導語：對新能源和可再生能源的研究和開發(fā)，尋求提高能源利用率的先進方法，已成為全球共同關注的首要問題。對中國這樣一個能源生產和消費大國來說，在“碳達峰、碳中和”戰(zhàn)略提出的背景下，既有節(jié)能減排的需求，也有能源增長以支撐經濟發(fā)展的需要，這就需要找到一條綠色低碳的能源技術轉型之路。在第十屆儲能國際峰會上，中國能源研究會理事長史玉波指出，隨著國家將儲能產業(yè)發(fā)展和技術應用納入國家能源發(fā)展戰(zhàn)略，儲能已成為能源互聯(lián)和智能化體系下不可缺少的一部分。面對未來大規(guī)模新能源接入和消納，儲能與新能源發(fā)展、電力系統(tǒng)協(xié)調優(yōu)化運行，已成為實現(xiàn)“雙碳”目標的必由之路。
儲能電站的建設，可以提供緊急控制、系統(tǒng)調峰、系統(tǒng)調頻、備用、新能源跟隨、電壓控制等功能，能夠產生替代“源網荷儲”系統(tǒng)升級投資、減少滿足尖峰負荷的系統(tǒng)建設投資、提升可再生能源發(fā)電占比的直接和間接效益，是“雙碳”目標下推動新能源轉型的有力選擇。
“十三五”以來，國網江蘇經研院持續(xù)打造鎮(zhèn)江儲能電站、蘇州昆山儲能電站、南京江北梯次電站等多個當時世界規(guī)模最大的電網側儲能項目，并率先開展儲能電站防火研究、電池梯級利用研究等儲能前沿科技攻關與項目應用研究，為推動江蘇儲能行業(yè)的發(fā)展畫出了點睛之筆。
一鳴驚人，走在儲能電站建設最前沿
電能，作為清潔的二次能源，在以往技術還不發(fā)達的時期是無法大量存儲的，只能夠即發(fā)即用。隨著電網側儲能的大規(guī)模落地，傳統(tǒng)電網規(guī)劃、設計、運維和調度“萬年不變”的運行模式正在逐漸被改變。
2018年7月18日，隨著江蘇鎮(zhèn)江東部電網側儲能項目8個子站中的最后一座--北山站成功投運并網，標志著當時國內功率最高、容量最大的電網側儲能項目全面建成。值得一提的是，這8個子站中的北山、新壩、長旺、大港、建山5座子站，全部是由當時成立才6年的國網江蘇經研院總承包建設的。
“儲能電站就像一個超大容量的‘充電寶’，在用電低谷時當做用電負荷充滿電力，在用電高峰時可以作為發(fā)電電源釋放電力，有效填補電力缺口，最大限度地保障生產生活用電。”國網江蘇經研院發(fā)展科技部主任王庭華介紹。
據(jù)測算，在2018年夏季用電高峰僅鎮(zhèn)江東部就存在22萬千瓦左右的電力缺口，針對用電現(xiàn)狀，國網江蘇經研院在省電力公司的委托下緊急設計并建成了這座儲能電站工程。根據(jù)經研院的計算，該工程可以在不新建發(fā)電廠的情況下，為鎮(zhèn)江每天多提供40萬千瓦時的電力供應，足以滿足當?shù)?7萬居民的生活用電。
此外，鎮(zhèn)江儲能電站在建成后不久便成功接入了江蘇省電力有限公司建設的“大規(guī)模的源網荷儲友好互動系統(tǒng)”，升級為“源網荷儲”系統(tǒng)，將電源、電網、用戶以及儲能有機結合，相互配合，實現(xiàn)了最大280萬千瓦毫秒級的負荷響應能力，為江蘇大電網安全運行上了一道“保險鎖”。
由于在中國乃至世界儲能發(fā)展史上的示范引領作用。2019年5月18日，在第八屆儲能國際峰會上，鎮(zhèn)江電網側儲能電站工程榮獲2019年度儲能應用特別貢獻獎，被評為2019年儲能十大應用創(chuàng)新典范第一名，并于同年被中國能源報評為“中國城市能源變革十大樣板工程”。
碩果累累，打造勇于創(chuàng)新的設計團隊
2020年8月14日，由國網江蘇經研院承擔設計的蘇州昆山儲能電站正式投運，再次刷新了全球單體規(guī)模最大的電網側電化學單體儲能電站的記錄。
2年時間，2座世界第一的變電站，這背后，是國網江蘇經研院儲能設計團隊20余位員工幾年來鍥而不舍的奉獻與付出。
2018年8月，在鎮(zhèn)江儲能電站建成1個月之后，為了規(guī)范和優(yōu)化電網側儲能設計，總結鎮(zhèn)江儲能電站設計的缺陷和不足，時任國網江蘇經研院設計中心副主任的李妍帶領著儲能項目團隊集中力量開展電網側儲能電站典型設計的編制。與此同時，第二批電網儲能電站的設計任務也下發(fā)了下來，為了能夠在實踐中鍛煉團隊，經研院儲能項目團隊主動承攬了8個儲能電站的設計工作，其中就包括規(guī)模達110.88兆瓦/196.4兆瓦時的蘇州昆山儲能電站。
“蘇州是江蘇電網重要的負荷中心，2018年整個蘇州的用電量就高達1562.5億千瓦時，相當于三峽電站全年發(fā)電量的1.5倍。”李妍介紹。“為了滿足本地用電負荷的快速增長，蘇州引入了大量區(qū)外來電，但這種模式在特定情況下會造成大功率缺額，將嚴重影響蘇州電網的安全穩(wěn)定運行。因此在蘇州昆山地區(qū)建設大容量儲能電站，能夠保障電網運行安全，增強電網事故應急響應能力，同時為促進全省新能源消納提供了新的途徑。”
與鎮(zhèn)江儲能電站的“分散式布置、集中式控制”設計不同的是，蘇州昆山儲能電站的電池艙需要布置在同一場地。“昆山儲能電站一次放電量相當于130個家庭一整年的用電量，設計規(guī)模在世界上尚屬首次。我們面臨的問題是如何解決百兆瓦級儲能電站設備數(shù)量大、種類多、土地資源利用率不高，火災安防風險加大，以及精準調控難度大這三個技術難點。”李妍說。
為了確保設計萬無一失，國網江蘇經研院迅速組建了新的儲能設計專項團隊，第一時間赴蘇州地區(qū)開展實地踏勘考察。“蘇州地區(qū)經濟發(fā)達，土地資源寶貴，我們想到可以利用已經退役的昆山220千伏變電站來建設儲能電站。同時，我們還將常規(guī)儲能電站中采用的電池艙間隔3米布置方式改為背靠背、中間夾防火墻的緊湊式布置方式，并采用大容量、大功率的儲能單元設備以減少場地變壓器數(shù)量，這樣有效節(jié)約占地近20%，節(jié)約投資約3200萬元。”國網江蘇經研院儲能設計團隊成員王俊說。
在儲能電站的安全防護方面，考慮到電池艙安全和電池防爆的因素，經研院儲能設計團隊經過技術攻關和專題研究，采用了相較于傳統(tǒng)三元鋰電池更為安全的磷酸鐵鋰電池作為昆山儲能電站的電池設備。此外，在平面布置上，經研院儲能設計團隊提出增加防火墻，將事故范圍限定在兩組電池艙內，并在艙內采用氣體消防+高壓細水霧的消防方案，有效減小了火災發(fā)生的概率以及發(fā)生后造成的危害。
“昆山儲能電站功率/容量調控復雜，精準調控難度很大。我們經過和廠家、科研院所等多個單位的溝通與交流，最終優(yōu)化了儲能電站的監(jiān)控系統(tǒng)和協(xié)調控制與能量管理方式的設計，大幅提升了儲能站的毫秒級響應能力?？梢哉f，昆山儲能站相較于普通的儲能電站來說，運行安全性和靈活性都有了極大的提升。”國網江蘇經研院儲能設計團隊成員諸曉駿介紹。
依托鎮(zhèn)江儲能項目、蘇州昆山儲能項目、南京江北梯次電站等“明星”工程的設計和建設經驗，國網江蘇經研院儲能設計團隊迅速掌握了儲能設計和研究的核心競爭力。編制首個電網側儲能模塊化設計方案；出版國內首部《電化學儲能電站典型設計》；牽頭開展國網指南項目研究《電網側規(guī)?；娀瘜W儲能應用關鍵技術及工程示范》并獲國網科技進步一等獎；參與編訂企標《電網側儲能系統(tǒng)規(guī)劃技術導則》......2018年以來，國網江蘇經研院儲能設計團隊在儲能相關技術上取得了授權發(fā)明專利10項，發(fā)布國家標準1項、行業(yè)標準2項、國網公司企業(yè)標準8項，發(fā)表論文35篇，取得軟件著作權4項的驕人成績。
超前謀劃，聚焦“雙碳”背景下的儲能安全
中央財經委員會第九次會議指出，要構建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，這是實現(xiàn)“雙碳”目標的一個關鍵。新能源具有隨機性、波動性、間歇性特點，與現(xiàn)有電力系統(tǒng)電力-電量”時空瞬態(tài)平衡的物理特性相沖突，必須匹配充足的靈活調節(jié)資源才能保障整個電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，這主要依靠以火電、水電為主的各類調峰調頻資源以及各類儲能資源，二者互為支撐、缺一不可。
國網江蘇經研院的研究表明，為順利推進“十四五”期間江蘇“雙碳”目標落地，同時滿足電網毫秒級響應需求，“十四五”期間江蘇仍需再新增以電網側儲能為主的65萬千瓦儲能系統(tǒng)接入江蘇“源網荷儲”系統(tǒng)。此外，“十四五”期間江蘇電網供電壓力將會繼續(xù)增大，為緩解電網供電壓力、提升新能源消納占比、保障電網運行安全，需要配置300~400萬千瓦的電源側儲能和一定比例的用戶側儲能。
因此，“十四五”期間江蘇建設一定規(guī)模的儲能系統(tǒng)，可在保障電網安全、減少滿足尖峰負荷的系統(tǒng)建設投資、提供系統(tǒng)運行效率、促進節(jié)能減排等方面發(fā)揮良好效益。同時，可促進我國儲能技術發(fā)展，提高我國儲能技術的國際競爭力，對于推動江蘇及我國儲能產業(yè)鏈發(fā)展，加速江蘇“雙碳”落地進程起到積極的推動作用。
電化學儲能，是目前全球應用范圍第二廣的儲能形式，也是未來儲能發(fā)展的重要技術路線之一。國網江蘇省電力有限公司是我國電網側電化學儲能的領軍者，在全國率先開展電化學儲能規(guī)?；瘧茫壳叭∫淹哆\電化學儲能項目總規(guī)模為227兆瓦/422兆瓦時，在省級電網中居全國首位。
儲能的規(guī)模上去了，安全運行問題也隨之而來。相關數(shù)據(jù)顯示，江蘇全省95%的電網側電化學儲能電站均采用鋰電池（磷酸鐵鋰電池）技術，這種技術在儲能電站常規(guī)運行時十分安全。不過，由于電池本體、運行環(huán)境和管理模式等或多或少存在缺陷，往往會在高溫、撞擊等特殊情況下出現(xiàn)異常反應。
“從實際數(shù)據(jù)來看，2020年全世界發(fā)生儲能電站火災就超過30起。普通儲能電站的電池艙在發(fā)生火災時會出現(xiàn)常規(guī)煙感、溫感探測器告警滯后，有導致漏報的可能，而目前應用較多的七氟丙烷等氣體滅火系統(tǒng)劑量配置有限，無法持續(xù)噴射降溫和抑制電池火災復燃，這可能造成儲能電站產生更大范圍的火災。所以，對于儲能電站進行合理可靠的消防設計十分必要。”國網江蘇經研院設計中心綜合能源服務室專職張群介紹。
為了最大程度地保障儲能電站的安全穩(wěn)定運行，2018年9月，國網江蘇經研院在接到省公司委托的江蘇省第二批次電網側電化學儲能電站設計任務時，便開始著手牽頭研究電化學儲能電站的消防設計。
“我們的目標是建立起儲能系統(tǒng)安全防護體系，并形成一套規(guī)?；瘍δ茈娬镜南赖湫驮O計。”國網江蘇經研院設計中心土建室員工、儲能消防技術專家吳靜云介紹。“結合蘇州昆山儲能電站、淮安官塘儲能電站等江蘇第二批次儲能電站的設計實踐，我們在國內外首次系統(tǒng)性地提出了預制艙式磷酸鐵鋰電池儲能電站的消防技術方案，并整理發(fā)布了國內外首個規(guī)?；瘍δ茈娬镜南兰夹g標準。”
在國網江蘇省電力公司安監(jiān)部的統(tǒng)一指導下，國網江蘇經研院還與應急管理部天津消防研究所等儲能消防領域一流團隊一起共同開展了磷酸鐵鋰電池熱失控機理、電池缺陷預判、電池滅火技術和電站防火設計四個方面的實戰(zhàn)研究。
經過總計58次的電池實體火災模擬試驗驗證，經研院等單位揭示了磷酸鐵鋰電池在不同熱失控情況下的反應規(guī)律，并從事前、事中和事后三個層次構建了電化學儲能電站電池缺陷預判、可燃氣體探測預警及聯(lián)動控制、主動式分區(qū)布置的站區(qū)防護等五級安全防護體系，形成了完善的儲能電站火災響應策略。目前，上述成果均已在蘇州昆山儲能電站等江蘇省第二批電網側儲能電站工程中得到全面應用。
原標題：立足“雙碳”目標，攻堅儲能安防
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