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
［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
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10kV，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