雙碳目標下電力系統建模與仿真課程教學改革研究與實踐*

張宏 王洪坤 趙咪 張嶺 柴兆森 羊琴霞

石河子大學機械電氣工程學院 新疆石河子 832000

0 引言

電力系統建模與仿真是電氣工程及其自動化專業的必修實踐課，是一門理論與應用相結合且重在實踐應用的課程。該課程以高等數學、線性代數、電路、電力系統分析、繼電保護原理、新能源發電技術等為基礎，通過分析傳統電力系統及新型電力系統的運行特性，建立對應數學模型，在此基礎上，利用電力系統仿真軟件搭建仿真模型，通過仿真進行研究。“雙碳”目標的提出進一步促使能源結構變革不斷深化，有助于化石能源大幅度轉向新能源，同時給新型電力系統的規劃、運行、控制、評估等提出更多挑戰。然而，利用電力系統建模與仿真技術，可以在計算機上快速實現一個復雜新型電力系統的運行狀態，通過模擬其動態行為，分析其配置是否合理、系統功能運行是否滿足現代電網要求，從而為現代電力系統的規劃設計、性能改善及優化運行提供決策依據。目前，電氣工程領域的學術界和企業界均高度重視新型電力系統建模與仿真技術的研究與應用[1]。

該課程主要內容包括電力系統元件模型、電力系統潮流分析與仿真、電力系統故障暫態仿真以及機繼電保護仿真等。通過該課程的學習，學生能夠熟練掌握電力系統仿真軟件的應用、電力系統主要模塊的使用、建立電力系統仿真模型的步驟與方法以及使用仿真軟件對相關電力系統問題進行簡單分析與設計。教師在教學實踐過程中需圍繞兩個目標展開：其一是研究，即具備對電氣工程相關的復雜工程問題進行研究的基本能力，根據實驗方案構建實驗系統，對實驗現象進行分析與解釋，并通過信息綜合得到合理有效的結論；其二是使用現代工具，即能夠針對電氣工程問題，選擇與使用恰當的技術手段和現代工程工具與信息技術工具進行建模、預測與仿真，并在實踐過程中領會理解相關工具的局限性。隨著“雙碳”目標的提出，將“雙碳”目標理念融入電力系統建模與仿真課程中，使之成為集合“雙碳”理論和現代電力系統的計算機仿真課程，對提高學生的創新實踐能力具有重要意義[2]。因此，電力系統建模與仿真技術是今后電氣工程領域人才的必備技能，學習這門課程有助于學生掌握電氣工程領域建模與仿真的理論和方法。

1 雙碳目標背景分析

21 世紀以來，受全球氣候變化和環境污染治理形勢影響，人類對發展生態友好、綠色低碳社會的需求不斷提升，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，世界能源發展路徑正由化石能源進入非化石能源、高碳能源進入低碳能源、低碳能源進入零碳能源的方向發展，人類將開啟新的以低碳甚至無碳為主要特征的新能源時代。

2022 年1 月24 日，中共中央政治局就努力實現“雙碳”目標進行第三十六次集體學習。習近平總書記就推進雙碳工作指出，要加大力度規劃建設以大型風光電基地為基礎、以其周邊清潔高效先進節能的煤電為支撐、以穩定安全可靠運行的特高壓輸變電線路為載體的新能源供給消納體系；要把促進新能源和清潔能源發展放在更加突出的位置，積極有序發展光能源、硅能源、氫能源、可再生能源；要加快發展有規模、有效益的風能、太陽能、生物質能、地熱能、海洋能、氫能等新能源，統籌水電開發和生態保護，積極安全有序發展核電。“十四五”時期是我國經濟轉型發展的關鍵期。在“雙碳”目標驅動下，綠色發展是我國生態文明戰略的必然選擇，也是實現可持續發展的必由之路。生態環境是綠色發展的重要支撐，既為企業與個人帶來新機遇和發展空間，也提出了新的挑戰。高等院校要高舉服務“雙碳”目標大旗，聚焦新能源、能源互聯網、儲能與氫能、碳金融、碳管理等研究方向，深度服務雙碳目標，全力打造清潔低碳能源領域創新策源地，持續引領學科專業轉型、人才培養升級和科技創新發展，推動學校高質量發展不斷提速增效。

2 教學改革思路

依托電力系統建模與仿真課程，通過典型案例、經典對話、講座論壇等形式將“雙碳”目標融入課堂教學中，完善、落實課程教學過程中助力實現雙碳目標的教學體制，科學構建“雙碳”目標融入電力系統建模與仿真實踐教學的整體方案，合理選擇“雙碳”目標項目設置內容，精細設計碳達峰與碳中和的操作方案，強化課程教學過程中助力實現雙碳目標的內容，將學生對如何實現“雙碳”與“電力系統建模與仿真”相結合，構建科學、合理、樂觀的指標體系，助力現代電力系統向清潔低碳發展，避免學生對課程的認知停留在傳統電力系統，缺乏對行業的前瞻性認識，導致不能自主發現問題、思考問題和解決問題，從而使學校的人才培養質量無法滿足社會的職業技術需求。

3 教學改革重點措施

3.1 理論教學內容改革

當下電力系統建模與仿真授課內容以傳統電力系統的教學內容為基礎，需增加新型電力系統的理論知識。此外，還需增加“雙碳”背景下新型電力系統建模與仿真案例，如定速風電機組的仿真實例、雙饋變速風電機組的仿真實例、光伏發電MPPT 仿真實例等，綜合能源系統的建模與仿真。增加這些內容不僅可以使學生接觸電氣領域先進前沿知識、拓展學生的學識和眼界，還可豐富仿真教學內容，使學生對現代新型電力系統的建模與仿真的理解更加全面與透徹。

3.2 教學教材改革

目前，電力系統建模與仿真課程的教材多重理論、輕實踐，極度缺乏實踐指導環節的內容，且只有基于傳統電力系統的建模與仿真，缺乏現代新型電力系統部分，不符合當前“雙碳”目標的國家政策和理念。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、簡單仿真分析等內容，修改后加入高比例新能源電力系統建模與仿真實例的內容，對培養學生創新實踐能力、邏輯思維以及提高學校人才培養質量具有戰略性意義。教材主要章節如表1 所示。

表1 教材主要章節介紹表

3.3 教學方法改革

傳統電力系統建模與仿真課程以在教室上課為主要形式，同時，分配少量學時的上機仿真實驗。上課過程中，學生僅僅觀摩老師操作，仿真實驗時，學生被動且走馬觀花地進行仿真實驗，缺乏實質性的思考與操作環節。修改后，教學環節全部在電力系統仿真實驗室進行，上課過程邊教邊練，融入“雙碳”思維，可以極大地提高學習效率和積極性，并配以多個設計性實踐教學環節，從系統認識到系統仿真，全部通過學生自主查找文獻、分析、設計，大幅培養學生自主學習的能力，突出學生的主體地位[3-4]。

3.4 實踐教學內容改革

一方面，使學生系統了解和掌握雙碳目標下現代電力系統領域豐富的專業知識及相關學科的工程基礎知識，具備基本的工程素質和技能；另一方面，熟練運用電力系統仿真軟件開發技術，較好地完成工程實踐訓練，具有含高比例新能源電力系統領域所需要的專業技能和職業能力，從而有效實現雙碳目標，提高學生創新意識和創新能力。需增加的實踐教學內容如表2 所示。

表2 實踐教學內容

3.5 考核方式改革

該課程應以培養學生實踐能力和掌握先進理論為教學目的，考核方式不應單純依靠傳統閉卷考試或者實驗報告。改革后的考核方式應設定為一人一機的上機考核形式，考查以“雙碳”背景下現代電力系統的建模和仿真為主。要求學生寫出建模思路、算法設計等原理以及程序和仿真結果分析等。

4 教學改革推進過程與達成度

4.1 推進過程

推行“先理論后仿真、邊教邊練、課后強化訓練”的教學方式。“先理論后仿真”指在教學過程中首先將有關理論知識復習，同時融入“雙碳”理念，基于理論知識進行建模與仿真；“邊教邊練”指任課教師先通過主控電腦進行案例講解，然后讓學生針對相同案例或類似案例進行自主練習；“課后強化訓練”指在課后以助力“雙碳”目標的實際案例展開訓練。整個教學過程應基于“雙碳”目標下的現代電力系統展開建模與仿真的教學[5]。

4.2 課程目標達成度

采用該教學改革方法，學生普遍反映教學效果較好，課后調查統計結果如圖1 所示，可以看出絕大多數學生對改革后的教學方法比較滿意，課程目標達成度均達到基本要求，且高于設定值0.7，說明90%以上的學生可以掌握基于“雙碳”目標下的新型電力系統建模與仿真的方法與理論，對仿真軟件的操作比較熟練。

圖1 課程目標達成度

5 結束語

1）基于“雙碳”目標下新型電力系統的發展方向與需求，以電力系統建模與仿真課程為例，提出新的教學方法和思路。將提高課堂教學質量、學生學習效果作為主要教學方向，使學生具有一定的“雙碳+”工程設計能力和思維，具備專業核心技術的實踐能力，從而達到促進學生掌握前沿科技、培養學生自主學習、突出學生個性化發展的目的。

2）從理論教學內容、教學教材、教學方法、實踐教學內容以及考核方式五個方面展開電力系統建模與仿真課程教學改革研究，并將雙碳理念融入電力系統建模與仿真的教學全過程，激發學生對實現雙碳目標的使命感和責任感。

3）在課程學習中讓學生體會到現代電力系統建模技術在含新能源電力系統、特高壓直流輸電、柔性直流輸電等領域中的應用現狀，為促進我國新能源消納，降低環境污染，提高電能質量以及早日實現雙碳目標提供一定指導。

4）課程教學改革基于“30?60 雙碳目標”國家戰略，以培養學生獨立思考問題、獨立解決問題和自主創新的能力為目標，通過理論與實踐結合，強調課程知識的系統性、雙碳性和實踐性。