雙碳目標(biāo)下電力系統(tǒng)建模與仿真課程教學(xué)改革研究與實(shí)踐*

張宏 王洪坤 趙咪 張嶺 柴兆森 羊琴霞

石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院 新疆石河子 832000

0 引言

電力系統(tǒng)建模與仿真是電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的必修實(shí)踐課，是一門理論與應(yīng)用相結(jié)合且重在實(shí)踐應(yīng)用的課程。該課程以高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、電路、電力系統(tǒng)分析、繼電保護(hù)原理、新能源發(fā)電技術(shù)等為基礎(chǔ)，通過分析傳統(tǒng)電力系統(tǒng)及新型電力系統(tǒng)的運(yùn)行特性，建立對(duì)應(yīng)數(shù)學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上，利用電力系統(tǒng)仿真軟件搭建仿真模型，通過仿真進(jìn)行研究?！半p碳”目標(biāo)的提出進(jìn)一步促使能源結(jié)構(gòu)變革不斷深化，有助于化石能源大幅度轉(zhuǎn)向新能源，同時(shí)給新型電力系統(tǒng)的規(guī)劃、運(yùn)行、控制、評(píng)估等提出更多挑戰(zhàn)。然而，利用電力系統(tǒng)建模與仿真技術(shù)，可以在計(jì)算機(jī)上快速實(shí)現(xiàn)一個(gè)復(fù)雜新型電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，通過模擬其動(dòng)態(tài)行為，分析其配置是否合理、系統(tǒng)功能運(yùn)行是否滿足現(xiàn)代電網(wǎng)要求，從而為現(xiàn)代電力系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)、性能改善及優(yōu)化運(yùn)行提供決策依據(jù)。目前，電氣工程領(lǐng)域的學(xué)術(shù)界和企業(yè)界均高度重視新型電力系統(tǒng)建模與仿真技術(shù)的研究與應(yīng)用[1]。

該課程主要內(nèi)容包括電力系統(tǒng)元件模型、電力系統(tǒng)潮流分析與仿真、電力系統(tǒng)故障暫態(tài)仿真以及機(jī)繼電保護(hù)仿真等。通過該課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠熟練掌握電力系統(tǒng)仿真軟件的應(yīng)用、電力系統(tǒng)主要模塊的使用、建立電力系統(tǒng)仿真模型的步驟與方法以及使用仿真軟件對(duì)相關(guān)電力系統(tǒng)問題進(jìn)行簡(jiǎn)單分析與設(shè)計(jì)。教師在教學(xué)實(shí)踐過程中需圍繞兩個(gè)目標(biāo)展開：其一是研究，即具備對(duì)電氣工程相關(guān)的復(fù)雜工程問題進(jìn)行研究的基本能力，根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案構(gòu)建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行分析與解釋，并通過信息綜合得到合理有效的結(jié)論；其二是使用現(xiàn)代工具，即能夠針對(duì)電氣工程問題，選擇與使用恰當(dāng)?shù)募夹g(shù)手段和現(xiàn)代工程工具與信息技術(shù)工具進(jìn)行建模、預(yù)測(cè)與仿真，并在實(shí)踐過程中領(lǐng)會(huì)理解相關(guān)工具的局限性。隨著“雙碳”目標(biāo)的提出，將“雙碳”目標(biāo)理念融入電力系統(tǒng)建模與仿真課程中，使之成為集合“雙碳”理論和現(xiàn)代電力系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真課程，對(duì)提高學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力具有重要意義[2]。因此，電力系統(tǒng)建模與仿真技術(shù)是今后電氣工程領(lǐng)域人才的必備技能，學(xué)習(xí)這門課程有助于學(xué)生掌握電氣工程領(lǐng)域建模與仿真的理論和方法。

1 雙碳目標(biāo)背景分析

21 世紀(jì)以來，受全球氣候變化和環(huán)境污染治理形勢(shì)影響，人類對(duì)發(fā)展生態(tài)友好、綠色低碳社會(huì)的需求不斷提升，以“低碳化、無碳化”理念為核心的第四次能源革命在全球興起，世界能源發(fā)展路徑正由化石能源進(jìn)入非化石能源、高碳能源進(jìn)入低碳能源、低碳能源進(jìn)入零碳能源的方向發(fā)展，人類將開啟新的以低碳甚至無碳為主要特征的新能源時(shí)代。

2022 年1 月24 日，中共中央政治局就努力實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)進(jìn)行第三十六次集體學(xué)習(xí)。習(xí)近平總書記就推進(jìn)雙碳工作指出，要加大力度規(guī)劃建設(shè)以大型風(fēng)光電基地為基礎(chǔ)、以其周邊清潔高效先進(jìn)節(jié)能的煤電為支撐、以穩(wěn)定安全可靠運(yùn)行的特高壓輸變電線路為載體的新能源供給消納體系；要把促進(jìn)新能源和清潔能源發(fā)展放在更加突出的位置，積極有序發(fā)展光能源、硅能源、氫能源、可再生能源；要加快發(fā)展有規(guī)模、有效益的風(fēng)能、太陽能、生物質(zhì)能、地?zé)崮?、海洋能、氫能等新能源，統(tǒng)籌水電開發(fā)和生態(tài)保護(hù)，積極安全有序發(fā)展核電?！笆奈濉睍r(shí)期是我國經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型發(fā)展的關(guān)鍵期。在“雙碳”目標(biāo)驅(qū)動(dòng)下，綠色發(fā)展是我國生態(tài)文明戰(zhàn)略的必然選擇，也是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必由之路。生態(tài)環(huán)境是綠色發(fā)展的重要支撐，既為企業(yè)與個(gè)人帶來新機(jī)遇和發(fā)展空間，也提出了新的挑戰(zhàn)。高等院校要高舉服務(wù)“雙碳”目標(biāo)大旗，聚焦新能源、能源互聯(lián)網(wǎng)、儲(chǔ)能與氫能、碳金融、碳管理等研究方向，深度服務(wù)雙碳目標(biāo)，全力打造清潔低碳能源領(lǐng)域創(chuàng)新策源地，持續(xù)引領(lǐng)學(xué)科專業(yè)轉(zhuǎn)型、人才培養(yǎng)升級(jí)和科技創(chuàng)新發(fā)展，推動(dòng)學(xué)校高質(zhì)量發(fā)展不斷提速增效。

2 教學(xué)改革思路

依托電力系統(tǒng)建模與仿真課程，通過典型案例、經(jīng)典對(duì)話、講座論壇等形式將“雙碳”目標(biāo)融入課堂教學(xué)中，完善、落實(shí)課程教學(xué)過程中助力實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)的教學(xué)體制，科學(xué)構(gòu)建“雙碳”目標(biāo)融入電力系統(tǒng)建模與仿真實(shí)踐教學(xué)的整體方案，合理選擇“雙碳”目標(biāo)項(xiàng)目設(shè)置內(nèi)容，精細(xì)設(shè)計(jì)碳達(dá)峰與碳中和的操作方案，強(qiáng)化課程教學(xué)過程中助力實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)的內(nèi)容，將學(xué)生對(duì)如何實(shí)現(xiàn)“雙碳”與“電力系統(tǒng)建模與仿真”相結(jié)合，構(gòu)建科學(xué)、合理、樂觀的指標(biāo)體系，助力現(xiàn)代電力系統(tǒng)向清潔低碳發(fā)展，避免學(xué)生對(duì)課程的認(rèn)知停留在傳統(tǒng)電力系統(tǒng)，缺乏對(duì)行業(yè)的前瞻性認(rèn)識(shí)，導(dǎo)致不能自主發(fā)現(xiàn)問題、思考問題和解決問題，從而使學(xué)校的人才培養(yǎng)質(zhì)量無法滿足社會(huì)的職業(yè)技術(shù)需求。

3 教學(xué)改革重點(diǎn)措施

3.1 理論教學(xué)內(nèi)容改革

當(dāng)下電力系統(tǒng)建模與仿真授課內(nèi)容以傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容為基礎(chǔ)，需增加新型電力系統(tǒng)的理論知識(shí)。此外，還需增加“雙碳”背景下新型電力系統(tǒng)建模與仿真案例，如定速風(fēng)電機(jī)組的仿真實(shí)例、雙饋?zhàn)兯亠L(fēng)電機(jī)組的仿真實(shí)例、光伏發(fā)電MPPT 仿真實(shí)例等，綜合能源系統(tǒng)的建模與仿真。增加這些內(nèi)容不僅可以使學(xué)生接觸電氣領(lǐng)域先進(jìn)前沿知識(shí)、拓展學(xué)生的學(xué)識(shí)和眼界，還可豐富仿真教學(xué)內(nèi)容，使學(xué)生對(duì)現(xiàn)代新型電力系統(tǒng)的建模與仿真的理解更加全面與透徹。

3.2 教學(xué)教材改革

目前，電力系統(tǒng)建模與仿真課程的教材多重理論、輕實(shí)踐，極度缺乏實(shí)踐指導(dǎo)環(huán)節(jié)的內(nèi)容，且只有基于傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的建模與仿真，缺乏現(xiàn)代新型電力系統(tǒng)部分，不符合當(dāng)前“雙碳”目標(biāo)的國家政策和理念。因此，編寫一部適合“雙碳”背景的教材很有必要。此外，原先教材只包含建立模型、簡(jiǎn)單仿真分析等內(nèi)容，修改后加入高比例新能源電力系統(tǒng)建模與仿真實(shí)例的內(nèi)容，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力、邏輯思維以及提高學(xué)校人才培養(yǎng)質(zhì)量具有戰(zhàn)略性意義。教材主要章節(jié)如表1 所示。

表1 教材主要章節(jié)介紹表

3.3 教學(xué)方法改革

傳統(tǒng)電力系統(tǒng)建模與仿真課程以在教室上課為主要形式，同時(shí)，分配少量學(xué)時(shí)的上機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)。上課過程中，學(xué)生僅僅觀摩老師操作，仿真實(shí)驗(yàn)時(shí)，學(xué)生被動(dòng)且走馬觀花地進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，缺乏實(shí)質(zhì)性的思考與操作環(huán)節(jié)。修改后，教學(xué)環(huán)節(jié)全部在電力系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，上課過程邊教邊練，融入“雙碳”思維，可以極大地提高學(xué)習(xí)效率和積極性，并配以多個(gè)設(shè)計(jì)性實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，從系統(tǒng)認(rèn)識(shí)到系統(tǒng)仿真，全部通過學(xué)生自主查找文獻(xiàn)、分析、設(shè)計(jì)，大幅培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力，突出學(xué)生的主體地位[3-4]。

3.4 實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容改革

一方面，使學(xué)生系統(tǒng)了解和掌握雙碳目標(biāo)下現(xiàn)代電力系統(tǒng)領(lǐng)域豐富的專業(yè)知識(shí)及相關(guān)學(xué)科的工程基礎(chǔ)知識(shí)，具備基本的工程素質(zhì)和技能；另一方面，熟練運(yùn)用電力系統(tǒng)仿真軟件開發(fā)技術(shù)，較好地完成工程實(shí)踐訓(xùn)練，具有含高比例新能源電力系統(tǒng)領(lǐng)域所需要的專業(yè)技能和職業(yè)能力，從而有效實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)，提高學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力。需增加的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容如表2 所示。

表2 實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容

3.5 考核方式改革

該課程應(yīng)以培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力和掌握先進(jìn)理論為教學(xué)目的，考核方式不應(yīng)單純依靠傳統(tǒng)閉卷考試或者實(shí)驗(yàn)報(bào)告。改革后的考核方式應(yīng)設(shè)定為一人一機(jī)的上機(jī)考核形式，考查以“雙碳”背景下現(xiàn)代電力系統(tǒng)的建模和仿真為主。要求學(xué)生寫出建模思路、算法設(shè)計(jì)等原理以及程序和仿真結(jié)果分析等。

4 教學(xué)改革推進(jìn)過程與達(dá)成度

4.1 推進(jìn)過程

推行“先理論后仿真、邊教邊練、課后強(qiáng)化訓(xùn)練”的教學(xué)方式。“先理論后仿真”指在教學(xué)過程中首先將有關(guān)理論知識(shí)復(fù)習(xí)，同時(shí)融入“雙碳”理念，基于理論知識(shí)進(jìn)行建模與仿真；“邊教邊練”指任課教師先通過主控電腦進(jìn)行案例講解，然后讓學(xué)生針對(duì)相同案例或類似案例進(jìn)行自主練習(xí)；“課后強(qiáng)化訓(xùn)練”指在課后以助力“雙碳”目標(biāo)的實(shí)際案例展開訓(xùn)練。整個(gè)教學(xué)過程應(yīng)基于“雙碳”目標(biāo)下的現(xiàn)代電力系統(tǒng)展開建模與仿真的教學(xué)[5]。

4.2 課程目標(biāo)達(dá)成度

采用該教學(xué)改革方法，學(xué)生普遍反映教學(xué)效果較好，課后調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖1 所示，可以看出絕大多數(shù)學(xué)生對(duì)改革后的教學(xué)方法比較滿意，課程目標(biāo)達(dá)成度均達(dá)到基本要求，且高于設(shè)定值0.7，說明90%以上的學(xué)生可以掌握基于“雙碳”目標(biāo)下的新型電力系統(tǒng)建模與仿真的方法與理論，對(duì)仿真軟件的操作比較熟練。

圖1 課程目標(biāo)達(dá)成度

5 結(jié)束語

1）基于“雙碳”目標(biāo)下新型電力系統(tǒng)的發(fā)展方向與需求，以電力系統(tǒng)建模與仿真課程為例，提出新的教學(xué)方法和思路。將提高課堂教學(xué)質(zhì)量、學(xué)生學(xué)習(xí)效果作為主要教學(xué)方向，使學(xué)生具有一定的“雙碳+”工程設(shè)計(jì)能力和思維，具備專業(yè)核心技術(shù)的實(shí)踐能力，從而達(dá)到促進(jìn)學(xué)生掌握前沿科技、培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、突出學(xué)生個(gè)性化發(fā)展的目的。

2）從理論教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)教材、教學(xué)方法、實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容以及考核方式五個(gè)方面展開電力系統(tǒng)建模與仿真課程教學(xué)改革研究，并將雙碳理念融入電力系統(tǒng)建模與仿真的教學(xué)全過程，激發(fā)學(xué)生對(duì)實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)的使命感和責(zé)任感。

3）在課程學(xué)習(xí)中讓學(xué)生體會(huì)到現(xiàn)代電力系統(tǒng)建模技術(shù)在含新能源電力系統(tǒng)、特高壓直流輸電、柔性直流輸電等領(lǐng)域中的應(yīng)用現(xiàn)狀，為促進(jìn)我國新能源消納，降低環(huán)境污染，提高電能質(zhì)量以及早日實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)提供一定指導(dǎo)。

4）課程教學(xué)改革基于“30?60 雙碳目標(biāo)”國家戰(zhàn)略，以培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考問題、獨(dú)立解決問題和自主創(chuàng)新的能力為目標(biāo)，通過理論與實(shí)踐結(jié)合，強(qiáng)調(diào)課程知識(shí)的系統(tǒng)性、雙碳性和實(shí)踐性。