当前位置:首页 > 原创 > 刘岩轩
[导读]碳中和、碳达峰将会是未来10~20年各行各业的主旋律之一,主要涉及到能源结构的改革和整体效率的提升。如何在各个环节和节点上,帮助客户提高能源利用效率、加速实现碳中和是MathWorks关注的重点,当前也已经有各种不同类型客户使用MathWorks提供的方案实现了升级转型。MathWorks将如何助力碳中和实现?针对这一话题,MathWorks中国区行业市场经理李靖远进行了分享。

碳中和、碳达峰将会是未来10~20年各行各业的主旋律之一,主要涉及到能源结构的改革和整体效率的提升。如何在各个环节和节点上,帮助客户提高能源利用效率、加速实现碳中和是MathWorks关注的重点,当前也已经有各种不同类型客户使用MathWorks提供的方案实现了升级转型。MathWorks将如何助力碳中和实现?针对这一话题,MathWorks中国区行业市场经理李靖远进行了分享。


从能源产生、传输和利用三个阶段实现碳中和

要减少碳排放,需要从整个能量的产生、传输和利用三个阶段上都进行改革和优化。

在能源产生的阶段,需要提高社会整体的可再生能源的在整个能源结构中的占比。据悉我国目前的非化石能源占比仅为35%左右,要实现碳中和的目标,这个占比在2050年需要提升至90%。因为可再生能源的特性,这种能源的产生和使用过程中还必须要分布式储能系统参与来实现“削峰填谷”。

在风电和光伏这些可再生能源生产方面,大部分客户都会使用到MathWorks的解决方案。

因为风电的能量产生具有季节的波动性,所以提前预判好能量的变化,才能将风电能量并网后对于主电网的波动影响降到最低。加拿大最大的水电公司魁北克水电就是使用MATLAB和Simulink去建立整个风电厂的模型,对整个风电场的电气、机械和控制系统进行设计仿真,来进行动态的仿真和功率测试,来保证并网的可靠性。

在光伏领域一个典型的案例来自美国Sandia国家实验室,他们采用MATLAB和Simulink模拟整个Hawaii的微电网。分布式能源和微电网是目前电网发展的重要的方向,分布式能源怎样合理的利用能源配比达到最优的经济性,怎样去设计微电网容量是非常关键的问题。Sandia国家实验室通过Simulink对Hawaii微电网进行建模和仿真,测试在很多种极限工况下整个系统的反应,找到最经济合理和最安全运行的电池容量平衡点。

在储能的实际应用上,有多种不同的技术方向,这里介绍三种。较为常见的是电化学的储能方式,加拿大EVLO公司采用磷酸铁锂电池来做储能系统。在其魁北克因纽特社区的一个储能系统中,包括1700块太阳能电池能量,为超过40座建筑、电动汽车去充电。EVLO公司使用MATLAB和Simulink去对磷酸铁锂电池进行建模和开发,实现电池控制系统安全监控,对其电流输出进行一些必要安全控制。

另一种储能的技术方向是熔盐储能,通过热力变换来实现能量转换。清洁能源发电后给熔盐加热,把能量存储起来;用电时再通过冷却罐把热量释放出来,达到一个能量存储和循环的目的。专注于该领域的Malta公司也是使用MATLAB和Simulink来对系统进行仿真和测试。

还有一种储能的技术方向是飞轮储能。美国Teraloop公司利用MATLAB和Simulink对空心飞轮储能系统进行建模,仿真并网过程,确保飞轮储能系统在并网过程中的安全可靠性。

在能源传输的阶段,MATLAB和Simulink同样也可以发挥巨大的作用。电网的监控是一个非常复杂的系统,效率、稳定性、波动性、机电暂态、电磁暂态以及在线潮流计算等都需要实时监控。电力系统会通过SCADA系统去监控这些实时信息,MATLAB可以去实时读取存储在数据库里的电网PMU数据,对它进行分析,来检测电力系统的异常和干扰。芬兰电网就是采用MATLAB里的这些算法来进行测试仿真,最后部署在SCADA系统里对整个芬兰电网进行监控。

另一个能量传输阶段的案例来自于能源系统中的能源分配。上海电气在其分布式能源系统构建平台上,需要在供电侧合理分配风电、火电和水电的配比,并与用电侧的需求相匹配,达到最高效节能的状态。采用MATLAB可以实现大量数据采集分析,通过曲线拟和工具箱、机器学习、深度学习等对整个系统进行优化,输出的软件产品通过MathWorks的Production Server部署到整个上海电气的分布式能源系统中。

在特高压直流高压输电方向上的一个典型案例来自Alstom,在其开发HVDC系统的过程中需要采用模型设计来为建立保护算法建模、仿真、验证和最后一键代码生成。若采用传统的方法,一个保护算法都需要话费6个月的时间来进行C语言的开发和测试,而使用MATLAB仅仅用一周就完成了整个保护系统的设计。

此外新西兰Transpower公司也利用储量管理工具来保证其国家电网的可靠性。利用Simulink界面去建立控制算法,将现场采集的数据导入到模型中进行优化。运行超过1000种极端工况测试,来调整出其最可靠的一套参数配置。并且在电网的实时运行的过程中,每15分钟就会全息运行一次整个测试仿真过程,来对电网进行实时监控,确保其电网时刻保持安全可靠。

在能源的利用侧,需要尽量减少在使用过程中的浪费和碳排放。据悉大型商业建筑能耗要占到全球建筑能耗的30%,但其中的暖通系统的效率往往很低。澳大利亚BuildingIQ公司利用MATLAB里的预测性算法和机器学习、深度学习算法对建筑节能进行了优化分析,制定出最优化的算法并在云端环境进行部署,提高了暖通系统的效率。另一个广泛的例子是在电动汽车领域,需要MATLAB和Simulink进行数据分析,基于模型的设计开发整个电力控制系统。特斯拉早在2005年开始就使用MathWorks的工具构建电动汽车的模型,进行性能评估。


碳中和驱动下,电力系统未来发展方向

在上文提及的诸多案例中可以看到,MathWorks的模拟和仿真软件在整个能量过程中都发挥着重要的作用。在电力行业的应用上,李靖远总结为两大板块:大数据和AI、数字孪生设计。其中每一板块又分为四大维度。

大数据和AI板块的第一个维度是数据分析和机器学习,比如利用PMU数据来分析电网的稳定性;第二是图形处理和深度学习,比如对实时电力系统通过图形处理方式进行实时巡检;第三是能源交易和风险管理,使用MATLAB进行能源交易的最优化曲线定价方面的探索;第四是预测性维护,解决了传统周期性维护的缺点,减少宕机风险。

数字孪生设计的第一个维度是可再生能源和分布式能源并网问题,减少对于电网的波动冲击;第二是能源管理系统的设计,实现最优化的方案;第三是基于模型的数字孪生应用,从一个小设备到一个大的系统都可以进行模型仿真;第四是实现桌面仿真之外的部署,通过工具箱自动生成优化代码,部署到GPU、嵌入式系统和云端等。

结合碳中和带来的能源结构的变化,MathWorks总结了未来电力系统发展的三大重点领域:并网、利用AI进行电网分析、监测与控制。并且针对这三大重点领域推出了相应的解决方案。

由于可再生能源的特点,在其并网需要考虑几个问题,一是并网过程中减少对于电网的冲击;二是优化分配整个电网的不同能源配比;三是实时地对其进行监控和检测。使用MATLAB和Simulink可以设计和仿真各种不同的清洁能源系统;通过PMU数据来对电厂或整个系统进行验证;通过仿真的方式来判断对于电网是否会有冲击和影响,例如检查是否符合IEEE 1547标准。

在AI技术的应用方面 ,针对电网的分析、设备的性能管理和能源价格预测等方面都可以发挥价值。例如建立物理设备的数字孪生模型来进行预测性维护,利用AI预测电网节点的符合、发电量和电价,在云端进行实时分析等。

实时监控方面,李靖远表示所有的产品在到实际系统之前都要进行实时仿真的测试,测试系统再试试情况下相应的鲁棒性和稳定性,避免直接使用到系统上产生问题。同时MathWorks也提供大量的方式让用户来进行云端等位置的部署。

总结起来,MATLAB和Simulink提供了诸多关键功能来赋能未来电力行业发展,其中参数估计、自动代码生成、优化、机器学习和深度学习等功能都在前文的案例介绍中有过设计,在此不再赘述。

虽然MATLAB和Simulink是通用的软件工具,但在电力系统开发方面,MathWorks是提供了一条完整的工具链,覆盖从文本分析、多域物理系统建模、大数据和物联网,云端部署、实时仿真、人工智能应用、图像和信号处理七大方面内容。李靖远表示,“这个工具链涵盖了我们从数据集成到利用人工智能AI去进行建模、到系统设计、到部署,一个完整的工具链呈现给我们的用户,这也是为什么我们在全球电力行业得到了客户大量使用的一个原因。”


总结

由双碳驱动下变革升级的电力行业,是未来十年二十年最值得投入、最有发展前景的行业。从能源生产、传输到最后的能源使用,MathWorks在全球已经有几千个不同的客户案例。凭借着长期以来积累的客户和行业经验,加上人工智能和数字孪生的服务,MathWorks将会加速整个行业的数字化产品升级转型,加速碳中和目标的实现。

声明:本文仅代表作者本人观点,不代表本站观点,如有问题请联系站方处理。
换一批
延伸阅读

在与诺华的合作中,施耐德电气碳中和服务涵盖“从咨询到落地”全面解决方案,帮助诺华上海及苏州的研发园区全面审视运维状态、挖掘减碳空间、全面提升能效以及可持续发展的能力。

关键字: 施耐德电气 碳中和

前不久,国务院印发的《2030 年前碳达峰行动方案》指出,到2025年新型储能装机容量达到3000万千瓦以上。而国家发改委和国家能源局稍早前发布的《关于加快推动新型储能发展的指导意见》也明确了储能发展目标:新型储能装机规...

关键字: 新能源 储能 ADI 无线BMS技术

随着全球各国大力推动可再生能源产业发展,近年来,该行业一直被视为就业增长的主要领域。但新一代“绿色能源”人才的节奏根本赶不上行业发展的脚步,具有合适能力的关键人才越来越抢手,而且越来越难找到。全球正在掀起一波“绿色人才”...

关键字: 绿色能源 可再生能源 清洁能源

智慧城市是实现绿色城市的重要途径,浪潮作为新型基础设施建设骨干企业、智慧城市产品和解决方案服务商,正以城市大脑为核心,通过智慧物联感知平台和产品,构建城市物联感知体系,推动智慧灯杆落地等低碳项目,积极助力城市绿色低碳发展...

关键字: 浪潮 智慧城市 碳中和

有机构预测,2021年全球将钻探约5.4万口油井,比2020年增加12%。而预计2022年,钻井数量将进一步增加,比2021年增长19%,这对于2020年遭受巨大打击的全球钻井市场来说,无疑迎来了走出低谷、实现全面复苏的...

关键字: 英威腾 油改电 钻井市场 碳中和

罗克韦尔自动化与TUV莱茵签署战略合作协议,共同打造先进的能源管理咨询服务和解决方案,助力“双碳”战略

关键字: 能源管理 罗克韦尔自动化 碳中和

一场360度智能智造盛宴,罗克韦尔自动化携多款创新解决方案重磅亮相

关键字: 智能智造 罗克韦尔自动化 碳中和

点击蓝字★Murata村田中国★关注我们村田制作所的生产子公司-金津村田制作所-从11月1日起所用电力将100%采用可再生能源,为此导入了日本北陆地区超大规模的蓄电池系统,减轻社会基础设施负担。村田制作所为实现RE100...

关键字: 蓄电池 可再生能源 电池系统

在光伏(PV)设施数量持续增长的同时,太阳能电网供需双方之间的不平衡已成为主要制约因素。白天可以获得充足的太阳能,但需求量不高。这意味着用户将在使用高峰时段的早晚每瓦支付更高的价格。

关键字: 光伏 电源 储能

编辑精选

技术子站

关闭