岛屿化混合可再生能源微电网的多目标容量与性能优化：以沙特阿拉伯延布为例

为偏远家庭提供电力

对于许多孤立社区而言，可靠的电力仍然是一大挑战，尤其是在炎热干燥的地区，扩展国家电网成本过高。本文研究了小型自给自足的电力系统——称为混合微电网——如何利用阳光、风能、电池和一台小型柴油发电机，为沙特阿拉伯延布的家庭提供全天候电力，并探讨如何对各部件进行容量配置，使电力既可靠又经济。

以太阳与风为核心的小型电网

本研究考察的微电网面向远离主网的五户、十户或十五户住户群。系统核心是利用当地强烈日照和良好沿海风资源的太阳能光伏与风力发电机。它们与一个电池组相连，用于储存多余能量；当可再生能源与储能不足时，一台柴油发电机会介入。三者结合，形成一个独立运行的系统，像一个小型本地公用事业，为照明、电器及其他家庭用电需求提供电力。

在成本、可靠性与清洁能源之间权衡

设计此类系统并非简单地尽可能多地安装面板和电池。系统过大则成本不必要地增加；系统过小则会导致停电。因此，作者将设计视为一个具有三重目标的多目标问题：降低系统生命周期的平均电力成本、减少微电网无法满足需求的概率、提高来自可再生能源而非柴油的电力占比。研究并非选择单一目标而牺牲其他目标，而是寻求在三者之间达成不同权衡的设备组合。

受自然启发的最优设计搜索

为探索太阳能、风能、电池和柴油机的众多可能组合，研究采用了两种受自然启发的计算算法。一种模拟名为沙尔普（salp）的连锁微生物围绕食物集中移动的方式；另一种基于座头鲸的螺旋捕食模式。在此情境中，每个“个体”代表一个候选微电网设计。随着模拟的群体或鲸群在设计空间中移动，它们使用针对延布的逐小时气象数据、太阳辐照、风速和家庭用电负荷的详细模型测试不同设备容量。经过多次迭代，较差的设计被淘汰，较好的设计得到改进，逐步形成一系列在成本、可靠性与可再生能源使用之间实现不同平衡的解决方案。

随社区规模增长会发生什么

研究者比较了三种社区规模在有无柴油备用情况下的系统表现。当仅使用太阳能、风能和电池时，电力成本较低，但发生供电不足的风险较高，尤其在负荷较大或连续多日多云无风的情况下。加入柴油发电机会使成本略有上升，但显著提高了可靠性，将停电风险降至极低水平。有趣的是，随着户数从五户增加到十五户，优化后的设计倾向于更多依赖太阳能和风能，减小柴油比例。更大的社区能够支持更多可再生能源容量，使可再生能源占比提升到80–90%以上，同时保持单位千瓦时的平均成本在许多传统离网方案中具有竞争力。

算法之间的比较

两种搜索方法都能找到强有力的设计方案，但各有侧重。基于沙尔普的算法生成的高质量方案类型更为多样，为规划者在成本、可靠性与可再生占比之间提供更多选择空间。基于座头鲸的方法常能找到成本非常有吸引力的设计，但有时可选方案的范围稍窄。通过研究两种方法所得解在权衡曲线上的分布，作者表明将先进优化方法与现实的气象、设备性能和家庭用电模型结合，能揭示仅靠试错难以发现的模式。

对偏远社区的意义

从实践角度看，这项工作为设计独立电力系统提供了路线图，使偏远家庭能主要依靠太阳与风获得可靠供电，并以柴油作为精心配置的备用。研究表明，尤其在社区规模增长时，混合微电网能够在不推高能源账单或牺牲可靠性的前提下，实现高比例的清洁能源使用。对于像延布这样的干旱沿海地区以及全球许多类似地点的规划者和政策制定者而言，该框架提供了一种将本地可再生资源转化为稳定、可扩展的社区级电力系统的方法，既支持现代生活又减少对化石燃料的依赖。

引用: Saleh, A.A., Magdy, G. Multi-objective sizing and performance optimization of islanded hybrid renewable microgrids: a case study in yanbu, Saudi Arabia. Sci Rep 16, 12743 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-47028-1

关键词: 混合微电网, 可再生能源, 太阳能与风能, 离网供电, 能量存储