数字孪生技术与MATLAB

lilybunny

数字孪生（Digital Twin）是在基于模型设计MBD（Model-Based-Design）概念基础之上深入发展起来的，是指充分利用物理模型、历史数据等，借助辅助工具完成的多领域、跨学科的仿真过程，在虚拟空间中完成对物理系统整个生命周期的映射。
从而对设备、系统的健康状况、性能、发展趋势进行预判，同时结合实际的数据可对现场故障进行复现，以驱动维护更新和优化。
在电力行业，数字孪生技术被大量地用于小到一个设备，大到分布式能源、大电网系统的开发和虚拟仿真。

上图为在 MATLAB/Simulink 中为可再生微电网能源管理系统建立的数字孪生模型，包含了柴油发电机作为基础发电机组，光伏发电厂与风力发电场结合，生产可再生能源；V2G(Vehicle to Grid)系统安装在系统的最后一部分，作为电网的负载。
微电网的规模大约代表了一个社区的 1000 户家庭在春季或秋季的低消耗的一天，基础模型中有 100 辆电动汽车，这意味着汽车和家庭之间的比例是 1:10。通过数字孪生模型就可以对整个分布式能源系统的运行进行 24 小时场景的全面仿真和测试，尤其是在一些极限工况下系统的反应，从而确保实际的物理系统安全稳定运行。


同时，MathWorks 提供了帮助用户实现设计、实施、测试的完整工具链。模型仿真测试通过之后可以自动地将被控物理对象生成 C/C++ 等代码，编译下载到工控机等仿真测试设备；
而控制算法可以从模型自动生成 C/C++/PLC 等代码，通过 IDE 环境集成并下载到实际的工业控制器中，这样两部分就可以协同仿真完成系统的硬件在环实时测试 HIL（Hardware-in-the-Loop），确保实时性能无误后在投入实际系统使用。
下面我们来看两个数字孪生技术在电力行业应用的例子：

加南大魁北克水电利用 MATLAB/Simulink 建立整个风电场模型
魁北克水电公司致力于开发、使用可再生能源，主要是水力发电和风能。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。
为了解决上述问题，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。


Transpower 用 MATLAB/Simulink 开发储备管理工具确保新西兰国家电网的可靠性
Transpower 公司拥有并运营新西兰国家电网，这是一个向工业、商业、农业和家庭电力消费者输送电力的高压输电网络。必须平衡负载和发电，以保持电网的频率在 50 赫兹。
如果一台发电机组发生故障，另一台必须在 6 秒内接通，以保持这个频率，防止大范围停电。由于保留备用发电的成本很高，Transpower 必须精确计算所需的最小备用，以确保电网的可靠性在既定的风险容许范围内。
为了满足这一需求，Transpower 在 MATLAB® 和 Simulink® 中开发了储备管理工具 RMT 来建模和仿真新西兰的整个国家电网，包括整个电网的复杂模型，发电机、负载和新西兰两个主要岛屿之间的高压直流(HVDC)输电模型等。
首先，Transpower 公司的工程师创建了风力发电厂和水力发电厂的 MATLAB® 和 Simulink® 模型，这些发电厂构成了电网上的大部分发电机单元，单个电厂模型使用输入频率和 PID 控制器来计算输出功率，PID控制器增益使用 Control System Toolbox™ 进行调参；
其次，工程师们还开发了分布在该国两个主要岛屿上的 30 多个可中断和不可中断负载的模型，以及连接岛屿的高压直流输电线路 HVDC 的模型，然后在 Simulink 中，组装了一个完整的电网模型，包括负载、高压直流线路和大约 80 个发电机的模型；
最后，使用 MATLAB Compiler™ 和 Simulink Coder™，团队创建了完整模型的独立可执行文件，并将该模型与价格调度工具集成，用于以最低价格获取所需储备。新的 RMT 工具。每半小时运行一次基于最新电网信息的仿真，以确定当前需要的储备，充分地保障了国家电网的可靠运行。                        

Northspace

谢谢楼主科普，楼主太强了