综述：微电网中集成压缩空气储能和光伏系统的多目标优化框架：技术经济分析与案例研究

《Energy Conversion and Management-X》：Simultaneous sizing of a photovoltaic system and compressed air energy storage in a microgrid

本综述提出了一种创新微电网（MG）优化框架，将压缩空气储能（CAES）与光伏（PV）系统协同集成。文章通过多目标遗传算法（GA）和ε-约束法，解决了高能耗建筑在负荷削减下的能源调度难题，旨在最小化总成本（CAPEX/OPEX）并最大化可靠性及可再生能源占比。该研究为构建高效、经济的可持续能源系统提供了关键技术与策略见解。

　　

能源挑战与微电网解决方案

现代高能耗建筑，尤其是面临定期负荷削减的地区，对能源供应的可靠性和经济性提出了严峻挑战。传统的柴油发电机依赖不仅运营成本高昂，且伴随显著的碳排放。微电网（MG）作为一种集成分布式能源的局部电网，为提升能源韧性提供了可行路径。其中，将间歇性的可再生能源（如光伏，PV）与高效的储能系统相结合，是实现微电网优化运行的核心。压缩空气储能（CAES）技术因其规模大、寿命长、成本相对较低等优势，被视为一种极具潜力的规模化储能解决方案，可与PV系统形成良好互补。

混合微电网系统架构与组件建模

本研究探讨的混合微电网系统核心架构包含光伏阵列、先进绝热压缩空气储能（A-CAES）系统、柴油发电机（DG）以及主电网连接。系统在工作时，光伏电力优先满足负载需求，剩余能量驱动CAES系统的压缩机，将电能转化为高压空气的势能储存于储气装置（ASC）中。当光伏出力不足或电网负荷削减时，储存的高压空气驱动透平发电，必要时辅以柴油发电机或从电网购电，从而确保负载供电的连续性。

对各组件的精确建模是优化基础。光伏发电功率模型考虑了太阳辐照度、环境温度以及光伏板温度的影响，其交流输出功率（P_PV,t^AC）由辐照度比值、温度系数和逆变器效率共同决定。CAES系统的模型则更为复杂，涵盖了压缩、储存和膨胀发电三个子过程。压缩机模型基于等熵效率，计算将环境空气压缩至储气罐压力所需的功率（P_comp）和空气质量流量（m?_comp）。储气罐模型描述了其内部压力（p_ASC,t）随时间变化的关系，该压力是压缩机充气量和透平排气量的函数。透平模型同样基于等熵效率，计算高压空气膨胀对外输出的电功率（P_turb）。柴油发电机模型则主要关注其燃料消耗成本，该成本由固定消耗系数和负载相关消耗系数共同构成。

多目标优化问题表述与求解策略

本研究的核心是构建一个多目标优化问题，旨在协同优化两个关键指标：系统总成本（包括投资成本CAPEX和运营成本OPEX）最小化，以及系统供电可靠性最大化（即最大限度满足负载需求）。目标函数数学上表示为最小化总成本，并满足一系列严格的约束条件。

这些约束条件确保了系统的物理可行性和安全运行，包括：压缩机、透平、光伏、柴油机的功率上下限；储气罐的压力允许范围；以及最重要的，在任何时刻系统的总发电功率（来自PV、CAES放电、DG和电网购入）减去CAES充电功率后，必须大于或等于负载需求。这是一个典型的混合整数非线性规划（MINLP）问题，变量既包括连续的功率值，也包括表示设备启停状态的二进制变量。

为解决这一复杂问题，研究采用了结合遗传算法（GA）和增强ε-约束法的混合优化策略。遗传算法模拟自然选择过程，通过选择、交叉、变异等操作在解空间中高效搜索。增强ε-约束法则将多目标问题转化为一系列单目标问题进行处理，通过将其中一个目标（如成本）设为主目标，将其他目标（如可靠性）转化为约束条件，并引入松弛变量和惩罚函数来确保获得非劣解（Pareto最优解），从而得到一系列在成本和可靠性之间权衡的最佳配置方案。

案例研究：商业建筑能源系统优化

为验证所提框架的有效性，研究针对一个具有季节性运行特点（夏季白天、冬季夜间运行）的商业建筑进行了案例研究。研究收集了六个月的太阳辐照度和负载需求数据，并利用蒙特卡洛模拟生成了包含正常和极端运行条件下的多种场景。

优化结果表明，不同的运行场景对应着不同的最优设备配置和调度策略。在光照充足的正常场景下，系统倾向于配置较大的光伏容量（约37.5 kW）和CAES系统（储罐容积200 m³，最高压力10 bar），白天充分利用光伏发电并给CAES充电，夜间利用CAES放电，显著降低了对电网和柴油机的依赖，可再生能源占比可超过41%。而在光照不足的极端场景下，系统优化结果则可能是一个规模稍小的PV系统（约28.15 kW）搭配一个更注重快速响应和深度放电的CAES系统（透平最大放电功率约70 kW），虽然可再生能源占比有所下降（约10-18%），但通过CAES和DG的协调，依然能保证较高的供电可靠性（>91%）。

技术经济分析显示，尽管集成CAES和PV需要较高的初始投资（CAPEX），但其带来的运行成本（OPEX）节约和可靠性提升是显著的。与完全依赖传统能源的现有系统相比，优化后的混合系统在全生命周期成本上展现出竞争力，尤其是在电价较高或负荷削减频繁的地区，经济优势更加明显。

结论与展望

本研究成功开发并验证了一个用于光伏-压缩空气储能混合微电网设计与运行的多目标优化框架。该框架能够有效处理高能耗建筑在不确定性能源供应和负荷需求下的优化问题，找到成本与可靠性之间的最佳平衡点。案例研究结果表明，通过优化配置和智能调度，PV-CAES混合系统能够显著提高可再生能源渗透率，降低对化石燃料和不稳定电网的依赖，为构建清洁、 resilient 且经济的区域能源系统提供了强有力的技术支撑。未来工作可进一步考虑更复杂的市场机制、设备老化因素以及与其他储能技术的对比分析。