基于虛擬仿真技術的儲能學科教學新形態

［摘 要］ 在“雙碳”背景下，儲能方向科學研究及人才培養迎來了新的發展機遇。南京工程學院2019年獲教育部批準建設了儲能科學與工程新專業，同時學院是江蘇省內首批儲能科學與工程建設高校。儲能科學與工程專業在全國高校中都屬于新開專業，各個學校都缺少好的教學和實踐資源。為了完善儲能專業課程體系，聚焦及提升注重實踐的專業教學能力，學院推進建設了“儲能規模化并網運行虛擬仿真”教學資源。虛擬仿真課程利用3D重構技術，一比一建設虛擬儲能電站。在實踐教學中可利用該虛擬仿真資源學習儲能電站關鍵結構部件，運行特征以及運維檢修技術，提升儲能專業學生實踐動手能力。

［關鍵詞］ 儲能科學與工程；虛擬仿真技術；實踐教學；雙碳

［作者簡介］ 彭紀昌（1988—），男，江蘇南京人，博士，南京工程學院智能電網產業技術研究院講師，主要從事儲能科學與工程研究。

［中圖分類號］ G642.0［文獻標識碼］ 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荷快速發展，電力系統管理模式和運行方式面臨變革，專業教學內容和實訓環節需要引入行業前沿科技，不斷升級，緊跟行業發展需求，把儲能相關內容引入人才培養，有利于拓寬學生的視野，適應行業發展對人才的需求［1-4］。儲能作為改變電力行業的關鍵技術之一，由于其具有源荷雙特性，將直接改變電力系統的運行調度方式，促進可再生能源大規模消納［5-7］。近年來，各地儲能項目飛速發展，出現了共享儲能、退役電池梯次利用等一系列技術革新及工程示范。儲能方面的專業人才緊缺，亟待在課程教學和實訓環節新增相關內容，豐富教學資源。

本課題基于電化學儲能規模化并網調度實現調峰目標，針對不同類型新電池組承擔調峰任務和退役舊電池組通過梯次利用承擔調峰任務這兩種場景，考慮電池投入時段、電池類型、每度電的建設成本和運維成本、場地需求等多類約束及優化組合策略，包含電力系統運行、需求側響應、負荷曲線、儲能裝置特性、動力電池梯次利用、電力系統經濟運行等多方面考核內容，融合控制、大數據、云平臺、經濟等多學科知識，契合新工科人才培養的理念，從實驗教學層面促進多學科的交叉融合［8-10］。

一、儲能科學與工程實踐教學特征

儲能科學與工程專業為我國大型儲能電站、新能源發電站培養人才。在實際儲能工程中儲能規模化并網實驗存在高壓、多點以及和電網數據對接等多項條件限制，在實驗室難以通過設備實現。以下特征是儲能科學與工程實踐教學中面臨的主要硬件限制。

（一）儲能存在高壓易燃特性

實體電化學儲能電池通過串并聯構成儲能單元，形成大電壓和大電流，電壓可達10 kV，電流可達 kA級別，學生在高電壓、大電流的現場實驗參與動手操作存在極大的安全隱患。現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，影響實驗室安全。

（二）難以展示儲能規模化特點

本實驗內容主要針對儲能規模化參與電網調峰，儲能電站的布點較多，并且需要與電網進行動態數據交互，同時反映常規電池和梯次利用電池構成儲能電站性能、成本等差異，實現多類電池組數量、規模的任意組合，實驗室難以完全實現。

由于儲能實驗的上述特征，實踐教學中難以通過實驗設備模擬真實儲能運行場景。因此，我校通過虛擬仿真技術構建數字儲能電站，同步設計了儲能大數據云平臺、大規模動力電池梯次利用、電力系統調度平臺、電力系統潮流平衡等概念以及多平臺交互協同。開發數據實時傳輸、體現真實運行場景的儲能規模化并網的虛擬仿真實驗，填補儲能系統規模化并網實驗教學的空白，提升學生對儲能技術應用的直觀理解，為高校和行業提供同領域仿真實驗的經驗和推廣案例。

二、儲能虛擬仿真實踐教學設計

根據電力行業儲能電站實際應用中能夠利用功率平衡原理進行系統調頻、調峰等功能，并根據電力行業運行導則，利用經濟學原理進行現代電力系統儲能匯聚利用、儲能梯次利用進行規劃設計的課程目標，本虛擬仿真實踐教學資源可實現如下教學目的：通過儲能電站規劃設計實驗，使學生掌握合理規劃儲能電站的原理及方法，深入理解儲能電站運行特性及電站管理方法，建立多能互補的新型能源互聯網思維，了解梯次電池循環利用趨勢及儲能電站中電池老化機理，探索采用不同類型電池的儲能方案在建設成本及運行效益上的差別，從而在資源及環境保護多個層面形成退役電池梯次利用思維。實踐教學模塊設計如下。

（一）電池儲能系統原理及典型應用結構模塊

電池儲能系統是一個利用采鋰電池/鉛電池作為能量儲存載體，在一定時間內存儲、供應電能的系統，電池儲能系統提供電能具有平滑過渡、削峰填谷、調頻調壓等功能。

電池儲能系統（如圖1所示）包含儲能電池組、DC-AC變換器、BMS電池管理系統、PCS儲能變流器、EMS能源管理系統等部件。為了使學生較好了解儲能電站構成，本課程搭建了鎮江丹陽儲能電站的全景模擬平臺。學生可以自主學習儲能電站各個部件，了解電網架構、電網調度等知識。實際應用中，電池儲能系統可根據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。

（二）儲能電站梯次利用原理及性能評估模塊

在理解儲能系統原理及典型結構的基礎上不難發現，儲能系統設計評估中首先要進行儲能元件的選型。通過對基于不同儲能元件的特性進行學習，學生可以自主選擇合適的儲能元件進行儲能系統的設計。

據此，該實驗以上述3種主流儲能電池為基礎（如圖2），在不同電力供需場景下，對儲能電站建設方案進行設計仿真。當通過探究理解儲能電池運行特性及運維特性后，學生可自主選擇采用儲能元件類型及儲能元件數量完成儲能電站的設計，形成滿足負荷需求的儲能系統完成削峰填谷；學生可重復儲能電站設計實驗，探索不同類似儲能元件的適用范圍，檢驗儲能電站的應用效果。以此可以鍛煉學生的應用型思維，提升其解決實際問題的能力。在可行性及經濟性兩個維度對設計方案進行評估，使學生能夠了解儲能電站建設的基本原理，同時建立梯次電池循環利用的可持續發展思維。

（三）容量配置計算方法模塊

在儲能電站規劃建設時，需綜合考慮建設經濟性和建設場地條件等多個因素。本虛擬仿真項目提供兩個典型的優化設計目標，學生在實驗中可自主選擇。（1）占地面積最小。在以儲能電站占地面積最小為優化配置目標時，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）建設成本最低。在以儲能電站建設成本最低為優化配置目標時，應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集裝箱個數為M，梯次電池C集裝箱個數為N。則M、N選取應滿足：

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。

結語

虛擬仿真實驗操作設計為全開放模式，不規定具體實驗參數、步驟和結果，學生根據實驗目的自己設計實驗步驟，自主展開實驗，通過探究給出實驗過程、設計參數、相應結果以及規律性總結，具有充分的個性化和先進性。

（一）教學方法創新

采用虛實結合的教學方法，使難以在實驗室呈現的儲能電站全景、廣域大規模分散式儲能匯聚利用以及大規模動力電池梯次利用得以高真實度地展現在學生面前，突破了場地、地域以及安全性的限制，實驗內容與相關課程內容高度匹配，很好地支撐了理論課程教學，達到了南京工程學院理實一體化教學改革的要求，符合本校高水平應用型人才培養的定位。

（二）評價體系創新

針對學生將來面向新一代電力系統（新能源發電、儲能電站、電動汽車充電站）高安全性、高可靠性、智能型、互聯性的要求，著重強調實驗過程評價。根據實驗過程中設備的使用、實驗操作、實驗方案設計等建立實驗全過程數據記錄，為學生參與的每個階段的實踐建立電子檔案，跟蹤學生各階段實驗成果，并為構成最終考核結果提供依據。

（三）對傳統教學的延伸與拓展

在傳統教學中，受設備條件的限制，只能提供一套演示性裝置，學生只能聽老師演示操作，無法自己動手做，更不能進行設計性實驗。應用本項目的實驗系統，能夠實現2～3人一組實驗（小組成員分工協作、討論交流），自主設計的實驗方案能夠在本實驗系統中得到驗證。

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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