张宏 王洪坤 赵咪 张岭 柴兆森 羊琴霞

石河子大学机械电气工程学院 新疆石河子 832000

0 引言

电力系统建模与仿真是电气工程及其自动化专业的必修实践课，是一门理论与应用相结合且重在实践应用的课程。该课程以高等数学、线性代数、电路、电力系统分析、继电保护原理、新能源发电技术等为基础，通过分析传统电力系统及新型电力系统的运行特性，建立对应数学模型，在此基础上，利用电力系统仿真软件搭建仿真模型，通过仿真进行研究。“双碳”目标的提出进一步促使能源结构变革不断深化，有助于化石能源大幅度转向新能源，同时给新型电力系统的规划、运行、控制、评估等提出更多挑战。然而，利用电力系统建模与仿真技术，可以在计算机上快速实现一个复杂新型电力系统的运行状态，通过模拟其动态行为，分析其配置是否合理、系统功能运行是否满足现代电网要求，从而为现代电力系统的规划设计、性能改善及优化运行提供决策依据。目前，电气工程领域的学术界和企业界均高度重视新型电力系统建模与仿真技术的研究与应用[1]。

该课程主要内容包括电力系统元件模型、电力系统潮流分析与仿真、电力系统故障暂态仿真以及机继电保护仿真等。通过该课程的学习，学生能够熟练掌握电力系统仿真软件的应用、电力系统主要模块的使用、建立电力系统仿真模型的步骤与方法以及使用仿真软件对相关电力系统问题进行简单分析与设计。教师在教学实践过程中需围绕两个目标展开：其一是研究，即具备对电气工程相关的复杂工程问题进行研究的基本能力，根据实验方案构建实验系统，对实验现象进行分析与解释，并通过信息综合得到合理有效的结论；其二是使用现代工具，即能够针对电气工程问题，选择与使用恰当的技术手段和现代工程工具与信息技术工具进行建模、预测与仿真，并在实践过程中领会理解相关工具的局限性。随着“双碳”目标的提出，将“双碳”目标理念融入电力系统建模与仿真课程中，使之成为集合“双碳”理论和现代电力系统的计算机仿真课程，对提高学生的创新实践能力具有重要意义[2]。因此，电力系统建模与仿真技术是今后电气工程领域人才的必备技能，学习这门课程有助于学生掌握电气工程领域建模与仿真的理论和方法。

1 双碳目标背景分析

21 世纪以来，受全球气候变化和环境污染治理形势影响，人类对发展生态友好、绿色低碳社会的需求不断提升，以“低碳化、无碳化”理念为核心的第四次能源革命在全球兴起，世界能源发展路径正由化石能源进入非化石能源、高碳能源进入低碳能源、低碳能源进入零碳能源的方向发展，人类将开启新的以低碳甚至无碳为主要特征的新能源时代。

2022 年1 月24 日，中共中央政治局就努力实现“双碳”目标进行第三十六次集体学习。习近平总书记就推进双碳工作指出，要加大力度规划建设以大型风光电基地为基础、以其周边清洁高效先进节能的煤电为支撑、以稳定安全可靠运行的特高压输变电线路为载体的新能源供给消纳体系；要把促进新能源和清洁能源发展放在更加突出的位置，积极有序发展光能源、硅能源、氢能源、可再生能源；要加快发展有规模、有效益的风能、太阳能、生物质能、地热能、海洋能、氢能等新能源，统筹水电开发和生态保护，积极安全有序发展核电。“十四五”时期是我国经济转型发展的关键期。在“双碳”目标驱动下，绿色发展是我国生态文明战略的必然选择，也是实现可持续发展的必由之路。生态环境是绿色发展的重要支撑，既为企业与个人带来新机遇和发展空间，也提出了新的挑战。高等院校要高举服务“双碳”目标大旗，聚焦新能源、能源互联网、储能与氢能、碳金融、碳管理等研究方向，深度服务双碳目标，全力打造清洁低碳能源领域创新策源地，持续引领学科专业转型、人才培养升级和科技创新发展，推动学校高质量发展不断提速增效。

2 教学改革思路

依托电力系统建模与仿真课程，通过典型案例、经典对话、讲座论坛等形式将“双碳”目标融入课堂教学中，完善、落实课程教学过程中助力实现双碳目标的教学体制，科学构建“双碳”目标融入电力系统建模与仿真实践教学的整体方案，合理选择“双碳”目标项目设置内容，精细设计碳达峰与碳中和的操作方案，强化课程教学过程中助力实现双碳目标的内容，将学生对如何实现“双碳”与“电力系统建模与仿真”相结合，构建科学、合理、乐观的指标体系，助力现代电力系统向清洁低碳发展，避免学生对课程的认知停留在传统电力系统，缺乏对行业的前瞻性认识，导致不能自主发现问题、思考问题和解决问题，从而使学校的人才培养质量无法满足社会的职业技术需求。

3 教学改革重点措施

3.1 理论教学内容改革

当下电力系统建模与仿真授课内容以传统电力系统的教学内容为基础，需增加新型电力系统的理论知识。此外，还需增加“双碳”背景下新型电力系统建模与仿真案例，如定速风电机组的仿真实例、双馈变速风电机组的仿真实例、光伏发电MPPT 仿真实例等，综合能源系统的建模与仿真。增加这些内容不仅可以使学生接触电气领域先进前沿知识、拓展学生的学识和眼界，还可丰富仿真教学内容，使学生对现代新型电力系统的建模与仿真的理解更加全面与透彻。

3.2 教学教材改革

目前，电力系统建模与仿真课程的教材多重理论、轻实践，极度缺乏实践指导环节的内容，且只有基于传统电力系统的建模与仿真，缺乏现代新型电力系统部分，不符合当前“双碳”目标的国家政策和理念。因此，编写一部适合“双碳”背景的教材很有必要。此外，原先教材只包含建立模型、简单仿真分析等内容，修改后加入高比例新能源电力系统建模与仿真实例的内容，对培养学生创新实践能力、逻辑思维以及提高学校人才培养质量具有战略性意义。教材主要章节如表1 所示。

表1 教材主要章节介绍表

3.3 教学方法改革

传统电力系统建模与仿真课程以在教室上课为主要形式，同时，分配少量学时的上机仿真实验。上课过程中，学生仅仅观摩老师操作，仿真实验时，学生被动且走马观花地进行仿真实验，缺乏实质性的思考与操作环节。修改后，教学环节全部在电力系统仿真实验室进行，上课过程边教边练，融入“双碳”思维，可以极大地提高学习效率和积极性，并配以多个设计性实践教学环节，从系统认识到系统仿真，全部通过学生自主查找文献、分析、设计，大幅培养学生自主学习的能力，突出学生的主体地位[3-4]。

3.4 实践教学内容改革

一方面，使学生系统了解和掌握双碳目标下现代电力系统领域丰富的专业知识及相关学科的工程基础知识，具备基本的工程素质和技能；另一方面，熟练运用电力系统仿真软件开发技术，较好地完成工程实践训练，具有含高比例新能源电力系统领域所需要的专业技能和职业能力，从而有效实现双碳目标，提高学生创新意识和创新能力。需增加的实践教学内容如表2 所示。

表2 实践教学内容

3.5 考核方式改革

该课程应以培养学生实践能力和掌握先进理论为教学目的，考核方式不应单纯依靠传统闭卷考试或者实验报告。改革后的考核方式应设定为一人一机的上机考核形式，考查以“双碳”背景下现代电力系统的建模和仿真为主。要求学生写出建模思路、算法设计等原理以及程序和仿真结果分析等。

4 教学改革推进过程与达成度

4.1 推进过程

推行“先理论后仿真、边教边练、课后强化训练”的教学方式。“先理论后仿真”指在教学过程中首先将有关理论知识复习，同时融入“双碳”理念，基于理论知识进行建模与仿真；“边教边练”指任课教师先通过主控电脑进行案例讲解，然后让学生针对相同案例或类似案例进行自主练习；“课后强化训练”指在课后以助力“双碳”目标的实际案例展开训练。整个教学过程应基于“双碳”目标下的现代电力系统展开建模与仿真的教学[5]。

4.2 课程目标达成度

采用该教学改革方法，学生普遍反映教学效果较好，课后调查统计结果如图1 所示，可以看出绝大多数学生对改革后的教学方法比较满意，课程目标达成度均达到基本要求，且高于设定值0.7，说明90%以上的学生可以掌握基于“双碳”目标下的新型电力系统建模与仿真的方法与理论，对仿真软件的操作比较熟练。

图1 课程目标达成度

5 结束语

1）基于“双碳”目标下新型电力系统的发展方向与需求，以电力系统建模与仿真课程为例，提出新的教学方法和思路。将提高课堂教学质量、学生学习效果作为主要教学方向，使学生具有一定的“双碳+”工程设计能力和思维，具备专业核心技术的实践能力，从而达到促进学生掌握前沿科技、培养学生自主学习、突出学生个性化发展的目的。

2）从理论教学内容、教学教材、教学方法、实践教学内容以及考核方式五个方面展开电力系统建模与仿真课程教学改革研究，并将双碳理念融入电力系统建模与仿真的教学全过程，激发学生对实现双碳目标的使命感和责任感。

3）在课程学习中让学生体会到现代电力系统建模技术在含新能源电力系统、特高压直流输电、柔性直流输电等领域中的应用现状，为促进我国新能源消纳，降低环境污染，提高电能质量以及早日实现双碳目标提供一定指导。

4）课程教学改革基于“30•60 双碳目标”国家战略，以培养学生独立思考问题、独立解决问题和自主创新的能力为目标，通过理论与实践结合，强调课程知识的系统性、双碳性和实践性。