兗礦能源下屬某煤礦公司是一大型煤炭生產(chǎn)企業(yè)，礦井內(nèi)生產(chǎn)設(shè)備種類多，數(shù)量大。該煤礦供電電源兩回路均來同一變電所，三回路來自礦內(nèi)自建電廠（現(xiàn)已停止供電）。雖煤礦采用雙回路供電方式，但仍無法保證不會出現(xiàn)全礦失電的狀況。在煤礦用電設(shè)備之中，主通風(fēng)機、主排水泵和副井提升機的安全可靠性和運行持續(xù)性尤其重要，主通風(fēng)機如果停機時間過長會導(dǎo)致井下氧氣不足，瓦斯含量超標(biāo)；主排水泵如果停機時間過長，會導(dǎo)致井下地下水淹沒礦井；最重要的是副井提升機，如果副井提升機一旦停運會導(dǎo)致井下人員無法升井，失電還會影響其他重要一級負荷的用電設(shè)備，因此礦井長時間失電存在極大的安全隱患，對井下人員的人身安全造成不可預(yù)估的危害。為了滿足煤礦應(yīng)急供電的需求，兗礦能源對下屬的3個煤礦配置了一臺可移動柴油發(fā)電應(yīng)急供電車。但由于失電往往發(fā)生在極端惡劣天氣，移動供電車響應(yīng)不及時影響供電安全。同時提升機在下放時會產(chǎn)生能量回饋，易導(dǎo)致柴油發(fā)電系統(tǒng)故障。鑒于上述問題，該煤礦最終引入高壓級聯(lián)應(yīng)急儲能供電系統(tǒng)，以滿足了現(xiàn)場供電需求。

1煤礦現(xiàn)場供電特點及應(yīng)急供電需求

1.1現(xiàn)場供電回路

煤礦供電系統(tǒng)如圖1所示，1號和2號主變皆為35 kV/6 kV20 MVA降壓變壓器，3號主變?yōu)樵越姀S變壓器，處于停用狀態(tài)。1號和2號主變低壓側(cè)分別為I段和II段母線，母線通過母聯(lián)開關(guān)連接。本次引入高壓級聯(lián)應(yīng)急儲能供電系統(tǒng)主要滿足I段母線的扇風(fēng)機和提升機以及照明應(yīng)急供電需求。

圖1 煤礦供電系統(tǒng)

1.2負荷供電需求分析

副井提升系統(tǒng)概況：提升機系統(tǒng)連接在I段母線上，通過6 kV/690 V2MVA降壓變壓器連接雙罐直流電機。 整個副井提升系統(tǒng)包括雙罐直流電機1 260 kW，2臺電機風(fēng)機8 kW； 潤滑泵站5 kW； 液壓站8 kW； 控制系統(tǒng)等部件約10 kW； 上位機2臺約1.5 kW，照明約1.5 kW，上井口操車18.5 kW，下井口操車15 kW，副井電梯20 kW，要使副井雙罐實現(xiàn)正常提升運轉(zhuǎn)，需要占用1 350 kW。

風(fēng)機系統(tǒng)概述：6 kV風(fēng)機直連I段母線，西風(fēng)井扇風(fēng)機主電機630 kW，1臺液壓站5.5 kW，照明燈1.5 kW，上位機3 kW，風(fēng)門執(zhí)行器等附屬設(shè)備10 kW，要使西風(fēng)井備用扇風(fēng)機實現(xiàn)正常提升運轉(zhuǎn)，至少需要占用650 kW負荷。

通過現(xiàn)場負荷及客戶需求分析，應(yīng)急儲能系統(tǒng)應(yīng)滿足以下要求：

（1）應(yīng)急供電系統(tǒng)配置功率不低于應(yīng)急需求的1.5倍，即不少于3 MW容量；

（2）副井提升機變壓器無緩沖電路直接合閘會造成6~10倍額定電流沖擊；

（3）儲能系統(tǒng)分為2臺，可并聯(lián)運行也可一備一用，且單臺也能滿足負荷需求。

2級聯(lián)應(yīng)急儲能供電系統(tǒng)特點及優(yōu)勢

圖2 級聯(lián)應(yīng)急儲能供電系統(tǒng)

圖2為級聯(lián)儲能應(yīng)急儲能供電系統(tǒng)，該裝置基于CHB拓撲。 該系統(tǒng)通過隔離刀閘與6 kV三相電網(wǎng)進行電氣連接，之后是受控的三相交流接觸器。 與交流接觸器并聯(lián)的為交流緩沖電阻，起到限制與電網(wǎng)電氣連接的瞬間電流沖擊的作用。 接觸器和緩沖電路之后為并網(wǎng)電抗，電抗器雖然不能徹底濾除開關(guān)諧波電流，但對諧波具有阻尼作用。 并網(wǎng)電抗器之后為三相級聯(lián)式H橋結(jié)構(gòu)，每相由級聯(lián)功率單元組成，該功率單元標(biāo)配旁路接觸器，可實現(xiàn)自動冗余。 級聯(lián)功率單元與電池簇連接，電池電壓范圍為600~1 000 V。 同時該裝置采用全數(shù)字化主控箱，與功率單元直接采用并行光纖通信，起到電氣隔離并提高通信抗干擾能力的作用。

從技術(shù)上講，高壓級聯(lián)應(yīng)急儲能供電系統(tǒng)如下優(yōu)勢：

（1）并離網(wǎng)、四象限運行

該產(chǎn)品具有并網(wǎng)和離網(wǎng)運行2種功能，并網(wǎng)時可作為儲能系統(tǒng)進行削峰填谷和峰谷套利，離網(wǎng)運行時可作為應(yīng)急電源使用，滿足關(guān)鍵負荷供電。 同時相比于柴油發(fā)電系統(tǒng)，該產(chǎn)品可實現(xiàn)有功無功四象限運行，可實現(xiàn)電機類負荷的能量回饋，達到節(jié)能減排的效果。

（2）電能質(zhì)量高

級聯(lián)產(chǎn)品采用載波移相技術(shù)可以提高電能質(zhì)量，降低電網(wǎng)公司對裝置的考核壓力。

（3）鋰電池儲能

電池采用磷酸鐵鋰電芯，安全度高。 電池組包含電池管理系統(tǒng)（BMS），可進行電芯級別管理。

（4）自動冗余

當(dāng)單元運行故障狀態(tài)時，配合自動旁路技術(shù)，可快速切除故障實現(xiàn)裝置自動重啟，減少設(shè)備非正常運行時間。

（5）占地面積小、效率高

由于無需升壓變壓器可省去相應(yīng)占地面積，同時無升壓變壓器的損耗，可提升2%的系統(tǒng)效率。

（6）單臺容量大并聯(lián)容易

6 kV級聯(lián)應(yīng)急儲能供電系統(tǒng)單臺可做到3 MW，沒有小功率儲能多臺并聯(lián)的協(xié)調(diào)控制困難問題。

（7）抗沖擊能力強

該產(chǎn)品采用虛擬阻抗技術(shù)可輕松應(yīng)對變壓器、電機直啟等沖擊性工況，而不會導(dǎo)致裝置過流故障，提高供電可靠性。

3現(xiàn)場應(yīng)用效果

針對現(xiàn)場需求及公司特點提供2臺6 kV2 MW2 MW.h級聯(lián)應(yīng)急儲能供電系統(tǒng)，總?cè)萘? MW4 MW.h，滿足客戶需求。 單臺設(shè)備參數(shù)如表1所示。

表1 級聯(lián)應(yīng)急儲能供電系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)

圖3 級聯(lián)應(yīng)急儲能供電系統(tǒng)外觀

3.1并網(wǎng)功率試驗

圖4 并網(wǎng)充電放電滿功率試驗

對設(shè)備進行了并網(wǎng)充電放電滿功率試驗，試驗結(jié)果如圖4所示。 其中(a)、(b)為有功充電、放電2 MW充電功率數(shù)據(jù)，功率因數(shù)為1。 數(shù)據(jù)表明裝置功率與標(biāo)稱相符。

圖5 滿功率充電放電階躍功率波形以及電流波形

圖5為裝置自帶錄波功能所記錄滿功率充電放電階躍功率波形以及電流波形，由圖可知功率響應(yīng)時間小于10 ms。

3.2應(yīng)急供電系統(tǒng)試驗

表2 演練流程

在煤礦現(xiàn)場進行了應(yīng)急供電演練，演練內(nèi)容如表2所示。 通過變壓器倒變斷開1號主變供電，并斷開母聯(lián)開關(guān)，此時I段母線處于斷電狀態(tài)。 啟動應(yīng)急演練2套應(yīng)急供電系統(tǒng)并聯(lián)運行在離網(wǎng)模式，為I段母線提供6 kV電壓供電，電壓波形及THD如圖6所示。 電壓幅值和電能質(zhì)量滿足要求。

圖6 I段電壓波形及THD

之后按照演練流程提升機開機，提升機主罐、邊罐分別配重交替上下行，運行正常。 提升機運行正常后主扇風(fēng)機空載開機，運行正常； 在主扇風(fēng)機運行同時進行提升載重上下行，運行正常。 主扇風(fēng)機退出運行后提升機載重上下行，運行正常。

為驗證單臺設(shè)備是否滿足應(yīng)急供電需求，在I段母線不失電的前提下2號儲能系統(tǒng)退出運行，由1號儲能系統(tǒng)單獨提供電壓支撐，并進行提升機帶載運行，運行結(jié)果正常。

應(yīng)急演練結(jié)果表明，在2套應(yīng)急儲能供電系統(tǒng)投入情況下，可實現(xiàn)先帶主扇風(fēng)機運行，再帶副井雙罐提升機運行，能夠做到在主扇風(fēng)機運行穩(wěn)定后，副井雙罐提升機罐籠在單層進人情況下以3 m/s速度保障井下人員升井。 同時驗證了單套應(yīng)急儲能供電系統(tǒng)也滿足主扇風(fēng)機和提升機的應(yīng)急供電需求。

4結(jié)語

通過使用新風(fēng)光電子科技股份有限公司生產(chǎn)的高壓級聯(lián)應(yīng)急儲能供電系統(tǒng)，該煤礦在主變失電情況下，可保證主扇風(fēng)機和副井提升機的可靠供電，降低了礦區(qū)關(guān)鍵負荷停電時間，極大提高了礦區(qū)生產(chǎn)安全和井下人員生命安全。 同時在主變正常運行時，應(yīng)急儲能在保證應(yīng)急供電需求下利用部分容量進行峰谷套利，可進行部分投資成本回收，為使用單位帶來了可觀的經(jīng)濟收益。

作者介紹：王公華，碩士，高級工程師，多年從事礦山機電管理工作，研究設(shè)計、調(diào)試十余套立井提升機電控系統(tǒng)，現(xiàn)任兗礦能源集團股份有限公司副總工程師。

來源：智能礦山

審核編輯：湯梓紅