同时，保障了整体系统的最优性、稳定性和公平性。
针对智慧城市微电网中绿色氢产消者的协调管理需求，本研究构建了一个分层博弈论交易能量框架。每个产消者均配备BESS、氢储能装置和光伏，并参与由CEM运营的社区级能源市场。该框架同时考虑能量平衡、储能协同与市场均衡，以最大化可再生能源利用并降低对主电网的依赖。通过以氢作为关键灵活性资源，以及以交易协同机制确保分散产消者之间的公平高效资源分配，所提出的框架推动了去碳化、韧性强且经济可行的城市能源生态系统愿景[8]。
Ref.[9]对氢储能技术的最新进展进行了综述，探讨了氢作为通用能源载体的潜力以及储能基础设施在大规模氢部署中的关键作用。该研究强调了地下储氢及其与可再生能源系统集成的意义。类似地，文献[10]研究了地下地层储氢的地球化学问题，为大规模氢储能在社区级应用中提供了技术可行性方面的见解。文献[11]进一步考察了氢气与承载砂岩之间相互作用的重要性，并在研究中采用了多种模拟场景。Ref.[12]则对可再生能源系统中氢的储存与利用进行了全面评估，提供了与本文建模方法相契合的技术经济视角。这些研究共同凸显了氢作为未来能源系统中灵活性资源的日益重要性。
文献[13]针对集成光伏、电池与氢能系统的混合微电网，提出了设计与运行层面的联合优化方法。该研究讨论了电解槽与燃料电池的容量配置权衡，并量化了不同可再生能源渗透率下的经济回报。本文在氢容量建模及相关技术经济指标方面参考了该项研究，并据此设计了针对往返效率和资本/运维成本的敏感性测试。文献[14]提出了涵盖电解制氢、储氢与供应链的优化模型，强调了成本建模、电解槽容量选型和系统级优化在评估氢能可行性中的作用。其供应链视角强化了本文对社区级氢能经济背景的相关假设，并提示了外部氢能市场可能如何影响本地CEM的价格。文献[15]将该混合概念拓展至集成氢-BESS存储的光伏温室微电网，系统以实现自供电与碳中和运行为目标，其中氢负责日间能量平衡而BESS负责快速波动调节。混合控制策略使系统自主性提高了31%，展示了多能源存储在可持续应用中的协同潜力。不过，该研究仅聚焦单点优化，并未涉及多主体协调或交易型决策。
文献[16]针对富可再生能源微电网提出了氢-BESS混合自适应控制策略，以减少弃电并提高可再生能源利用效率。该研究聚焦BESS与氢储能的动态协同，以吸收多余的可再生能源发电并稳定与电网的交互。仿真结果显示，该方法使能量自用电量提高了25%以上，可再生能源弃电率最多降低了38%，凸显了氢作为补充性长时储能介质的关键作用。然而，该框架主要偏重运行层面而非市场导向，从技术控制角度优化能量流，未考虑产消者市场激励与经济协同。
文献[17]研究了电化学装置（燃料电池和电解槽）的退化对全生命周期性能和经济性的影响，指出忽略退化会导致高估长期收益。本文引用该项工作以论证对氢组件采用保守的效率与运维（O&M）因子，并将退化感知的调度作为后续模型扩展方向。文献[18]提出了一种基于强化学习的微电网多目标能量管理框架，其中氢-电池混合储能系统用于平衡成本最小化、排放降低和可再生能源利用等多个目标。该研究采用深度Q学习结合动态调节，在随机可再生能源与负荷条件下实现自适应控制，其中氢子系统承担长期储能而电池处理短期波动[19]。尽管取得了进展，该研究主要聚焦控制层面的优化，未明确考虑基于市场的协调或产消者层面的自主性。
文献[20]提出了基于博弈论的交易型控制架构，用于基于可再生能源的能源社区内分布式储能的可扩展、隐私保护型协调。该框架有效刻画了产消者的策略竞价与本地优化行为，在保护用户数据隐私的同时，显著降低了峰值电网需求并提高了系统整体效率。然而，该研究主要聚焦于电池储能和短期能量平衡，未纳入氢等长时储能技术在应对可再生能源波动以及能量交易多时间尺度动态中的作用。此外，该框架基于单层市场假设，忽视了社区级市场与配电网运营商之间可能存在的协调难题[21]。相比之下，本研究通过将绿氢纳入游戏型交易范式，并将社区能源市场嵌入分层协调结构，对该范式进行了拓展。文献[22]提出了日前调度模型，联合优化太阳能发电、电解槽充电与燃料电池放电以及电动汽车的交互，表明精细调度可减少弃电和运行成本。其电解槽/燃料电池动态运行的建模方式为本文在CEM中实施现实氢充放电约束以及场景分析中的权衡设定提供了直接参考。文献[23]基于虚拟储能概念，为互联多微电网开发了去中心化的协调调度模型，以增强灵活性和分布式单元间的资源共享。该方法通过多智能体优化改善了负荷平衡与可再生能源利用，但缺乏物理储能的大规模投资。为刻画多微电网之间的竞争与策略互动，该框架并未特别引入博弈论策略或基于市场的交易机制。此外，该研究主要面向虚拟（计算型）能源载体而非氢等物理介质，在长时储能与碳中和运行方面适用性有限。
文献[24]基于博弈论对多个集成光伏-氢-电池-电动汽车充电站的点对点（P2P）能量交换进行了分析。其工作构建了斯塔克伯格博弈框架，由充电站作为策略参与者，根据储能状态、制氢能力和本地可再生能源可得性做出交易决策[25]。该模型通过在分散的充电站节点之间高效协调氢的生产与消费，提高了自给率并降低了对主电网的依赖。然而，该研究并未扩展到社区级或与不同产消者类型之间的分层协调，而主要聚焦站点级交易与双边协商。此外，尽管证明了基于氢交易的可行性，但缺乏中心能源管理者或明确的市场清结算机制，无法保障大规模系统的可扩展性与公平性。文献[26]将分布式可再生能源（DRE）的所有权复杂性纳入博弈论决策框架，为社区微电网开发了分布式P2P能量交易模型，使产消者能够在个人所有、共享以及第三方运营的多种资产结构下公平参与本地化能源市场。与传统集中式调度相比，结果显著降低了电网依赖度并提高了可再生能源利用。然而，该研究主要关注产消者之间的经济互动，未考虑氢储能和多能耦合，难以应对可再生能源的长期波动。此外，尽管该去中心化方法保持了隐私并降低了计算负荷，但缺乏分层协调机制，难以在互联微电网层面实现大规模扩展。
文献[27]为多微电网系统提出了日前最优P2P能量交易策略，通过纳什议价博弈建模以实现参与者之间公平且互利的能量交换，并结合数据驱动的机概率约束处理可再生能源不确定性，确保系统在概率运行条件下保持稳定[28]。通过将机器学习预测模型与博弈论优化相结合，相比确定性和集中式基线，该研究实现了更高的社会福利和更低的能源成本。然而，社区级市场与更高层系统之间缺乏分层协调，限制了其可扩展性。
文献[29]综述了分布式制氢在本地电网和社区中的应用研究，综合了技术经济、控制策略和政策等方面，并指出分布式氢采用的主要局限（成本、基础设施和监管框架）。该综述强调了对本地市场机制的需求，从而为本文提出的分层CEM方法提供了现实可行的路径。文献[30]基于区块链交易基础设施，提出了博弈论P2P太阳能交易模型，旨在提升去中心化能量交易的透明度、可信度和自主性。该研究将产消者互动建模为非合作博弈，参与者通过最优报价与交易决策最大化自身收益，而区块链确保结算过程的安全与不可篡改。与传统集中式能源市场相比，该去中心化框架在市场公平性、数据隐私和交易可靠性方面均表现显著改善。

然而，该模型主要是在纯太阳能光伏社区中进行测试，并未纳入氢燃料或电池储能等多元能源系统，而这些系统对于增强韧性和灵活性的微电网（MG）越来越重要。文献[31]的作者研究了微电网中的交易能源实施，并讨论了市场架构、通信需求和控制层级。该文献对比了集中式控制与市场型控制，并探讨了实际部署的可行性。该论文支持了我们分层设计的依据（CEM上层、产消者本地控制），并为交易能源（TEC）的设计选择、市场出清方法和网络物理考量提供了权威背景。此外，文献[32]的作者提出了一种基于配电网节点边际电价（DLMP）的交易能源管理框架，适用于智能配电系统。其多智能体架构在大规模网络中保持可扩展性，同时实现本地价格形成和去中心化谈判。研究表明，通过在每个节点上通信实际能量成本，基于DLMP的协调显著提高了经济效率并减少了局部拥塞。然而，该框架未解决长时平衡问题，也未纳入氢燃料等多元能源存储介质，而是主要集中于纯电力交易。文献[33]的研究调查了在日前市场和实时市场中参与博弈的策略性电力市场参与者之间的均衡特性。该研究重点说明了市场阶段之间的报价调整如何影响价格形成、调度可行性和整体市场效率。然而，该分析主要是理论性的，侧重于批发市场结构而非社区微电网。文献[34]的研究探讨了参与配电市场交易的产消者聚合商联盟的报价策略。为了增强市场力量、降低个体风险并提高报价效率，该框架考虑了聚合商联盟的形成。尽管有这些贡献，该研究并未考虑基于氢的灵活性或混合储能技术，而是仅专注于聚合商层面的电力交易。尽管在氢集成微电网、混合能源存储协调和交易能源市场等领域取得了显著进展，但仍存在若干重要的研究空白。首先，目前大多数现有研究在运行或控制导向的框架中处理氢储能，其功能被限制在能量平衡或减少可再生能源消纳方面。氢作为长时储能介质与内生市场机制之间的互动以及其对社区能源系统中价格形成的影响，并未被这些方法明确捕捉。其次，尽管交易能源和点对点（P2P）交易框架已被研究，但大多数当前模型仍依赖简化价格更新规则的单层市场结构。市场出清与产消者决策之间的互动通常通过启发式或迭代过程表示，缺乏对均衡性质的正式保证，且这些方法通常缺乏严格的均衡形式化[35, 36, 37]。第三，社区微电网中大多数博弈论形式化忽略了氢系统引入的多时间尺度动态，而偏好基于电池的产消者。因此，短期（电池）与长期（氢）存储之间的跨时间耦合及其对策略性报价行为和市场结果的影响未被当前模型所捕捉。最后，很少有集成数学框架将基于均衡的市场出清、多元能源存储建模和分层协调结合为适用于社区规模应用的可管理优化结构。为克服这些局限性，本文提出了一种新颖的分层交易能源框架，主要贡献如下：

1. 基于MPEC的分层交易能源协调重构：为了模拟CEM与氢能赋能产消者之间的关系，构建了一个严格的双层Stackelberg博弈。利用产消者层面问题的Karush-Kuhn-Tucker（KKT）条件，将建议的框架进一步重构为单层带均衡约束的数学规划（MPEC）。该转换提供了系统分析和求解的基础，并允许对均衡行为进行数学一致的代表。

2. 均衡感知市场出清与内部价格形成：与传统基于启发式价格更新的交易方法不同，建议的模型通过均衡一致的价格机制明确连接产消者选择、储能动态和市场出清。由供应、需求和多元能源存储决策的互动内生形成的内部市场价格，使分布式能源市场能够得到更准确的刻画。

3. 氢与电池储能（BESS）在策略性产消者行为中的多时间尺度耦合：该框架提供了一个统一的建模结构，捕捉了氢能存储和BESS在产消者优化中的互补作用。氢被建模为具有跨时间耦合约束的多阶段能源载体，BESS则捕捉快速循环储能。这一集成公式使分析这两种储能类型如何共同影响报价策略、内部价格形成和系统灵活性成为可能。

4. 氢赋能产消者的增强技术经济建模：超越传统的简化表示，建议的模型纳入了氢系统运行特性，包括转换效率、运行成本和时域能量耦合。

**方法**

所提出的方法论集成了氢能赋能产消者调度、混合氢-电池储能协调以及面向社区微电网的分层博弈论交易能源市场。工作流程包括一系列分析、优化和仿真步骤，如表1所示。图1展示了分层博弈论交易能源框架。如图所示，CEM作为领导者确定市场出清价格，而产消者作为跟随者……

**数学模型**

本节建立了用于对分层CEM系统、CEM与产消者之间的策略互动以及分布式资源（特别是BESS和基于氢的能源存储系统，即电解槽-燃料电池系统）[37]的物理运行进行建模的数学框架。该模型采用双层Stackelberg博弈，其中CEM作为上层领导者，产消者作为下层跟随者，各自根据社区价格优化本地决策。

**数值研究**

通过数值算例评估了所建议的分层博弈论交易能源框架在管理包含光伏发电、BESS和氢储能系统的社区微电网中的效率。仿真使用了一天内实际的产消者负荷和光伏数据。输出结果考虑了纳入氢储能和所建议的交易框架如何改善系统灵活性、减少电网依赖并提高韧性……

**讨论**

研究结果表明，将氢储能纳入建议的基于均衡的交易能源框架中，可提高社区微电网的运行效率和经济绩效。与不协调运行相比，协调框架将总运行成本降低约26-32%，并在所研究的场景下将电网能源依赖减少最多74.3%。通过促进跨时间能量转移，氢储能显著增强了系统的……

**结论**

本文提出了一种分层博弈论交易能源框架，用于社区微电网中氢赋能产消者的协调运行。通过将CEM与产消者之间的互动重构为双层Stackelberg博弈并转化为单层MPEC，建议的方法实现了对基于均衡的市场行为的严格一致表示。所创建的框架捕捉了电池与氢的互补作用……

**作者贡献声明**

Meisam Mahdavi：原创草稿撰写、可视化、验证、软件、方法论、调查研究、形式化分析、概念设计。Abdullah G. Alharbi：审阅与编辑、资源、项目管理、经费获取、数据整理。Amal BaQais：审阅与编辑、项目管理。Francisco Jurado：审阅与编辑、监督指导。

**利益冲突声明**

作者声明不存在已知的竞争性经济利益或可能影响本文工作的个人关系。

**致谢**

作者感谢努拉宾特阿卜杜勒拉赫曼王子大学科研与图书馆学部通过研究小组项目（资助编号：RG-2025-13）对本研究工作的资金支持。

Meisam Mahdavi | Abdullah G. Alharbi | Amal BaQais | Francisco Jurado