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破解多类型储能协同难题的标准化工具
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随着风电、光伏在电力系统中占比持续攀升,新能源的强波动性与电网稳定性需求之间的矛盾日益凸显。传统单一储能技术受限于响应速度、容量规模与寿命周期的天然短板,难以支撑高弹性电力系统建设。远宽能源开发的新型储能元件库,突破性整合锂电池、全钒液流电池、超级电容、飞轮储能、氢储能等技术路线,构建起覆盖“动态响应-容量配置-控制策略-经济性验证”的全链条研究平台,为破解多类型储能协同难题提供标准化工具。

三大维度赋能科研创新

技术验证维度:支持毫秒级动态响应测试(超级电容)、跨季节储能模拟(氢储能)、长周期循环验证(液流电池)等多场景耦合分析,可量化评估不同技术组合的综合效能;

系统优化维度:提供模块化架构与标准化接口,支持快速搭建风光储协同系统,灵活验证自定义控制策略;

工程应用维度:兼容硬件在环(HIL)测试环境,可直接对接PCS、BMS、EMS等实际控制器,加速实验室成果向工程应用的转化

 

全场景新型储能模型库

01 锂电池模型

作为能量-功率特性平衡的核心单元,锂电池模型用于模拟中短时储能场景(分钟至小时级),提供高能量密度下的快速充放电能力。其建模重点在于通过精确模拟电池的充放电特性、热效应以及老化规律,为复合储能系统的能量管理提供关键数据支持和仿真依据。锂电池模型提供行为建模和查表插值两种建模方式,支持二~五阶RC网络,其等效电路如下图所示。

在Matlab/Simulink上封装电池模型如下图所示,输入端包括均衡电流、散热控制;输出端可输出电池电压和温度;模型参数设置页面可设置电池基本参数、极化参数、老化参数以及热效应参数。

 

该电池模型的充放电外特性测试曲线如下图所示,由于极化效应的存在,电池电压呈缓慢变化趋势;电池温度持续升高,达到40℃后,散热控制启动,温度逐渐降低。

 

 

02 全钒液流电池模型

全钒液流电池模型能准确模拟液流电池储能的长时充放电过程。该模型可以真实反映电解液流动特性和电化学反应动力学,为系统提供4-8小时的长时储能能力评估。液流电池模型采用等效电路建模,如下图所示。Ipump表示泵损电流,通常看作可控电流源,由电流Istack决定,Istack表示流经电池堆的电流,Rreaction与 Rresistive表示电池的电化学损耗。

 

 

在Matlab/Simulink上封装全钒液流电池模型如下图所示,输入端包括电流、SOC初始值;输出端可输出电池电压和SOC;模型参数设置页面可设置等效电路基本参数。

 

 

该电池模型的充电外特性测试曲线如下图所示,端电压随SOC升高而上升,后期因浓差极化加剧出现电压陡升。

 

 

03 超级电容模型

超级电容凭借毫秒级响应速度(<100ms)和超高功率密度(10-100kW/kg),专门应对风光发电和负载的瞬时功率波动,弥补锂电池响应滞后的缺陷。其模型需精确表征双电层动态特性和等效内阻变化,为系统提供高频次充放电的仿真基础。远宽提供超级电容器阵列模块,其基于经典等效电路模型搭建,如下图所示。

在Matlab/Simulink上封装超级电容模型如下图所示,具备正负极端子以及观测端m,模型参数设置页面可设置超级电容的基本参数,包括电容、自放电电阻、额定电压、串并联个数等参数。

 

 

该超级电容模型的充放电外特性测试曲线如下图所示,可知SOC随着电压变化而变化。

 

 

04 飞轮储能模型

飞轮储能凭借其独特的机械储能特性,在秒至分钟级时间尺度上为系统提供快速频率调节能力。其高达数十万次的循环寿命远超电化学储能,特别适合应对电网高频次的功率波动需求。模型通过相较于电池储能,飞轮在深度充放电工况下几乎无性能衰减,为复合储能系统提供了可靠的功率型支撑。远宽提供飞轮储能状态估算模块,可精确计算转子的动能-电能转换过程,可评估其对系统惯量支撑的关键作用。

在Matlab/Simulink上封装飞轮储能状态估算模型如下图所示,根据飞轮的转动速度可计算得到各个观测量,模型参数设置页面可设置飞轮的机械参数。

 

 

该飞轮储能模型的测试输出曲线如下图所示,可知SOC随着角速度变化而变化,二者呈正相关。

 

 

05 压缩空气储能模型

作为大规模、长时储能的理想解决方案,压缩空气储能可提供小时至天级的能量存储能力,有效弥补电化学储能在长时间尺度调节上的不足。其模型通过耦合热力学方程与电力转换效率分析,能够准确模拟压缩-膨胀过程中的能量转换特性。该模型具备活塞式压缩机、换热器、储气罐、活塞式膨胀机模块。

活塞式压缩机

空气压缩机能够把常温常压的空气压缩成高压高温的空气。

在Matlab/Simulink上封装活塞式空气压缩机模型如下图所示,输入包括入口空气压力、温度和空气流量,输出包括出口空气压力、温度和消耗电功率。参数设置包括压缩机的机械参数和气体参数。

 

 

该压缩机模型的输出值如下图所示,可知常温常压的空气经过压缩机压缩后形成了高压高温的空气,功率为负值表明压缩机在消耗电功率。

 

 

换热器

换热器是实现压缩空气储能系统热回收和热利用的主要部件。压缩阶段时,换热器吸收压缩过程产生的压缩热,提高压缩机的压缩比和压缩效率;膨胀阶段时,换热器给压缩空气加热,提高压缩空气在膨胀机中的膨胀效率。

在Matlab/Simulink上封装换热器模型如下图所示,输入包括入口空气压力、温度,输出包括出口空气压力、温度。

 

 

该换热器模型的输出值如下图所示,可知高温空气经过换热器后温度显著降低,压力也有所损失。

 

 
 

储气罐

储气罐为压缩空气储能系统提供高压空气存储空间,是实现能量跨时段转移的关键缓冲装置。其容量和压力特性直接影响系统的储能时长和能量转换效率。

在Matlab/Simulink上封装储气罐模型如下图所示,输入包括入口空气温度、流量、泄露(出口)空气流量、罐内初始气压,输出包含罐内空气压力、温度。

 

 

该储气罐模型的储气过程动态输出曲线如下图所示,可知在储气阶段,罐内气压缓慢升高,温度慢慢降至环境温度。

 

 

活塞式膨胀机

膨胀机工作原理和压缩机相似,空气在膨胀机中膨胀,压力和温度降低,释放功率。其动力学数学模型可以表示为压缩机的逆向过程。

在Matlab/Simulink上封装膨胀机罐模型如下图所示,输入包括入口空气压力、温度和流量,输出包含出口空气压力、温度以及释放的电功率

 

 

该膨胀机模型的输出值如下图所示,可知在气体膨胀阶段,出口压力减小,温度降低,释放电功率。

 

 

06 PEMFC(质子交换膜燃料电池)模型

PEMFC 模型的建立能够有效模拟氢能到电能的高效转换过程,该模型集成电化学反应、气体传输,可动态调节电流、氢气流量和温度等输入参数,实时监测电压、功率、气体压强和膜含水量等关键性能指标。通过参数化界面可灵活配置电池组结构和工作条件,准确反映变载工况下的动态响应。

PEMFC燃料电池建模包括分为四部分:电压模型、阴极流道、阳极流道、质子交换膜湿度建模。

在Matlab/Simulink上封装PEMFC燃料电池模型如下图所示,输入端口为电流、氢气供应速率、温度、使能信号;输出端口为耗氢速率、输出电压、功率阴阳极气体压强及膜传水量等参数。参数设置页面可设定电池的串并联数目,阴阳极的入口湿度、阴阳极的入口出口压强。

 

 

该模型的测试输出曲线如下图所示,可知输出功率为20kW的工况下,随着燃料电池工作进行,其输出电压功率及氢气、氧气、氮气、水的压强趋于稳定。

 

 

07 PEM电解槽模型

PEM电解槽模型的建立能够准确模拟电能到氢能的高效转换过程。该模型可以反映出电解水反应的电化学动力学行为,为制氢系统优化提供关键参数。PEM电解槽建模同样包括四部分:电压模型、阴极流道、阳极流道、质子交换膜湿度建模。

在Matlab/Simulink上封装PEM电解槽模型如下图所示,输入端口为电流、膜中水传递量、温度、模块使能信号;输出为电压、产氢速率、阴阳极氢气压强、膜传输水量、消耗功率等参数;该模块可设置参数有串并联数目、阴阳极出口压力、质子交换膜厚度、活化面积、采样时间等参数。

 

 

该PEM电解槽消耗功率为20kW的工况下,随着电解槽工作进行,其输出电压功率及氢气、氧气、水的压强及膜传水量趋于稳定。

 

 

应用场景
储能系统仿真测试
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储能参与电力市场服务的策略验证

新型储能技术的系统级兼容性测试

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电力系统仿真测试
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高波动性电网的惯量支撑与频率调节

离网微网的多时间尺度能量管理

电力系统仿真测试
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