多种储能技术在MATLAB和Simulink中的建模与仿真

现代电网的设计与优化过程中，仿真模拟已经成为不可或缺的一环。特别是在储能系统领域，随着新能源的大规模接入和电网调节需求的提升，工程师们在研发过程中经常会遇到以下几个典型问题：

某种储能技术是否具备可行性?

多种储能方式中，哪一种更适合当前的应用场景?

各类控制策略在不同运行工况下能否保持稳定和可靠?

整体系统级的运行行为是否符合预期目标?系统可否进一步优化?

面对这些实际需求，MATLAB & Simulink 展现出了强大的优势。它不仅支持对各种储能技术进行灵活建模，更为“多种储能技术”提供了统一的仿真与分析平台。无论是电池储能、超级电容，还是飞轮、压缩空气等新型储能方式，研发人员都可以在同一个框架下，对比不同技术路线的性能，测试多样的控制策略，从而大幅提升研发的效率与科学性。

本文将以几类典型的储能技术为例，结合 MATLAB & Simulink 官方提供的应用案例，系统梳理这些技术在 Simulink / Simscape 环境中的建模与分析方法，帮助大家在工程实践中快速落地储能系统仿真，推动项目高质量发展。

一、锂离子电池储能系统(BESS)：最主流的电化学储能

1. 技术特点

锂离子电池是当前应用最广泛的储能技术，典型特点包括：

能量密度高

系统响应快

模块化程度高

但寿命与安全性强依赖运行与控制策略

因此，在工程研发中，建模重点往往不只是电池本体，而是“电池 + 控制 + 热管理”的系统级行为。

2. 在 Simulink 中如何建模?

在 Simulink / Simscape 中，锂电池包通常可采用分层建模方式：

电芯级模型

- 等效电路 / 参数化模型

- SOC、电压、内阻变化

电池包级模型

- 串并联结构

- 热耦合

系统级模型

- DC/DC、逆变器

- EMS 与控制逻辑

Simscape Battery 提供了从参数化到物理建模的完整支持。

3. 官方示例(推荐)

峰值削减与电池储能系统

完整的电池储能系统模型，变电站子系统将 BESS 和馈线连接到主电网。该子系统由连接断路器、隔离开关和变压器组成，用于将主电网与 BESS 及出线馈线连接。变电站还包含 BESS 控制器和 BMS，考虑了削峰填谷控制逻辑、SOC 演化等。其中电池包模型如下图所示，来自 Simulink 下 Simscape Battery模型库：

二、飞轮储能：高功率、快响应的“机械电池”

1. 技术特点

飞轮储能通过高速旋转的转子存储动能，典型优势是：

响应速度快

循环寿命极长

适合高功率、短时储能场景

但同时也带来机械、电气、热多物理场耦合问题。

2. 在 Simulink 中如何建模?

飞轮储能非常适合用 Simscape 的多物理域能力：

旋转机械系统

- 转子惯量

- 轴承(磁悬浮)

电机 / 发电机

- 部件级机电模型

附加物理域

- 散热(Simscape Thermal)

- 润滑(Simscape Fluids)

这类模型的优势是：

可以直接观察机电液控的耦合关系。

3. 应用说明

虽然官方示例多为模块级，但飞轮储能通常由工程师组合旋转机械 + 电机模块完成系统建模，适合：

快速功率支撑

与电池形成混合储能系统

三、抽水蓄能：最成熟的大规模物理储能

1. 技术特点

抽水蓄能依然是全球装机容量最大的储能形式，其特点包括：

单体规模巨大

系统寿命长

典型的机—电—水耦合系统

2. 在 Simulink 中如何建模?

抽水蓄能建模通常包含：

水力系统

- 水库、水道、阀门、扬程

水泵-水轮机

发电机与电力电子接口

控制系统

- PID 控制

- 启停与工况切换(Stateflow)

Simscape Fluids 提供了完整的管道、水力元件模型，例如：

Pipe (TL) 模块，可用于描述引水管道的动态特性，可考虑AB两端扬程变化

四、氢能储能：电—氢—电的长时储能方案

1. 技术特点

氢能储能通常以 Power-to-Hydrogen 形式出现：

可再生电力 → 电解水制氢

氢气存储

再发电或工业利用

优势在于：

适合长时、大规模储能，但系统复杂度高。

2. 在 Simulink 中如何建模?

MATLAB & Simulink 支持完整的氢能链路建模：

电解槽(PEM / 碱性)

- 电化学 + 热耦合模型

氢气存储与运输

系统级优化

- 能效

- 成本

3. 官方示例(推荐)

电解水制氢系统

电解水制氢微网系统，将电能(风能和太阳能)以及水转化为氢气。电解器由一个可按需持续补充水的水箱组成(溶液的导电性变化可以予以考虑)。水的温度通过分流电流经过一个热电阻进行调节。生成的氢气被输送到一个模拟为气体室的储存罐中，该储存罐具有恒定的储存温度。

从顶层来看这个模型实现的是利用风能产生的交流电进行绿氢生产，发电机产生的电能通过 AC-DC、DC-DC 转换送至电解槽，其中发电机侧为高保真度，电解槽一侧采用的是中等保真度。需要注意的是，在开发中，不同保真度的模型可以共存，而保真度通常是根据需求逐步提高的。

PEM 电解槽系统

下图示例利用自定义 Simscape 模块对 PEM 水电解槽建模。PEM 电解槽将电能转化为氢气和氧气，模型中膜电极组件(MEA)连接至热液体网络和两个湿空气网络，分别模拟供水、氧气和氢气流动。循环泵持续为阳极侧供水，多余的水循环利用，氧气由阳极湿空气网络带走并通过分离槽分离;供给泵补充新水。阴极侧产生的氢气与水由阴极湿空气网络建模，除湿器去除多余水蒸气，压力阀维持阴极 3 MPa 压力。系统无需独立冷却，电解槽热量由水带走，通过热交换器排出，温度保持在 80°C。

液氢储存与运输系统

此示例展示了如何使用 Simscape Fluids 块来对低温储罐进行建模。针对液态储氢，工程方面面临的挑战包括减少液体蒸发、管理储罐内部压力以及设计坚固的储罐。此示例模拟了罐体的充装、罐体运输和静止储存过程。考虑了带有进气口、液体出口和气体排放口的低温罐。一台泵从储罐中向罐内输送氢气。在充装过程中，液体出口和排放口是关闭的。随着压力的升高，排放口会打开以释放气体并保持罐内规定的压力。氢两相流特性(2P)模块通过使用两相流表函数来参数化氢气的属性。

氢气加注站建模

该示例展示了一个氢燃料加注站模型。氢气首先储存在 200 bar的低压罐中，经三级冷却压缩进入分为高压(950 bar)、中压(650 bar)和低压(450 bar)的缓冲罐。根据车辆储罐压力，系统自动选择合适的缓冲罐，通过优先阀切换供应，避免浪费压缩能量。配送时，减压阀调节氢气流量，预冷器将氢气降温至 -40°C，以符合最高 700 bar的加注规范(SAE J2601-A70)。Stateflow 图建模控制逻辑，包括压缩机启动、氢气输送和缓冲罐切换。阀门与预冷器子系统由 PI 控制器保持流量与温度稳定。

绿色氢气生产系统优化

此示例展示了如何确定电解器生产氢气的绿色系统的关键组件尺寸。关键组件如下：

太阳能电池板

风力发电机

电池系统

双向连接电网

生产氢气 (H2) 的电解器

电气负载

下图说明了各个组件的电气连接方式：

使用技术经济分析来确定最佳组件尺寸。技术考虑包括绿色氢气生产系统的物理和操作约束。使用净现值 (NPV)评估投资该系统的经济可行性。假设折现率为 5%。

五、CO₂ 储能：新兴的热—机械储能路线

1. 技术特点

CO₂ 储能利用二氧化碳在不同压力和温度下的相态变化，实现：

电能 热能 机械能 转换

适合大规模、长时储能

2. 在 Simulink 中如何建模?

该类储能通常基于：

跨临界 / 超临界 CO₂ 热力学循环

压缩机、换热器、膨胀机等组件

Simscape 可用于：

热力系统建模

状态参数动态演化分析

3. 官方示例

超临界 CO₂(R744)循环示例

此示例循环的高压部分在超临界流体区域中运行。介质是二氧化碳 (CO2)，在此应用中也称为 R744。压缩机驱动 CO2 在整个循环中流动，并将压力升高到临界压力以上。气体冷却器将高压 CO2 产生的热量排出到环境中。由于 CO2 处于超临界状态，因此它不会凝结，温度也会下降。膨胀阀会降低压力，使一些 CO2 气化。两相混合物通过蒸发器，从腔室吸收热量，直至过热。内部热交换器在循环的热侧和冷侧之间传递一些热量，以提高循环的效率。

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六、压缩空气储能：大规模与高安全性并重

1. 技术特点

能量密度适中

安全性高、寿命长

适用于大规模储能，响应速度慢于超级电容和锂电池

常用于电网调峰、可再生能源消纳。

2. 在 Simulink 中如何建模?

该类储能通常基于：

克劳德循环、朗肯循环

多级压缩机等组件

3. 官方示例

压缩空气储能系统建模分析

该示例展示了基于低温液态空气的电网规模储能系统。当有过剩电力时，该系统会根据克劳德循环的变体将周围空气液化。冷却后的液态空气被储存在低压绝热罐中，以备不时之需。当电力需求较高时，系统会将储存的液态空气膨胀以产生电力，其依据是朗肯循环。通过Simulink和Simscape构建了压缩空气储能系统模型，涵盖空气压缩、储存和释放三个主要过程。用户可以分析系统在不同负载和工况下的动态响应，包括压力、温度和能量变化。

七、液流电池储能：灵活扩展的电化学储能

1. 技术特点

能量和功率独立设计，易于扩展

循环寿命长，适合大规模储能

适用于电网调节、可再生能源接入

2. 官方示例

液流电池储能系统仿真

此示例说明了如何对钒氧化还原流动电池 (VRFB) 进行建模、计算荷电状态 (SOC) 以及评估电解质流量对电池性能的影响。在此示例中，通过求解常微分方程 (ODE) 并使用 Simscape 自定义组件来对 VRFB 进行建模。为了确定电池性能，需要计算电解槽和电池堆中的四种钒元素的物质平衡方程式。等效电路模型描述了电池的电响应。

八、超级电容：介于电池与飞轮之间

1. 技术特点

功率密度高

循环寿命长

能量密度低

常作为混合储能系统的一部分。

2. 官方示例

超级电容充放电行为分

此示例展示了Simulink模型库里Supercapacitor 模块在充电和随后放电的过程中的电压输出。向超级电容器输入 100 mA 的电流，持续 100 秒，给超级电容器充电。然后将超级电容器静置一分钟。在接下来一小时内，每隔 50 秒接通一秒钟 50 mA 的负载，为超级电容器放电。然后将超级电容器保持静置，直至仿真结束。示波器显示超级电容器的充电/放电电流和电压。

九、总结：Simulink 的优势不在“某一种储能”

通过上文内容可以看到，Simulink 的核心优势不是绑定某一类储能技术，而是支持“多物理域、多时间尺度、多控制层级”的统一建模。

无论你关注的是：

电化学储能

机械储能

氢能或新型物理储能

都可以在同一平台中完成：

物理建模

控制验证

系统级性能分析和优化

这正是 Simulink 仿真在储能研发中不可替代的价值所在。

关于作者

栗秀花，MathWorks 中国

MathWorks 中国高级应用工程师，专注于基于模型的设计在产品开发中的应用，主要负责物理建模，系统仿真。加入MathWorks之前曾从事液压系统设计、多学科物理系统建模仿真、氢燃料电池发动机电控系统和软件研发工作。