超前谋划，聚焦“双碳”背景下的储能安全
国网江苏经研院持续打造镇江储能电站、苏州昆山储能电站、南京江北梯次电站等多个当时世界规模最大的电网侧储能项目。国网江苏经研院储能设计团队在储能相关技术上取得了授权发明专利10项。由国网江苏经研院承担设计的苏州昆山储能电站正式投运。
对新能源和可再生能源的研究和开发，寻求提高能源利用率的先进方法，已成为全球共同关注的首要问题。对中国这样一个能源生产和消费大国来说，在“碳达峰、碳中和”战略提出的背景下，既有节能减排的需求，也有能源增长以支撑经济发展的需要，这就需要找到一条绿色低碳的能源技术转型之路。在第十届储能国际峰会上，中国能源研究会理事长史玉波指出，随着国家将储能产业发展和技术应用纳入国家能源发展战略，储能已成为能源互联和智能化体系下不可缺少的一部分。面对未来大规模新能源接入和消纳，储能与新能源发展、电力系统协调优化运行，已成为实现“双碳”目标的必由之路。
储能电站的建设，可以提供紧急控制、系统调峰、系统调频、备用、新能源跟随、电压控制等功能，能够产生替代“源网荷储”系统升级投资、减少满足尖峰负荷的系统建设投资、提升可再生能源发电占比的直接和间接效益，是“双碳”目标下推动新能源转型的有力选择。
“十三五”以来，国网江苏经研院持续打造镇江储能电站、苏州昆山储能电站、南京江北梯次电站等多个当时世界规模最大的电网侧储能项目，并率先开展储能电站防火研究、电池梯级利用研究等储能前沿科技攻关与项目应用研究，为推动江苏储能行业的发展画出了点睛之笔。
一鸣惊人，走在储能电站建设最前沿
电能，作为清洁的二次能源，在以往技术还不发达的时期是无法大量存储的，只能够即发即用。随着电网侧储能的大规模落地，传统电网规划、设计、运维和调度“万年不变”的运行模式正在逐渐被改变。
2018年7月18日，随着江苏镇江东部电网侧储能项目8个子站中的最后一座--北山站成功投运并网，标志着当时国内功率最高、容量最大的电网侧储能项目全面建成。值得一提的是，这8个子站中的北山、新坝、长旺、大港、建山5座子站，全部是由当时成立才6年的国网江苏经研院总承包建设的。
“储能电站就像一个超大容量的'充电宝’，在用电低谷时当做用电负荷充满电力，在用电高峰时可以作为发电电源释放电力，有效填补电力缺口，最大限度地保障生产生活用电。”国网江苏经研院发展科技部主任王庭华介绍。
据测算，在2018年夏季用电高峰仅镇江东部就存在22万千瓦左右的电力缺口，针对用电现状，国网江苏经研院在省电力公司的委托下紧急设计并建成了这座储能电站工程。根据经研院的计算，该工程可以在不新建发电厂的情况下，为镇江每天多提供40万千瓦时的电力供应，足以满足当地17万居民的生活用电。
此外，镇江储能电站在建成后不久便成功接入了江苏省电力有限公司建设的“大规模的源网荷储友好互动系统”，升级为“源网荷储”系统，将电源、电网、用户以及储能有机结合，相互配合，实现了最大280万千瓦毫秒级的负荷响应能力，为江苏大电网安全运行上了一道“保险锁”。
由于在中国乃至世界储能发展史上的示范引领作用。2019年5月18日，在第八届储能国际峰会上，镇江电网侧储能电站工程荣获2019年度储能应用特别贡献奖，被评为2019年储能十大应用创新典范第一名，并于同年被中国能源报评为“中国城市能源变革十大样板工程”。
硕果累累，打造勇于创新的设计团队
2020年8月14日，由国网江苏经研院承担设计的苏州昆山储能电站正式投运，再次刷新了全球单体规模最大的电网侧电化学单体储能电站的记录。
2年时间，2座世界第一的变电站，这背后，是国网江苏经研院储能设计团队20余位员工几年来锲而不舍的奉献与付出。
2018年8月，在镇江储能电站建成1个月之后，为了规范和优化电网侧储能设计，总结镇江储能电站设计的缺陷和不足，时任国网江苏经研院设计中心副主任的李妍带领着储能项目团队集中力量开展电网侧储能电站典型设计的编制。与此同时，第二批电网储能电站的设计任务也下发了下来，为了能够在实践中锻炼团队，经研院储能项目团队主动承揽了8个储能电站的设计工作，其中就包括规模达110.88兆瓦/196.4兆瓦时的苏州昆山储能电站。
“苏州是江苏电网重要的负荷中心，2018年整个苏州的用电量就高达1562.5亿千瓦时，相当于三峡电站全年发电量的1.5倍。”李妍介绍。“为了满足本地用电负荷的快速增长，苏州引入了大量区外来电，但这种模式在特定情况下会造成大功率缺额，将严重影响苏州电网的安全稳定运行。因此在苏州昆山地区建设大容量储能电站，能够保障电网运行安全，增强电网事故应急响应能力，同时为促进全省新能源消纳提供了新的途径。”
与镇江储能电站的“分散式布置、集中式控制”设计不同的是，苏州昆山储能电站的电池舱需要布置在同一场地。“昆山储能电站一次放电量相当于130个家庭一整年的用电量，设计规模在世界上尚属首次。我们面临的问题是如何解决百兆瓦级储能电站设备数量大、种类多、土地资源利用率不高，火灾安防风险加大，以及精准调控难度大这三个技术难点。”李妍说。
为了确保设计万无一失，国网江苏经研院迅速组建了新的储能设计专项团队，第一时间赴苏州地区开展实地踏勘考察。“苏州地区经济发达，土地资源宝贵，我们想到可以利用已经退役的昆山220千伏变电站来建设储能电站。同时，我们还将常规储能电站中采用的电池舱间隔3米布置方式改为背靠背、中间夹防火墙的紧凑式布置方式，并采用大容量、大功率的储能单元设备以减少场地变压器数量，这样有效节约占地近20%，节约投资约3200万元。”国网江苏经研院储能设计团队成员王俊说。
在储能电站的安全防护方面，考虑到电池舱安全和电池防爆的因素，经研院储能设计团队经过技术攻关和专题研究，采用了相较于传统三元锂电池更为安全的磷酸铁锂电池作为昆山储能电站的电池设备。此外，在平面布置上，经研院储能设计团队提出增加防火墙，将事故范围限定在两组电池舱内，并在舱内采用气体消防 高压细水雾的消防方案，有效减小了火灾发生的概率以及发生后造成的危害。
“昆山储能电站功率/容量调控复杂，精准调控难度很大。我们经过和厂家、科研院所等多个单位的沟通与交流，最终优化了储能电站的监控系统和协调控制与能量管理方式的设计，大幅提升了储能站的毫秒级响应能力。可以说，昆山储能站相较于普通的储能电站来说，运行安全性和灵活性都有了极大的提升。”国网江苏经研院储能设计团队成员诸晓骏介绍。
依托镇江储能项目、苏州昆山储能项目、南京江北梯次电站等“明星”工程的设计和建设经验，国网江苏经研院储能设计团队迅速掌握了储能设计和研究的核心竞争力。编制首个电网侧储能模块化设计方案；出版国内首部《电化学储能电站典型设计》；牵头开展国网指南项目研究《电网侧规模化电化学储能应用关键技术及工程示范》并获国网科技进步一等奖；参与编订企标《电网侧储能系统规划技术导则》......2018年以来，国网江苏经研院储能设计团队在储能相关技术上取得了授权发明专利10项，发布国家标准1项、行业标准2项、国网公司企业标准8项，发表论文35篇，取得软件著作权4项的骄人成绩。
超前谋划，聚焦“双碳”背景下的储能安全
中央财经委员会第九次会议指出，要构建以新能源为主体的新型电力系统，这是实现“双碳”目标的一个关键。新能源具有随机性、波动性、间歇性特点，与现有电力系统电力-电量”时空瞬态平衡的物理特性相冲突，必须匹配充足的灵活调节资源才能保障整个电力系统安全稳定运行，这主要依靠以火电、水电为主的各类调峰调频资源以及各类储能资源，二者互为支撑、缺一不可。
国网江苏经研院的研究表明，为顺利推进“十四五”期间江苏“双碳”目标落地，同时满足电网毫秒级响应需求，“十四五”期间江苏仍需再新增以电网侧储能为主的65万千瓦储能系统接入江苏“源网荷储”系统。此外，“十四五”期间江苏电网供电压力将会继续增大，为缓解电网供电压力、提升新能源消纳占比、保障电网运行安全，需要配置300~400万千瓦的电源侧储能和一定比例的用户侧储能。
因此，“十四五”期间江苏建设一定规模的储能系统，可在保障电网安全、减少满足尖峰负荷的系统建设投资、提供系统运行效率、促进节能减排等方面发挥良好效益。同时，可促进我国储能技术发展，提高我国储能技术的国际竞争力，对于推动江苏及我国储能产业链发展，加速江苏“双碳”落地进程起到积极的推动作用。
电化学储能，是目前全球应用范围第二广的储能形式，也是未来储能发展的重要技术路线之一。国网江苏省电力有限公司是我国电网侧电化学储能的领军者，在全国率先开展电化学储能规模化应用，目前全省已投运电化学储能项目总规模为227兆瓦/422兆瓦时，在省级电网中居全国首位。
储能的规模上去了，安全运行问题也随之而来。相关数据显示，江苏全省95%的电网侧电化学储能电站均采用锂电池（磷酸铁锂电池）技术，这种技术在储能电站常规运行时十分安全。不过，由于电池本体、运行环境和管理模式等或多或少存在缺陷，往往会在高温、撞击等特殊情况下出现异常反应。
“从实际数据来看，2020年全世界发生储能电站火灾就超过30起。普通储能电站的电池舱在发生火灾时会出现常规烟感、温感探测器告警滞后，有导致漏报的可能，而目前应用较多的七氟丙烷等气体灭火系统剂量配置有限，无法持续喷射降温和抑制电池火灾复燃，这可能造成储能电站产生更大范围的火灾。所以，对于储能电站进行合理可靠的消防设计十分必要。”国网江苏经研院设计中心综合能源服务室专职张群介绍。
为了最大程度地保障储能电站的安全稳定运行，2018年9月，国网江苏经研院在接到省公司委托的江苏省第二批次电网侧电化学储能电站设计任务时，便开始着手牵头研究电化学储能电站的消防设计。
“我们的目标是建立起储能系统安全防护体系，并形成一套规模化储能电站的消防典型设计。”国网江苏经研院设计中心土建室员工、储能消防技术专家吴静云介绍。“结合苏州昆山储能电站、淮安官塘储能电站等江苏第二批次储能电站的设计实践，我们在国内外首次系统性地提出了预制舱式磷酸铁锂电池储能电站的消防技术方案，并整理发布了国内外首个规模化储能电站的消防技术标准。”
在国网江苏省电力公司安监部的统一指导下，国网江苏经研院还与应急管理部天津消防研究所等储能消防领域一流团队一起共同开展了磷酸铁锂电池热失控机理、电池缺陷预判、电池灭火技术和电站防火设计四个方面的实战研究。
经过总计58次的电池实体火灾模拟试验验证，经研院等单位揭示了磷酸铁锂电池在不同热失控情况下的反应规律，并从事前、事中和事后三个层次构建了电化学储能电站电池缺陷预判、可燃气体探测预警及联动控制、主动式分区布置的站区防护等五级安全防护体系，形成了完善的储能电站火灾响应策略。目前，上述成果均已在苏州昆山储能电站等江苏省第二批电网侧储能电站工程中得到全面应用。