碳中和背景下，MATLAB和Simulink如何赋能绿色能源革命

作为全球领先的数学计算软件开发商，MathWorks开发出两大对全球有深远影响的产品平台。一个是被称为“工程师和科学家的语言”的编程环境MATLAB，一个是用于系统设计、仿真和测试的图形化环境Simulink。MATLAB和Simulink作为基础研发工具，已广泛用于汽车、航空航天、通信、电子及工业自动化等行业。如今，包括风电、光伏、储能、新能源汽车在内的绿色能源应用技术领域也早已广泛地利用MATLAB和Simulink进行电网的稳定性分析，大数据处理，测试，仿真以及自动化的代码生成等。MathWorks同时开发出对应的电池模型、电机模型等附加产品，助力与能源直接/间接相关的行业加速实现全球碳中和目标。

MathWorks中国区行业市场经理李靖远先生近日为中国媒体带来一场精彩的线上发布会，分享MathWorks在全新的碳中和时代背景下，如何从能源生产、能源传输和能源利用三大环节帮助全球绿色能源客户实现产品设计的数字化技术创新。

加速能源变革

世界能源发展的整体趋势是从高碳能源向低碳、无碳能源演变。第三次能源革命中能源生产从化石能源转向风电、光伏、水电、核电等可再生能源，能源载体是电、氢、储能等，应用领域是新能源汽车、户用光伏等。

在谈及碳中和的实现方式时，李靖远表示，实际上实现整个碳中和主要包含三大环节，第一部分是能源生产，为实现碳中和，2050年将非化石能源（风电、光伏、水电、核电）占比从35%提高至90%，我们需要大力发展储能技术，减少弃风/光率，在光伏、风电、储能方面多投入。第二部分是能源传输，优化电网结构设计保证电力系统安全稳定高效运行，采用FACT, 特高压HVDC等提高电网传输效率降低损耗。第三部分是能源利用，加速电气化进程，减少非必要的能源消耗量，实现工业节能、建筑节能、交通节能等开发并使用碳封存技术以降低碳排放量。

MathWorks的主要客户中有能源行业、工业机械行业等与能源直接相关的行业，也有轨道交通、汽车、半导体的生产制造和金属，材料与矿业，甚至医疗设备等跟能源行业息息相关的行业。李靖远随后分享MathWorks绿色能源行业的客户使用MATLAB和Simulink的案例情况，无论是在魁北克风电厂中的应用，EVLO开发磷酸铁锂电池，Malta利用盐和冷却液开发能源存储，芬兰电网在MATLAB中使用PMU数据分析电网稳定性，Transpower利用储量管理工具确保新西兰国家电网的可靠性，使用基于模型的设计来建造特斯拉跑车的实践，还是电力行业的大数据和AI、数字孪生设计，MathWorks都在其中发挥了重要作用。

助力绿色能源客户低碳转型

绿色能源企业如何使用MathWorks的产品，从能源生产、能源传输和能源利用各个环节去开发自己的数字化产品？

首先是能源生产环节，一类是风电和光伏，一类是储能。比如魁北克水电公司建立风电厂模型。魁北克水电公司致力于开发、使用水力发电和风能发电。但是在新风电场上线使用之前必须要考虑三个关键因素，即与电网的并网，预测发电量，并确保整个电力系统的安全、可靠运行。这就必须确定当新的风电场连接到电网时，需要多少设备，如静态无功补偿器(SVCs)等，同时对电机瞬态和电磁瞬态稳定性(EMTs)进行分析，来确保电网和风电场之间动态相互作用的稳定性。魁北克水电需要对单个风机的控制系统和输出功率进行建模，然后对整个风电场的70-100台风机进行仿真，以验证风电场的聚合性能，最后仿真风电场与电网的交互作用。

为了解决这些问题，工程师们使用SimPowerSystems的发电机、整流器、电容器、谐波滤波器和其他电力电子模块在Simulink中建立风力发电机模型，还建立了发电机控制系统的Simulink模型。为了研究稳定性，在Simulink中使用双质量块系统模型对风机进行了力学仿真，该模型考虑了叶片的变桨和扭转效应等细节。魁北克水电公司的工程师们组装了一个由73个单独的风机模型和连接它们的电网组成的整个风电场的Simulink模型对风电场性能进行仿真。使用Simulink Coder，该团队从他们的Simulink和SimPowerSystems模型中生成C代码，在含32个处理器的超级计算机上运行Hypersim仿真环境。最终快速、便捷、高效地完成了系统仿真、测试，确保了风电场性能及并网的安全性。

然后是能源传输环节。比如芬兰国家电网在MATLAB中使用PMU数据分析电网稳定性。因为整个电力实时监控系统中，数据来源于监控和数据采集系统(SCADA)和相量测量单元(PMU)。但是对于复杂的系统，工程师们并不总是清楚哪个分析算法对特定的问题最有效，所以就需要通过系统仿真的方式去验证各种算法。为了解决这个问题，芬兰国家电网将MATLAB与OSI PI数据库集成，使利用PI系统的数据源与MATLAB执行的数学分析相结合成为可能，从而利用MATLAB的强大功能访问SCADA系统和PMU数据来完成电力系统的数据挖掘、可视化、实时检测系统干扰和异常、以及生成报告等一系列任务。进一步提高了控制中心操作人员的实时监控能力和技术专家的电力系统分析能力。

最后是能源利用环节。我们可以通过工业节能、交通节能和建筑节能进行能源合理利用。比如澳大利亚BuildingIQ公司开发大型建筑暖通空调系统HVAC能源优化的前瞻性算法。BuildingIQ公司与澳大利亚国家科学研究机构，利用MATLAB和Simulink联合开发了一个预测性能源模型。它利用MATLAB里面的预测性算法以及机器学习、深度学习采集大量数据，对建筑节能的优化进行分析，最后制定出最优化的算法，并且在云端环境进行部署。

另外，整个电动汽车行业几乎都在大量使用MATLAB和Simulink进行数据分析，以及基于模型的设计开发整个电力控制系统。早在2005年，特斯拉就开始使用基于模型设计的MathWorks工具来建模和模拟车辆，分析性能并评估设计权衡。小到一个电机控制，大到整车的性能评估都是基于MathWorks模型的设计。建立模型的好处显而易见，就是使用标定系统模型，提高仿真精度；在没有使用物理原型的情况下测试数百种动力系统配置，测试在各种工况下的整车性能；模拟多领域效应，实现电池技术的巨大进步。

推动电力行业客户数字化转型

MathWorks在电力行业主要有两大应用，一类是大数据和人工智能，一类是数字孪生设计。其中，大数据和人工智能应用主要有四个维度。第一个维度是数据分析和机器学习，客户可以通过PMU（Phasor measurement unit）实时采集电网的动态数据在MATLAB中进行定量的电网稳定性分析；第二个维度是图像处理和深度学习，客户可以通过无人机遥感图像实现电力系统实时巡检；第三个维度是能源交易和风险管理，由于它跟天气、能源状况、温度，甚至历史价格、战争状态等都有关系，定义一个最优化的合理化曲线非常复杂，比如RWE，莱茵集团，欧洲能源集团可以通过运行MonteCarlo仿真进行能源交易估值和风险评估等；第四个维度是预测性维护也叫设备健康管理，通过MATLAB的预测性维护工具箱，识别故障、设计状态指示器，并估算关键设备（如变压器、电缆、断路器、发电机等）的剩余使用寿命，设备需要进行维护的时间节点，变周期性维护为预测性维护，可以极大地降低成本，提高效率。目前在电力行业已得到广泛应用。

根据IDC数据显示，2020年全球数字孪生市场规模达到52.2亿美元，到2024年其市场规模有望达到212.8亿美元。未来市场发展潜力巨大。MathWorks在数字孪生设计的应用上同样有四个维度。第一个是可再生与分布式能源并网，由于光伏、风电、水电等可再生能源产生的电力不稳定，在并网的过程中，怎么样去校验它是否会对整个电网产生波动，这是非常关键的一个因素。李靖远表示，客户可以使用Simscape Electric评估具有分布式能源(DER)系统的性能。建模并并行运行多工况条件下的并网响应，以评估系统是否满足并网规则；第二个是能源管理系统（EMS），使用MATLAB和Simulink可以构建数据驱动的基于物理实体的模型，建模并进行设备性能仿真，设计算法以实现设备的最佳控制；第三个是数字孪生基于模型的应用，小到一个设备，大到一个风电厂，都可以使用MATLAB和Simulink创建设备和系统的数字孪生模型，以执行预测性维护和系统优化；第四个是部署，所有的大数据、人工智能及数字孪生算法都可以通过自动代码生成，MathWorks提供的ProductionServer，WebApplicationServer等工具可以轻松地部署到GPU、嵌入式系统、云端等，为实际的生产、运营服务。

李靖远认为未来电力系统发展的重点领域会是并网、利用AI进行电网分析，以及监测与控制。从并网的角度来说，进行可再生能源和电池存储并网，需要设计和仿真电气、机械和控制系统，开发和优化经济调度算法，如果用于大型系统级仿真还需要与其他工具如PSSE和PSCAD集成；使用PMU数据对整个电厂或系统进行验证，需要构建物理系统的数字孪生模型，并且将现场响应与模拟响应进行匹配，运行多个场景并执行自动参数估计；IEEE1547合规性监测，需要检查是否符合现场测量数据，设计控制器/保护性措施是否符合并网准则。从利用AI技术进行电网分析的角度来说，包括设备的性能管理，能源与价格的预测等。从监测与控制的角度来说，包括在硬件或云上部署仿真模型和算法。我们需要开发电气系统模型并部署到硬件上，执行控制系统的硬件在环(HIL)测试，以验证其在实时系统下的响应的鲁棒性，系统的稳定性等，同时可以利用云端集成实现数字化转型。

综上所述，从多域系统建模到多种数据的支持，再到一些参数预估，优化，控制系统设计，深度学习和机器学习等，MathWorks都提供了成熟的算法工具箱来帮助绿色能源企业建立其产品。并且在企业构建好算法之后，MathWorks的产品还可以自动生成代码，无需手工干预，极大地提高了工作效率。

“未来电力系统开发大致分成文本分析，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，以及像图像/信号处理七大方面”，李靖远说：“从数据集成到利用人工智能AI去进行建模，到系统设计，再到部署一个完整的工具链，MathWorks可以完整地呈现给客户，这也是为什么我们在全球电力行业能被大量客户使用的一个原因。”

MathWorks始终专注于为全球客户提供最高效的工程平台，帮助客户建立标准化的开发流程来适应团队协作的需求，以及通过从全球客户获得的经验来帮助其他客户解决工程的实际问题。正因为今后全球碳减排意义深远，任务艰巨，所以MathWorks希望能够凭借MATLAB和Simulink软件帮助更多绿色能源客户开发可再生能源技术，最大限度地缓解气候变化，赋能绿色能源革命。