基于虚拟仿真技术的储能学科教学新形态

［摘 要］ 在“双碳”背景下，储能方向科学研究及人才培养迎来了新的发展机遇。南京工程学院2019年获教育部批准建設了储能科学与工程新专业，同时学院是江苏省内首批储能科学与工程建设高校。储能科学与工程专业在全国高校中都属于新开专业，各个学校都缺少好的教学和实践资源。为了完善储能专业课程体系，聚焦及提升注重实践的专业教学能力，学院推进建设了“储能规模化并网运行虚拟仿真”教学资源。虚拟仿真课程利用3D重构技术，一比一建设虚拟储能电站。在实践教学中可利用该虚拟仿真资源学习储能电站关键结构部件，运行特征以及运维检修技术，提升储能专业学生实践动手能力。

［关键词］ 储能科学与工程；虚拟仿真技术；实践教学；双碳

［作者简介］ 彭纪昌（1988—），男，江苏南京人，博士，南京工程学院智能电网产业技术研究院讲师，主要从事储能科学与工程研究。

［中图分类号］ G642.0［文献标识码］ A［文章编号］ 1674-9324（2023）17-0045-04［收稿日期］ 2022-12-13

引言

随着可再生能源、电动汽车、储能等新型电源和负荷快速发展，电力系统管理模式和运行方式面临变革，专业教学内容和实训环节需要引入行业前沿科技，不断升级，紧跟行业发展需求，把储能相关内容引入人才培养，有利于拓宽学生的视野，适应行业发展对人才的需求［1-4］。储能作为改变电力行业的关键技术之一，由于其具有源荷双特性，将直接改变电力系统的运行调度方式，促进可再生能源大规模消纳［5-7］。近年来，各地储能项目飞速发展，出现了共享储能、退役电池梯次利用等一系列技术革新及工程示范。储能方面的专业人才紧缺，亟待在课程教学和实训环节新增相关内容，丰富教学资源。

本课题基于电化学储能规模化并网调度实现调峰目标，针对不同类型新电池组承担调峰任务和退役旧电池组通过梯次利用承担调峰任务这两种场景，考虑电池投入时段、电池类型、每度电的建设成本和运维成本、场地需求等多类约束及优化组合策略，包含电力系统运行、需求侧响应、负荷曲线、储能装置特性、动力电池梯次利用、电力系统经济运行等多方面考核内容，融合控制、大数据、云平台、经济等多学科知识，契合新工科人才培养的理念，从实验教学层面促进多学科的交叉融合［8-10］。

一、储能科学与工程实践教学特征

储能科学与工程专业为我国大型储能电站、新能源发电站培养人才。在实际储能工程中储能规模化并网实验存在高压、多点以及和电网数据对接等多项条件限制，在实验室难以通过设备实现。以下特征是储能科学与工程实践教学中面临的主要硬件限制。

（一）储能存在高压易燃特性

实体电化学储能电池通过串并联构成储能单元，形成大电压和大电流，电压可达10 kV，电流可达 kA级别，学生在高电压、大电流的现场实验参与动手操作存在极大的安全隐患。现有电池主要为锂离子电池，受到撞击后，容易热失控，存在易燃易爆特性，影响实验室安全。

（二）难以展示储能规模化特点

本实验内容主要针对储能规模化参与电网调峰，储能电站的布点较多，并且需要与电网进行动态数据交互，同时反映常规电池和梯次利用电池构成储能电站性能、成本等差异，实现多类电池组数量、规模的任意组合，实验室难以完全实现。

由于储能实验的上述特征，实践教学中难以通过实验设备模拟真实储能运行场景。因此，我校通过虚拟仿真技术构建数字储能电站，同步设计了储能大数据云平台、大规模动力电池梯次利用、电力系统调度平台、电力系统潮流平衡等概念以及多平台交互协同。开发数据实时传输、体现真实运行场景的储能规模化并网的虚拟仿真实验，填补储能系统规模化并网实验教学的空白，提升学生对储能技术应用的直观理解，为高校和行业提供同领域仿真实验的经验和推广案例。

二、储能虚拟仿真实践教学设计

根据电力行业储能电站实际应用中能够利用功率平衡原理进行系统调频、调峰等功能，并根据电力行业运行导则，利用经济学原理进行现代电力系统储能汇聚利用、储能梯次利用进行规划设计的课程目标，本虚拟仿真实践教学资源可实现如下教学目的：通过储能电站规划设计实验，使学生掌握合理规划储能电站的原理及方法，深入理解储能电站运行特性及电站管理方法，建立多能互补的新型能源互联网思维，了解梯次电池循环利用趋势及储能电站中电池老化机理，探索采用不同类型电池的储能方案在建设成本及运行效益上的差别，从而在资源及环境保护多个层面形成退役电池梯次利用思维。实践教学模块设计如下。

（一）电池储能系统原理及典型应用结构模块

电池储能系统是一个利用采锂电池/铅电池作为能量储存载体，在一定时间内存储、供应电能的系统，电池储能系统提供电能具有平滑过渡、削峰填谷、调频调压等功能。

电池储能系统（如图1所示）包含储能电池组、DC-AC变换器、BMS电池管理系统、PCS储能变流器、EMS能源管理系统等部件。为了使学生较好了解储能电站构成，本课程搭建了镇江丹阳储能电站的全景模拟平台。学生可以自主学习储能电站各个部件，了解电网架构、电网调度等知识。实际应用中，电池储能系统可根据电压及容量等级分为低压小容量、中压大容量和高压超大容量等多种储能系统。

（二）储能电站梯次利用原理及性能评估模块

在理解储能系统原理及典型结构的基础上不难发现，储能系统设计评估中首先要进行储能元件的选型。通过对基于不同储能元件的特性进行学习，学生可以自主选择合适的储能元件进行储能系统的设计。

据此，该实验以上述3种主流储能电池为基础（如图2），在不同电力供需场景下，对储能电站建设方案进行设计仿真。当通过探究理解储能电池运行特性及运维特性后，学生可自主选择采用储能元件类型及储能元件数量完成储能电站的设计，形成满足负荷需求的储能系统完成削峰填谷；学生可重复储能电站设计实验，探索不同类似储能元件的适用范围，检验储能电站的应用效果。以此可以锻炼学生的应用型思维，提升其解决实际问题的能力。在可行性及经济性两个维度对设计方案进行评估，使学生能够了解储能电站建设的基本原理，同时建立梯次电池循环利用的可持续发展思维。

（三）容量配置计算方法模块

在储能电站规划建设时，需综合考虑建设经济性和建设场地条件等多个因素。本虚拟仿真项目提供两个典型的优化设计目标，学生在实验中可自主选择。（1）占地面积最小。在以储能电站占地面积最小为优化配置目标时，需选择能量密度和功率密度较高的储能元件完成储能电站的容量、功率需求。若储能电站的容量需求为CM，功率需求为QM。储能电站最大容纳集装箱个数为24，那么可以计算出，可选取的储能元件最小容量及功率为：

C_min＞C_M/24

Q_min＞Q_M/24

在满足功率需求条件下，单个集装箱的功率及容量越高，储能电站的场地需求越低。（2）建设成本最低。在以储能电站建设成本最低为优化配置目标时，应在满足储能电站功率及容量需求条件下，选取价格较低的梯次电池集装箱。若梯次电池B集装箱个数为M，梯次电池C集装箱个数为N。则M、N选取应满足：

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为电池B、C的额定容量与额定功率。

结语

虚拟仿真实验操作设计为全开放模式，不规定具体实验参数、步骤和结果，学生根据实验目的自己设计实验步骤，自主展开实验，通过探究给出实验过程、设计参数、相应结果以及规律性总结，具有充分的个性化和先进性。

（一）教学方法创新

采用虚实结合的教学方法，使难以在实验室呈现的储能电站全景、广域大规模分散式储能汇聚利用以及大规模动力电池梯次利用得以高真实度地展现在学生面前，突破了场地、地域以及安全性的限制，实验内容与相关课程内容高度匹配，很好地支撑了理论课程教学，达到了南京工程学院理实一体化教学改革的要求，符合本校高水平应用型人才培养的定位。

（二）评价体系创新

针对学生将来面向新一代电力系统（新能源发电、储能电站、电动汽车充电站）高安全性、高可靠性、智能型、互联性的要求，着重强调实验过程评价。根据实验过程中设备的使用、实验操作、实验方案设计等建立实验全过程数据记录，为学生参与的每个阶段的实践建立电子档案，跟踪学生各阶段实验成果，并为构成最终考核结果提供依据。

（三）对传统教学的延伸与拓展

在传统教学中，受设备条件的限制，只能提供一套演示性装置，学生只能听老师演示操作，无法自己动手做，更不能进行设计性实验。应用本项目的实验系统，能够实现2～3人一组实验（小组成员分工协作、讨论交流），自主设计的实验方案能够在本实验系统中得到验证。

参考文献

［1］聂晓华，刘一丹，彭亦伟.储能双向变流器控制建模与教学仿真［J］.实验室研究与探索，2022，41（4）：107-112.

［2］李娟，朱继平，严佳梦，等.浅析“储能材料与技术”课程思政教学［J］.广东化工，2021，48（15）：308-310.

［3］劉云花，邹树良，马先果.储能原理与技术课程教学探索［J］.山东化工，2021，50（6）：214-216.

［4］饶中浩，刘臣臻，霍宇涛，等.面向储能技术的跨学科拔尖创新人才培养教学实践与探索［J］.储能科学与技术，2021，10（3）：1206-1212.

［5］章学来，王迎辉.基于研究生创新能力培养的“储能技术”课程教学改革［J］.教育教学论坛，2020（43）：189-191.

［6］程传晓，张玉，张军，等.“储能原理及应用”课程教学改革创新与实践［J］.科技视界，2016（26）：32-24.

［7］赵萌，杜平，赵天骄，等.基于实践教学的立式飞轮储能装置设计应用［J］.机电工程技术，2022，51（9）：10-14.

［8］杜晓圆，宁永香，陈胜华.新建地方应用型本科院校测绘工程虚拟仿真教学模式探索：以山西工程技术学院为例［J］.创新创业理论研究与实践，2022，5（21）：137-140.

［9］王宏志.虚拟仿真教学在职技高师“汽车构造”教学中的应用探究［J］.吉林工程技术师范学院学报，2022，38（9）：44-47.

［10］党威武.“智能检测技术”的虚拟仿真教学实训中心建设策略研究［J］.微型电脑应用，2022，38（9）：56-58.

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