Optimal Configuration and Cooperative Operation Characteristic Analysis of Electricity-Hydrogen Hybrid Energy Storage in Microgrids

JIANG Shihan; JIANG Fei; CAI Zhuoliang; OUYANG Wei; JIANG Feng

doi:10.12204/j.issn.1000-7229.2026.10.010

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Optimal Configuration and Cooperative Operation Characteristic Analysis of Electricity-Hydrogen Hybrid Energy Storage in Microgrids

Renewable Energy and Energy Storage | 更新时间：2026-09-30

- Optimal Configuration and Cooperative Operation Characteristic Analysis of Electricity-Hydrogen Hybrid Energy Storage in Microgrids
- Electric Power Construction Vol. 47, Issue 10, Pages: 122-135(2026)
- 作者机构：
  
  1.电网防灾减灾全国重点实验室（长沙理工大学），长沙市410114
  2.长沙理工大学电气与信息工程学院，长沙市410114
- 作者简介：
- 基金信息：
  
  National Natural Science Foundation of China(52377166);Key Research and Development Program of Hunan Province(2024AQ2009)
- DOI：10.12204/j.issn.1000-7229.2026.10.010
  CLC： TM732
- Received：28 May 2026，
  
  Revised：2026-06-09，
  
  Published：01 October 2026
- 稿件说明：
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江世涵,姜飞,蔡卓良等.微电网电-氢混合储能优化配置及协同运行特性分析[J].电力建设,2026,47(10):122-135.

JIANG Shihan,JIANG Fei,CAI Zhuoliang,et al.Optimal Configuration and Cooperative Operation Characteristic Analysis of Electricity-Hydrogen Hybrid Energy Storage in Microgrids[J].Electric Power Construction,2026,47(10):122-135.
江世涵,姜飞,蔡卓良等.微电网电-氢混合储能优化配置及协同运行特性分析[J].电力建设,2026,47(10):122-135. DOI： 10.12204/j.issn.1000-7229.2026.10.010.

JIANG Shihan,JIANG Fei,CAI Zhuoliang,et al.Optimal Configuration and Cooperative Operation Characteristic Analysis of Electricity-Hydrogen Hybrid Energy Storage in Microgrids[J].Electric Power Construction,2026,47(10):122-135. DOI： 10.12204/j.issn.1000-7229.2026.10.010.

摘要

目的

在“双碳”目标与新型电力系统建设背景下，针对高比例新能源接入下孤岛微电网源荷长周期错配、短时功率波动和低惯量运行风险并存的问题，研究微电网电-氢混合储能优化配置与协同运行特性。

方法

以电化学储能容量及功率、电解槽、储氢罐和氢燃料电池容量为优化变量，构建综合年化成本最低的配置模型；考虑功率平衡、设备边界、状态连续性和频率变化率（rate of change of frequency，RoCoF）约束，并以瞬时丧失20%新能源出力作为

-1类极端扰动场景校验系统等效惯量支撑能力。在此基础上，开展氢能渗透率灵敏度分析，并采用离散傅里叶变换（discrete Fourier transform，DFT）与帕塞瓦尔定理计算储能功率序列在日内、周内及跨周（季节）波动区间的频域能量占比。

结果

西北地区某孤岛微电网算例表明，电-氢混合储能方案综合年化成本较纯电化学储能下降83.38%。极端扰动下，混合储能有效惯量始终高于RoCoF约束下的最小需求。频域分析显示，氢储能在长周期区间的动作能量占比为77.7%，电化学储能在日内波动区间占比为88.0%。

结论

所建模型能够在满足扰动初期RoCoF约束及全年能量平衡要求的前提下，降低长周期储能配置成本，提升高比例新能源孤岛微电网的运行经济性。对于具有显著季节性源荷错配的孤岛微电网，氢储能更适合承担跨周期能量转移，电化学储能更适合承担日内功率平抑与惯量支撑。

Abstract

Objective

Under the background of the “dual-carbon” goals and the development of new-type power systems， isolated microgrids with high renewable energy penetration face the coexistence of long-term source-load mismatch， short-term power fluctuations， and low-inertia operation risks. To address these issues， the optimal configuration and coordinated operation characteristics of electro-hydrogen hybrid energy storage in microgrids are studied.

Methods

Taking the capacity and power rating of electrochemical energy storage， as well as the capacities of the electrolyzer， hydrogen storage tank， and hydrogen fuel cell as optimization variables， a configuration model with the minimum comprehensive annualized cost as the objective is established. The model considers power balance， equipment operating limits， state continuity， and rate of change of frequency （RoCoF） constraints. An

-1 type extreme disturbance scenario with an instantaneous loss of 20% renewable energy output is adopted to verify the equivalent inertia support capability of the system. On this basis， a sensitivity analysis of hydrogen energy penetration is carried out， and the discrete Fourier transform （DFT） and Parseval’s theorem are used to calculate the frequency-domain energy proportions of energy storage power sequences in intra-day， intra-week， and cross-week-to-seasonal fluctuation intervals.

Results

A case study of an isolated microgrid in Northwest China shows that the comprehensive annualized cost of the electro-hydrogen hybrid energy storage scheme is reduced by 83.38% compared with the pure electrochemical energy storage scheme. Under the extreme disturbance， the available effective inertia of the hybrid energy storage system is always higher than the minimum requirement under the RoCoF constraint. Frequency-domain analysis shows that hydrogen energy storage accounts for 77.7% of the action energy in the long-period interval， while electrochemical energy storage accounts for 88.0% in the intra-day fluctuation interval.

Conclusions

The proposed model can reduce long-period energy storage configuration costs and improve the operational economy of isolated microgrids with high renewable energy penetration while satisfying the RoCoF constraint in the initial stage of disturbance and the annual energy balance requirement. For isolated microgrids with significant seasonal source-load mismatch， hydrogen energy storage is more suitable for cross-period energy transfer， whereas electrochemical energy storage is more suitable for intra-day power smoothing and inertia support.

关键词

Keywords

references

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