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【正文】
🌍多能农村微电网的未来：精准能量调度的建模与算法创新
📢近日，一篇关于“多能农村微电网”（MERMs）的前沿研究文章发表在《IEEE Transactions on Smart Grid》，该研究由多位国际学者合作完成。论文聚焦于农村能源系统的智能调度，提出了一种创新的两阶段随机优化方法，有望为全球农村能源系统提供高效、经济、可靠的解决方案。
📌研究背景与意义
多能农村微电网通过整合电力、热能、天然气和水资源，不仅提高了能源系统的协调能力，还为实现低碳转型提供了新契机。然而，农村地区的能源管理面临以下挑战：
- 资源浪费：农村生物质资源丰富，但大多未被高效利用。
- 负荷波动：可再生能源（如风能和光伏）的波动性给能源调度带来困难。
- 气象影响：降水、温度等气象因素的不确定性直接影响能源供应和需求。
为应对这些问题，本文设计了一个结合厌氧生物质发酵（ABF）和精准灌溉系统的创新MERMs架构，并提出了针对多维不确定性的优化调度方法。
🔍核心技术亮点
1️⃣系统架构创新
本文设计了一个集成能源、电力、热力和灌溉系统的多能农村微电网（MERMs）。与传统微电网不同，新架构包含以下模块：
- 生物质发酵单元：通过厌氧发酵将生物质转化为甲烷，用于能源供给。
- 精准灌溉系统：根据气象信息动态调整灌溉量，实现水资源高效利用。
- 多能耦合优化：整合光伏（PV）、风力发电（WT）、热电联产（CCHP）、电解水制氢等技术，形成高度耦合的多能系统。
2️⃣动态厌氧生物质发酵建模
本文首次在MERMs中完整刻画了生物质到甲烷的动态转化过程，分为四个阶段：
- 水解阶段：将有机物分解为可溶性单体。
- 酸化阶段：将单体转化为挥发性脂肪酸（如乙酸、丁酸）。
- 乙酸化阶段：将脂肪酸转化为乙酸和氢气。
- 产甲烷阶段：乙酸分解和氢气与二氧化碳反应生成甲烷。
研究通过微分方程描述各化学反应的物质传递和能量流动，精确反映了厌氧发酵的动态特性。
3️⃣精准灌溉模型
灌溉系统的动态模型综合考虑了：
- 降水与蒸发：基于气象数据计算作物的蒸散需求（ET）。
- 土壤水分变化：动态平衡方程描述根区水分的输入（灌溉、降水）与输出（蒸散、深层渗漏）。
- 抽水能耗计算：利用泵效率与扬程关系模型估算抽水过程的电力需求。
4️⃣两阶段随机优化方法
为应对气象和负荷的不确定性，本文采用了两阶段随机优化：
- 第一阶段（长期决策）：确定资源分配与基础调度方案。
- 第二阶段（实时调整）：基于实际情景调整能量调度，优化经济性与可靠性。
优化问题被重构为随机混合整数二次规划（SMIQP），并采用**渐进分解算法（Progressive Hedging, PH）**进行求解。该算法通过将全局问题分解为多个子问题并行求解，显著提高了计算效率。
💻仿真与结果分析
研究利用仿真验证了所提方法的有效性，结果显示：
- 成本优化：相比传统方法，运营成本降低了约15%。
- 能效提升：能源利用率显著提高，尤其是生物质和光伏的整合利用。
- 抗不确定性能力增强：系统在气象波动下仍能稳定满足负荷需求。
🌟研究影响与未来展望
本文的创新性工作为农村地区的智能化能源管理提供了理论支撑和实践参考。其动态建模与优化方法不仅适用于农村微电网，还可推广到更大规模的能源系统，助力全球能源转型。
📄完整文章
访问：https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/10722871
第一作者：李万豪（南开大学）
通讯作者：李正茂教授（Aalto大学）
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