基于虛擬仿真技術(shù)的儲能學(xué)科教學(xué)新形態(tài)

［摘 要］ 在“雙碳”背景下，儲能方向科學(xué)研究及人才培養(yǎng)迎來了新的發(fā)展機(jī)遇。南京工程學(xué)院2019年獲教育部批準(zhǔn)建設(shè)了儲能科學(xué)與工程新專業(yè)，同時學(xué)院是江蘇省內(nèi)首批儲能科學(xué)與工程建設(shè)高校。儲能科學(xué)與工程專業(yè)在全國高校中都屬于新開專業(yè)，各個學(xué)校都缺少好的教學(xué)和實(shí)踐資源。為了完善儲能專業(yè)課程體系，聚焦及提升注重實(shí)踐的專業(yè)教學(xué)能力，學(xué)院推進(jìn)建設(shè)了“儲能規(guī)?；⒕W(wǎng)運(yùn)行虛擬仿真”教學(xué)資源。虛擬仿真課程利用3D重構(gòu)技術(shù)，一比一建設(shè)虛擬儲能電站。在實(shí)踐教學(xué)中可利用該虛擬仿真資源學(xué)習(xí)儲能電站關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件，運(yùn)行特征以及運(yùn)維檢修技術(shù)，提升儲能專業(yè)學(xué)生實(shí)踐動手能力。

［關(guān)鍵詞］ 儲能科學(xué)與工程；虛擬仿真技術(shù)；實(shí)踐教學(xué)；雙碳

［作者簡介］ 彭紀(jì)昌（1988—），男，江蘇南京人，博士，南京工程學(xué)院智能電網(wǎng)產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院講師，主要從事儲能科學(xué)與工程研究。

［中圖分類號］ G642.0［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］ A［文章編號］ 1674-9324（2023）17-0045-04［收稿日期］ 2022-12-13

引言

隨著可再生能源、電動汽車、儲能等新型電源和負(fù)荷快速發(fā)展，電力系統(tǒng)管理模式和運(yùn)行方式面臨變革，專業(yè)教學(xué)內(nèi)容和實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)需要引入行業(yè)前沿科技，不斷升級，緊跟行業(yè)發(fā)展需求，把儲能相關(guān)內(nèi)容引入人才培養(yǎng)，有利于拓寬學(xué)生的視野，適應(yīng)行業(yè)發(fā)展對人才的需求［1-4］。儲能作為改變電力行業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)之一，由于其具有源荷雙特性，將直接改變電力系統(tǒng)的運(yùn)行調(diào)度方式，促進(jìn)可再生能源大規(guī)模消納［5-7］。近年來，各地儲能項(xiàng)目飛速發(fā)展，出現(xiàn)了共享儲能、退役電池梯次利用等一系列技術(shù)革新及工程示范。儲能方面的專業(yè)人才緊缺，亟待在課程教學(xué)和實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)新增相關(guān)內(nèi)容，豐富教學(xué)資源。

本課題基于電化學(xué)儲能規(guī)?；⒕W(wǎng)調(diào)度實(shí)現(xiàn)調(diào)峰目標(biāo)，針對不同類型新電池組承擔(dān)調(diào)峰任務(wù)和退役舊電池組通過梯次利用承擔(dān)調(diào)峰任務(wù)這兩種場景，考慮電池投入時段、電池類型、每度電的建設(shè)成本和運(yùn)維成本、場地需求等多類約束及優(yōu)化組合策略，包含電力系統(tǒng)運(yùn)行、需求側(cè)響應(yīng)、負(fù)荷曲線、儲能裝置特性、動力電池梯次利用、電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行等多方面考核內(nèi)容，融合控制、大數(shù)據(jù)、云平臺、經(jīng)濟(jì)等多學(xué)科知識，契合新工科人才培養(yǎng)的理念，從實(shí)驗(yàn)教學(xué)層面促進(jìn)多學(xué)科的交叉融合［8-10］。

一、儲能科學(xué)與工程實(shí)踐教學(xué)特征

儲能科學(xué)與工程專業(yè)為我國大型儲能電站、新能源發(fā)電站培養(yǎng)人才。在實(shí)際儲能工程中儲能規(guī)模化并網(wǎng)實(shí)驗(yàn)存在高壓、多點(diǎn)以及和電網(wǎng)數(shù)據(jù)對接等多項(xiàng)條件限制，在實(shí)驗(yàn)室難以通過設(shè)備實(shí)現(xiàn)。以下特征是儲能科學(xué)與工程實(shí)踐教學(xué)中面臨的主要硬件限制。

（一）儲能存在高壓易燃特性

實(shí)體電化學(xué)儲能電池通過串并聯(lián)構(gòu)成儲能單元，形成大電壓和大電流，電壓可達(dá)10 kV，電流可達(dá) kA級別，學(xué)生在高電壓、大電流的現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)參與動手操作存在極大的安全隱患?，F(xiàn)有電池主要為鋰離子電池，受到撞擊后，容易熱失控，存在易燃易爆特性，影響實(shí)驗(yàn)室安全。

（二）難以展示儲能規(guī)?；攸c(diǎn)

本實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要針對儲能規(guī)?；瘏⑴c電網(wǎng)調(diào)峰，儲能電站的布點(diǎn)較多，并且需要與電網(wǎng)進(jìn)行動態(tài)數(shù)據(jù)交互，同時反映常規(guī)電池和梯次利用電池構(gòu)成儲能電站性能、成本等差異，實(shí)現(xiàn)多類電池組數(shù)量、規(guī)模的任意組合，實(shí)驗(yàn)室難以完全實(shí)現(xiàn)。

由于儲能實(shí)驗(yàn)的上述特征，實(shí)踐教學(xué)中難以通過實(shí)驗(yàn)設(shè)備模擬真實(shí)儲能運(yùn)行場景。因此，我校通過虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建數(shù)字儲能電站，同步設(shè)計了儲能大數(shù)據(jù)云平臺、大規(guī)模動力電池梯次利用、電力系統(tǒng)調(diào)度平臺、電力系統(tǒng)潮流平衡等概念以及多平臺交互協(xié)同。開發(fā)數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸、體現(xiàn)真實(shí)運(yùn)行場景的儲能規(guī)?；⒕W(wǎng)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，填補(bǔ)儲能系統(tǒng)規(guī)?；⒕W(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的空白，提升學(xué)生對儲能技術(shù)應(yīng)用的直觀理解，為高校和行業(yè)提供同領(lǐng)域仿真實(shí)驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)和推廣案例。

二、儲能虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)設(shè)計

根據(jù)電力行業(yè)儲能電站實(shí)際應(yīng)用中能夠利用功率平衡原理進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)頻、調(diào)峰等功能，并根據(jù)電力行業(yè)運(yùn)行導(dǎo)則，利用經(jīng)濟(jì)學(xué)原理進(jìn)行現(xiàn)代電力系統(tǒng)儲能匯聚利用、儲能梯次利用進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計的課程目標(biāo)，本虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)資源可實(shí)現(xiàn)如下教學(xué)目的：通過儲能電站規(guī)劃設(shè)計實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生掌握合理規(guī)劃儲能電站的原理及方法，深入理解儲能電站運(yùn)行特性及電站管理方法，建立多能互補(bǔ)的新型能源互聯(lián)網(wǎng)思維，了解梯次電池循環(huán)利用趨勢及儲能電站中電池老化機(jī)理，探索采用不同類型電池的儲能方案在建設(shè)成本及運(yùn)行效益上的差別，從而在資源及環(huán)境保護(hù)多個層面形成退役電池梯次利用思維。實(shí)踐教學(xué)模塊設(shè)計如下。

（一）電池儲能系統(tǒng)原理及典型應(yīng)用結(jié)構(gòu)模塊

電池儲能系統(tǒng)是一個利用采鋰電池/鉛電池作為能量儲存載體，在一定時間內(nèi)存儲、供應(yīng)電能的系統(tǒng)，電池儲能系統(tǒng)提供電能具有平滑過渡、削峰填谷、調(diào)頻調(diào)壓等功能。

電池儲能系統(tǒng)（如圖1所示）包含儲能電池組、DC-AC變換器、BMS電池管理系統(tǒng)、PCS儲能變流器、EMS能源管理系統(tǒng)等部件。為了使學(xué)生較好了解儲能電站構(gòu)成，本課程搭建了鎮(zhèn)江丹陽儲能電站的全景模擬平臺。學(xué)生可以自主學(xué)習(xí)儲能電站各個部件，了解電網(wǎng)架構(gòu)、電網(wǎng)調(diào)度等知識。實(shí)際應(yīng)用中，電池儲能系統(tǒng)可根據(jù)電壓及容量等級分為低壓小容量、中壓大容量和高壓超大容量等多種儲能系統(tǒng)。

（二）儲能電站梯次利用原理及性能評估模塊

在理解儲能系統(tǒng)原理及典型結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上不難發(fā)現(xiàn)，儲能系統(tǒng)設(shè)計評估中首先要進(jìn)行儲能元件的選型。通過對基于不同儲能元件的特性進(jìn)行學(xué)習(xí)，學(xué)生可以自主選擇合適的儲能元件進(jìn)行儲能系統(tǒng)的設(shè)計。

據(jù)此，該實(shí)驗(yàn)以上述3種主流儲能電池為基礎(chǔ)（如圖2），在不同電力供需場景下，對儲能電站建設(shè)方案進(jìn)行設(shè)計仿真。當(dāng)通過探究理解儲能電池運(yùn)行特性及運(yùn)維特性后，學(xué)生可自主選擇采用儲能元件類型及儲能元件數(shù)量完成儲能電站的設(shè)計，形成滿足負(fù)荷需求的儲能系統(tǒng)完成削峰填谷；學(xué)生可重復(fù)儲能電站設(shè)計實(shí)驗(yàn)，探索不同類似儲能元件的適用范圍，檢驗(yàn)儲能電站的應(yīng)用效果。以此可以鍛煉學(xué)生的應(yīng)用型思維，提升其解決實(shí)際問題的能力。在可行性及經(jīng)濟(jì)性兩個維度對設(shè)計方案進(jìn)行評估，使學(xué)生能夠了解儲能電站建設(shè)的基本原理，同時建立梯次電池循環(huán)利用的可持續(xù)發(fā)展思維。

（三）容量配置計算方法模塊

在儲能電站規(guī)劃建設(shè)時，需綜合考慮建設(shè)經(jīng)濟(jì)性和建設(shè)場地條件等多個因素。本虛擬仿真項(xiàng)目提供兩個典型的優(yōu)化設(shè)計目標(biāo)，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中可自主選擇。（1）占地面積最小。在以儲能電站占地面積最小為優(yōu)化配置目標(biāo)時，需選擇能量密度和功率密度較高的儲能元件完成儲能電站的容量、功率需求。若儲能電站的容量需求為CM，功率需求為QM。儲能電站最大容納集裝箱個數(shù)為24，那么可以計算出，可選取的儲能元件最小容量及功率為：

C_min＞C_M/24

Q_min＞Q_M/24

在滿足功率需求條件下，單個集裝箱的功率及容量越高，儲能電站的場地需求越低。（2）建設(shè)成本最低。在以儲能電站建設(shè)成本最低為優(yōu)化配置目標(biāo)時，應(yīng)在滿足儲能電站功率及容量需求條件下，選取價格較低的梯次電池集裝箱。若梯次電池B集裝箱個數(shù)為M，梯次電池C集裝箱個數(shù)為N。則M、N選取應(yīng)滿足：

M×C_B+N×C_C＞C_M

M×Q_B+N×Q_C＞Q_M

其中C_B、C_C、Q_B、Q_C為電池B、C的額定容量與額定功率。

結(jié)語

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作設(shè)計為全開放模式，不規(guī)定具體實(shí)驗(yàn)參數(shù)、步驟和結(jié)果，學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康淖约涸O(shè)計實(shí)驗(yàn)步驟，自主展開實(shí)驗(yàn)，通過探究給出實(shí)驗(yàn)過程、設(shè)計參數(shù)、相應(yīng)結(jié)果以及規(guī)律性總結(jié)，具有充分的個性化和先進(jìn)性。

（一）教學(xué)方法創(chuàng)新

采用虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)方法，使難以在實(shí)驗(yàn)室呈現(xiàn)的儲能電站全景、廣域大規(guī)模分散式儲能匯聚利用以及大規(guī)模動力電池梯次利用得以高真實(shí)度地展現(xiàn)在學(xué)生面前，突破了場地、地域以及安全性的限制，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與相關(guān)課程內(nèi)容高度匹配，很好地支撐了理論課程教學(xué)，達(dá)到了南京工程學(xué)院理實(shí)一體化教學(xué)改革的要求，符合本校高水平應(yīng)用型人才培養(yǎng)的定位。

（二）評價體系創(chuàng)新

針對學(xué)生將來面向新一代電力系統(tǒng)（新能源發(fā)電、儲能電站、電動汽車充電站）高安全性、高可靠性、智能型、互聯(lián)性的要求，著重強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)過程評價。根據(jù)實(shí)驗(yàn)過程中設(shè)備的使用、實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計等建立實(shí)驗(yàn)全過程數(shù)據(jù)記錄，為學(xué)生參與的每個階段的實(shí)踐建立電子檔案，跟蹤學(xué)生各階段實(shí)驗(yàn)成果，并為構(gòu)成最終考核結(jié)果提供依據(jù)。

（三）對傳統(tǒng)教學(xué)的延伸與拓展

在傳統(tǒng)教學(xué)中，受設(shè)備條件的限制，只能提供一套演示性裝置，學(xué)生只能聽老師演示操作，無法自己動手做，更不能進(jìn)行設(shè)計性實(shí)驗(yàn)。應(yīng)用本項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)2～3人一組實(shí)驗(yàn)（小組成員分工協(xié)作、討論交流），自主設(shè)計的實(shí)驗(yàn)方案能夠在本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中得到驗(yàn)證。

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New Teaching Form of Energy Storage Discipline Based on Virtual Simulation Technology

PENG Ji-chang

（Smart Grid Research Institute， Nanjing Institute of Technology， Nanjing， Jiangsu 211167， China）

Abstract：Under the background of carbon peaking and carbon neutrality， scientific research and talent training in the direction of energy storage have ushered in new development opportunities. Nanjing Insitute of Technology was approved by Ministry of Education of? the PRC to build a new major in energy storage science and engineering in 2019， and? the institute is one of the first universities in Jiangsu Province to build energy storage science and engineering. The major of energy storage science and engineering is new in all universities in China， and they all? lack good teaching and practice resources. To improve the curriculum of the energy storage profession， and to focus and enhance the professional teaching ability with emphasis on practice， the institute has promoted the construction of the “Virtual Simulation of Energy Storage Scale and Grid Operation” teaching resource. This virtual simulation course uses 3D reconstruction technology to build a virtual energy storage plant on a one-to-one basis. The virtual simulation resource can be used to learn the key structural components， operational characteristics， and operation and maintenance techniques of energy storage power plants， and to enhance the practical and hands-on skills of energy storage students.

Key words：energy storage science and engineering， virtual simulation technology， practical teaching， carbon peaking and carbon neutrality