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MathWorks加速创新以助力开发未来电力系统

时间:2022-01-13 15:23:03 | 作者:爱科技网 | 点击: 196 次

TechWeb 文 / 新喀鸦

“碳达峰”是当今比较热门的话题之一,我国的目标是在2030年前实现碳达峰,2060年前实现碳中和。而实现碳中和或是碳达峰的方式可以分为三个部分,即:能源生产、能源传输和能源利用。

能源生产:风电/光电

从能源生产的角度来实现碳达峰需要大幅提高清洁能源的占比,比方说风电、光伏、水电。但这类发电方式都具有波动性,在引入后,电力系统的供需平衡难度、安全稳定运行保障难度相应增大,所以要构建新型电力系统。

在风电方面,由于风力发电会受到季节、气温、风速的影响,波动性非常大。将其并入电网后会对电网的造成冲击,影响电网的稳定性。那么我们该如何评估风电厂并网之后对整个电网造成的波动影响呢?以加拿大魁北克公司的风电厂为例,他们利用MATLAB和Simulink对整个风电厂的电气、机械和控制系统进行设计和仿真,进行动态仿真和功率预测。通过实时的仿真准确预测设备需求,以此来保证并网后电网的可靠性。

在光伏方面,大多数光伏发电系统中,光伏产生的电能需要先储存在电池中,而电池容量的选择则是一个关键性的问题。如果电池容量选得过小,那么就会产生安全问题,如果是电池容量选择过大,则会增大整个系统的搭建成本。那么该如何找到经济合理性和安全性之间的平衡点呢?美国的Sandia国家实验室利用MATLAB和Simulink去模拟整个Hawaii的微电网,对光伏发电微电网配电系统进行建模和仿真,以此来评估光伏发电设施可靠运行所需的电池容量和控制系统。

能源生产:储能

电网最终需要的是稳定的电力供应,而像风电、光伏这类可再生能源在供应电力的时候往往都具有波动性。因此与风电、光伏配套使用的储能系统也变成了重要的一环。储能系统可以吸收风能和太阳能产生的多余能量,储存起来供发电量少的时候使用。

目前在储能行业,除了我们熟悉的电池储能以外,还有很多其它的储能方式发展也很快,比如飞轮储能和熔盐储能。

MathWorks加速创新以助力开发未来电力系统

Teraloop公司的飞轮

飞轮储能就是将电能转化为动能进行存储。如果我们将飞轮想象成为一个“大陀螺”,那么飞轮储能的第一步就是用电机带动这个“大陀螺”转起来,此时能量就以动能的形式存储在飞轮中了。当我们需要用电时,可以让这个转起来的“大陀螺”带动发电机中的转子旋转,这样“大陀螺”中的动能又变为电能了。

飞轮储能的特点可以总结为三点,第一,功率密度高,储电量大,可以在短时间提供巨大的能量输出。第二,使用寿命长。第三,快速充放电。正因为这样的特点,飞轮储能正在逐渐应用于电网调峰调频、能量回收、UPS电源等领域。

而真的要将飞轮储能并入电网的时候,需要解决的问题也有很多。并网过程中最优先考虑的关键因素就是要保证对电网的冲击小一点,保证并网过程中的安全可靠性。以芬兰公司Teraloop的飞轮储能系统为例,他们通过使用MATLAB和Simulink对飞轮与现有电网系统的集成进行建模,以此来解决这样的问题。

能源传输

在能源传输方面,优化电网结构和提高能源传输的效率是目前行业关注的热点。其中,构建分布式能源系统就是优化电网结构的一种有效手段。电网结构的优化是十分复杂的,比如需要考虑风电、火电、水电这些能源采用什么样的配比才能达到最高效节能的状态而且还要符合经济性原则。以上海电气为例,上海电气集团的分布式能源规划和设计平台(DES-PSO平台)让该公司及其客户能够在建设大型能源生产项目之前评估这些项目的财务可行性。使用 MATLAB 开发基于能源生产子系统、负载和电网的模型计算投资回报的算法,然后使用 MATLAB Production Server 在生产 IT 系统中部署算法。在软件的开发过程中使用MATLAB节省了几个月的模型和算法的开发时间,并使算法易于部署为稳定、可靠的web应用程序的一部分,而无需重新编码。

在提高能源传输的效率方面就不得不提到高压直流输电了,特别是在长距离输电的场景下,高压直流输电在效率方面的优势是非常明显的。但HVDC(高压直流输电)的控制和保护系统的开发是十分复杂的。以Alstom为例,他们使用基于模型的设计MBD为控制和保护系统建模、仿真、验证和生成代码和文档。传统的高压直流系统的保护算法,大约需要花费六个月的时间来开发和测试C语言程序,而同样的工作在使用MATLAB/Simulink的情况下可以在一周内完成。

能源利用