現(xiàn)代電網(wǎng)的設(shè)計與優(yōu)化過程中，仿真模擬已經(jīng)成為不可或缺的一環(huán)。特別是在儲能系統(tǒng)領(lǐng)域，隨著新能源的大規(guī)模接入和電網(wǎng)調(diào)節(jié)需求的提升，工程師們在研發(fā)過程中經(jīng)常會遇到以下幾個典型問題：

某種儲能技術(shù)是否具備可行性?

多種儲能方式中，哪一種更適合當(dāng)前的應(yīng)用場景?

各類控制策略在不同運(yùn)行工況下能否保持穩(wěn)定和可靠?

整體系統(tǒng)級的運(yùn)行行為是否符合預(yù)期目標(biāo)?系統(tǒng)可否進(jìn)一步優(yōu)化?

面對這些實(shí)際需求，MATLAB & Simulink 展現(xiàn)出了強(qiáng)大的優(yōu)勢。它不僅支持對各種儲能技術(shù)進(jìn)行靈活建模，更為“多種儲能技術(shù)”提供了統(tǒng)一的仿真與分析平臺。無論是電池儲能、超級電容，還是飛輪、壓縮空氣等新型儲能方式，研發(fā)人員都可以在同一個框架下，對比不同技術(shù)路線的性能，測試多樣的控制策略，從而大幅提升研發(fā)的效率與科學(xué)性。

本文將以幾類典型的儲能技術(shù)為例，結(jié)合 MATLAB & Simulink 官方提供的應(yīng)用案例，系統(tǒng)梳理這些技術(shù)在 Simulink / Simscape 環(huán)境中的建模與分析方法，幫助大家在工程實(shí)踐中快速落地儲能系統(tǒng)仿真，推動項(xiàng)目高質(zhì)量發(fā)展。

一、鋰離子電池儲能系統(tǒng)(BESS)：最主流的電化學(xué)儲能

1. 技術(shù)特點(diǎn)

鋰離子電池是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的儲能技術(shù)，典型特點(diǎn)包括：

能量密度高

系統(tǒng)響應(yīng)快

模塊化程度高

但壽命與安全性強(qiáng)依賴運(yùn)行與控制策略

因此，在工程研發(fā)中，建模重點(diǎn)往往不只是電池本體，而是“電池 + 控制 + 熱管理”的系統(tǒng)級行為。

2. 在 Simulink 中如何建模?

在 Simulink / Simscape 中，鋰電池包通?？刹捎梅謱咏７绞剑?/p>

電芯級模型

- 等效電路 / 參數(shù)化模型

- SOC、電壓、內(nèi)阻變化

電池包級模型

- 串并聯(lián)結(jié)構(gòu)

- 熱耦合

系統(tǒng)級模型

- DC/DC、逆變器

- EMS 與控制邏輯

Simscape Battery 提供了從參數(shù)化到物理建模的完整支持。

3. 官方示例(推薦)

峰值削減與電池儲能系統(tǒng)

完整的電池儲能系統(tǒng)模型，變電站子系統(tǒng)將 BESS 和饋線連接到主電網(wǎng)。該子系統(tǒng)由連接斷路器、隔離開關(guān)和變壓器組成，用于將主電網(wǎng)與 BESS 及出線饋線連接。變電站還包含 BESS 控制器和 BMS，考慮了削峰填谷控制邏輯、SOC 演化等。其中電池包模型如下圖所示，來自 Simulink 下 Simscape Battery模型庫：

二、飛輪儲能：高功率、快響應(yīng)的“機(jī)械電池”

1. 技術(shù)特點(diǎn)

飛輪儲能通過高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子存儲動能，典型優(yōu)勢是：

響應(yīng)速度快

循環(huán)壽命極長

適合高功率、短時儲能場景

但同時也帶來機(jī)械、電氣、熱多物理場耦合問題。

2. 在 Simulink 中如何建模?

飛輪儲能非常適合用 Simscape 的多物理域能力：

旋轉(zhuǎn)機(jī)械系統(tǒng)

- 轉(zhuǎn)子慣量

- 軸承(磁懸浮)

電機(jī) / 發(fā)電機(jī)

- 部件級機(jī)電模型

附加物理域

- 散熱(Simscape Thermal)

- 潤滑(Simscape Fluids)

這類模型的優(yōu)勢是：

可以直接觀察機(jī)電液控的耦合關(guān)系。

3. 應(yīng)用說明

雖然官方示例多為模塊級，但飛輪儲能通常由工程師組合旋轉(zhuǎn)機(jī)械 + 電機(jī)模塊完成系統(tǒng)建模，適合：

快速功率支撐

與電池形成混合儲能系統(tǒng)

三、抽水蓄能：最成熟的大規(guī)模物理儲能

1. 技術(shù)特點(diǎn)

抽水蓄能依然是全球裝機(jī)容量最大的儲能形式，其特點(diǎn)包括：

單體規(guī)模巨大

系統(tǒng)壽命長

典型的機(jī)—電—水耦合系統(tǒng)

2. 在 Simulink 中如何建模?

抽水蓄能建模通常包含：

水力系統(tǒng)

- 水庫、水道、閥門、揚(yáng)程

水泵-水輪機(jī)

發(fā)電機(jī)與電力電子接口

控制系統(tǒng)

- PID 控制

- 啟停與工況切換(Stateflow)

Simscape Fluids 提供了完整的管道、水力元件模型，例如：

Pipe (TL) 模塊，可用于描述引水管道的動態(tài)特性，可考慮AB兩端揚(yáng)程變化

四、氫能儲能：電—?dú)洹姷拈L時儲能方案

1. 技術(shù)特點(diǎn)

氫能儲能通常以 Power-to-Hydrogen 形式出現(xiàn)：

可再生電力 → 電解水制氫

氫氣存儲

再發(fā)電或工業(yè)利用

優(yōu)勢在于：

適合長時、大規(guī)模儲能，但系統(tǒng)復(fù)雜度高。

2. 在 Simulink 中如何建模?

MATLAB & Simulink 支持完整的氫能鏈路建模：

電解槽(PEM / 堿性)

- 電化學(xué) + 熱耦合模型

氫氣存儲與運(yùn)輸

系統(tǒng)級優(yōu)化

- 能效

- 成本

3. 官方示例(推薦)

電解水制氫系統(tǒng)

電解水制氫微網(wǎng)系統(tǒng)，將電能(風(fēng)能和太陽能)以及水轉(zhuǎn)化為氫氣。電解器由一個可按需持續(xù)補(bǔ)充水的水箱組成(溶液的導(dǎo)電性變化可以予以考慮)。水的溫度通過分流電流經(jīng)過一個熱電阻進(jìn)行調(diào)節(jié)。生成的氫氣被輸送到一個模擬為氣體室的儲存罐中，該儲存罐具有恒定的儲存溫度。

從頂層來看這個模型實(shí)現(xiàn)的是利用風(fēng)能產(chǎn)生的交流電進(jìn)行綠氫生產(chǎn)，發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能通過 AC-DC、DC-DC 轉(zhuǎn)換送至電解槽，其中發(fā)電機(jī)側(cè)為高保真度，電解槽一側(cè)采用的是中等保真度。需要注意的是，在開發(fā)中，不同保真度的模型可以共存，而保真度通常是根據(jù)需求逐步提高的。

PEM 電解槽系統(tǒng)

下圖示例利用自定義 Simscape 模塊對 PEM 水電解槽建模。PEM 電解槽將電能轉(zhuǎn)化為氫氣和氧氣，模型中膜電極組件(MEA)連接至熱液體網(wǎng)絡(luò)和兩個濕空氣網(wǎng)絡(luò)，分別模擬供水、氧氣和氫氣流動。循環(huán)泵持續(xù)為陽極側(cè)供水，多余的水循環(huán)利用，氧氣由陽極濕空氣網(wǎng)絡(luò)帶走并通過分離槽分離;供給泵補(bǔ)充新水。陰極側(cè)產(chǎn)生的氫氣與水由陰極濕空氣網(wǎng)絡(luò)建模，除濕器去除多余水蒸氣，壓力閥維持陰極 3 MPa 壓力。系統(tǒng)無需獨(dú)立冷卻，電解槽熱量由水帶走，通過熱交換器排出，溫度保持在 80°C。

液氫儲存與運(yùn)輸系統(tǒng)

此示例展示了如何使用 Simscape Fluids 塊來對低溫儲罐進(jìn)行建模。針對液態(tài)儲氫，工程方面面臨的挑戰(zhàn)包括減少液體蒸發(fā)、管理儲罐內(nèi)部壓力以及設(shè)計堅固的儲罐。此示例模擬了罐體的充裝、罐體運(yùn)輸和靜止儲存過程?？紤]了帶有進(jìn)氣口、液體出口和氣體排放口的低溫罐。一臺泵從儲罐中向罐內(nèi)輸送氫氣。在充裝過程中，液體出口和排放口是關(guān)閉的。隨著壓力的升高，排放口會打開以釋放氣體并保持罐內(nèi)規(guī)定的壓力。氫兩相流特性(2P)模塊通過使用兩相流表函數(shù)來參數(shù)化氫氣的屬性。

氫氣加注站建模

該示例展示了一個氫燃料加注站模型。氫氣首先儲存在 200 bar的低壓罐中，經(jīng)三級冷卻壓縮進(jìn)入分為高壓(950 bar)、中壓(650 bar)和低壓(450 bar)的緩沖罐。根據(jù)車輛儲罐壓力，系統(tǒng)自動選擇合適的緩沖罐，通過優(yōu)先閥切換供應(yīng)，避免浪費(fèi)壓縮能量。配送時，減壓閥調(diào)節(jié)氫氣流量，預(yù)冷器將氫氣降溫至 -40°C，以符合最高 700 bar的加注規(guī)范(SAE J2601-A70)。Stateflow 圖建?？刂七壿嫞▔嚎s機(jī)啟動、氫氣輸送和緩沖罐切換。閥門與預(yù)冷器子系統(tǒng)由 PI 控制器保持流量與溫度穩(wěn)定。

綠色氫氣生產(chǎn)系統(tǒng)優(yōu)化

此示例展示了如何確定電解器生產(chǎn)氫氣的綠色系統(tǒng)的關(guān)鍵組件尺寸。關(guān)鍵組件如下：

太陽能電池板

風(fēng)力發(fā)電機(jī)

電池系統(tǒng)

雙向連接電網(wǎng)

生產(chǎn)氫氣 (H2) 的電解器

電氣負(fù)載

下圖說明了各個組件的電氣連接方式：

使用技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析來確定最佳組件尺寸。技術(shù)考慮包括綠色氫氣生產(chǎn)系統(tǒng)的物理和操作約束。使用凈現(xiàn)值 (NPV)評估投資該系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)可行性。假設(shè)折現(xiàn)率為 5%。

五、CO? 儲能：新興的熱—機(jī)械儲能路線

1. 技術(shù)特點(diǎn)

CO? 儲能利用二氧化碳在不同壓力和溫度下的相態(tài)變化，實(shí)現(xiàn)：

電能 熱能 機(jī)械能 轉(zhuǎn)換

適合大規(guī)模、長時儲能

2. 在 Simulink 中如何建模?

該類儲能通?；冢?/p>

跨臨界 / 超臨界 CO? 熱力學(xué)循環(huán)

壓縮機(jī)、換熱器、膨脹機(jī)等組件

Simscape 可用于：

熱力系統(tǒng)建模

狀態(tài)參數(shù)動態(tài)演化分析

3. 官方示例

超臨界 CO?(R744)循環(huán)示例

此示例循環(huán)的高壓部分在超臨界流體區(qū)域中運(yùn)行。介質(zhì)是二氧化碳 (CO2)，在此應(yīng)用中也稱為 R744。壓縮機(jī)驅(qū)動 CO2 在整個循環(huán)中流動，并將壓力升高到臨界壓力以上。氣體冷卻器將高壓 CO2 產(chǎn)生的熱量排出到環(huán)境中。由于 CO2 處于超臨界狀態(tài)，因此它不會凝結(jié)，溫度也會下降。膨脹閥會降低壓力，使一些 CO2 氣化。兩相混合物通過蒸發(fā)器，從腔室吸收熱量，直至過熱。內(nèi)部熱交換器在循環(huán)的熱側(cè)和冷側(cè)之間傳遞一些熱量，以提高循環(huán)的效率。

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六、壓縮空氣儲能：大規(guī)模與高安全性并重

1. 技術(shù)特點(diǎn)

能量密度適中

安全性高、壽命長

適用于大規(guī)模儲能，響應(yīng)速度慢于超級電容和鋰電池

常用于電網(wǎng)調(diào)峰、可再生能源消納。

2. 在 Simulink 中如何建模?

該類儲能通?；冢?/p>

克勞德循環(huán)、朗肯循環(huán)

多級壓縮機(jī)等組件

3. 官方示例

壓縮空氣儲能系統(tǒng)建模分析

該示例展示了基于低溫液態(tài)空氣的電網(wǎng)規(guī)模儲能系統(tǒng)。當(dāng)有過剩電力時，該系統(tǒng)會根據(jù)克勞德循環(huán)的變體將周圍空氣液化。冷卻后的液態(tài)空氣被儲存在低壓絕熱罐中，以備不時之需。當(dāng)電力需求較高時，系統(tǒng)會將儲存的液態(tài)空氣膨脹以產(chǎn)生電力，其依據(jù)是朗肯循環(huán)。通過Simulink和Simscape構(gòu)建了壓縮空氣儲能系統(tǒng)模型，涵蓋空氣壓縮、儲存和釋放三個主要過程。用戶可以分析系統(tǒng)在不同負(fù)載和工況下的動態(tài)響應(yīng)，包括壓力、溫度和能量變化。

七、液流電池儲能：靈活擴(kuò)展的電化學(xué)儲能

1. 技術(shù)特點(diǎn)

能量和功率獨(dú)立設(shè)計，易于擴(kuò)展

循環(huán)壽命長，適合大規(guī)模儲能

適用于電網(wǎng)調(diào)節(jié)、可再生能源接入

2. 官方示例

液流電池儲能系統(tǒng)仿真

此示例說明了如何對釩氧化還原流動電池 (VRFB) 進(jìn)行建模、計算荷電狀態(tài) (SOC) 以及評估電解質(zhì)流量對電池性能的影響。在此示例中，通過求解常微分方程 (ODE) 并使用 Simscape 自定義組件來對 VRFB 進(jìn)行建模。為了確定電池性能，需要計算電解槽和電池堆中的四種釩元素的物質(zhì)平衡方程式。等效電路模型描述了電池的電響應(yīng)。

八、超級電容：介于電池與飛輪之間

1. 技術(shù)特點(diǎn)

功率密度高

循環(huán)壽命長

能量密度低

常作為混合儲能系統(tǒng)的一部分。

2. 官方示例

超級電容充放電行為分

此示例展示了Simulink模型庫里Supercapacitor 模塊在充電和隨后放電的過程中的電壓輸出。向超級電容器輸入 100 mA 的電流，持續(xù) 100 秒，給超級電容器充電。然后將超級電容器靜置一分鐘。在接下來一小時內(nèi)，每隔 50 秒接通一秒鐘 50 mA 的負(fù)載，為超級電容器放電。然后將超級電容器保持靜置，直至仿真結(jié)束。示波器顯示超級電容器的充電/放電電流和電壓。

九、總結(jié)：Simulink 的優(yōu)勢不在“某一種儲能”

通過上文內(nèi)容可以看到，Simulink 的核心優(yōu)勢不是綁定某一類儲能技術(shù)，而是支持“多物理域、多時間尺度、多控制層級”的統(tǒng)一建模。

無論你關(guān)注的是：

電化學(xué)儲能

機(jī)械儲能

氫能或新型物理儲能

都可以在同一平臺中完成：

物理建模

控制驗(yàn)證

系統(tǒng)級性能分析和優(yōu)化

這正是 Simulink 仿真在儲能研發(fā)中不可替代的價值所在。

關(guān)于作者

栗秀花，MathWorks 中國

MathWorks 中國高級應(yīng)用工程師，專注于基于模型的設(shè)計在產(chǎn)品開發(fā)中的應(yīng)用，主要負(fù)責(zé)物理建模，系統(tǒng)仿真。加入MathWorks之前曾從事液壓系統(tǒng)設(shè)計、多學(xué)科物理系統(tǒng)建模仿真、氫燃料電池發(fā)動機(jī)電控系統(tǒng)和軟件研發(fā)工作。