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(huì)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(jī)、主排水泵和副井提升機(jī)的安全可靠性和運(yùn)行持續(xù)性尤其重要，主通風(fēng)機(jī)如果停機(jī)時(shí)間過長會(huì)導(dǎo)致井下氧氣不足，瓦斯含量超標(biāo)；主排水泵如果停機(jī)時(shí)間過長，會(huì)導(dǎo)致井下地下水淹沒礦井；最重要的是副井提升機(jī)，如果副井提升機(jī)一旦停運(yùn)會(huì)導(dǎo)致井下人員無法升井，失電還會(huì)影響其他重要一級負(fù)荷的用電設(shè)備，因此礦井長時(shí)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(gè)煤礦配置了一臺可移動(dòng)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(dòng)供電車響應(yīng)不及時(shí)影響供電安全。同時(shí)提升機(jī)在下放時(shí)會(huì)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(chǔ)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(diǎn)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(chǔ)能供電系統(tǒng)主要滿足I段母線的扇風(fēng)機(jī)和提升機(jī)以及照明應(yīng)急供電需求。

圖1 煤礦供電系統(tǒng)

1.2負(fù)荷供電需求分析

副井提升系統(tǒng)概況：提升機(jī)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(jī)。 整個(gè)副井提升系統(tǒng)包括雙罐直流電機(jī)1 260 kW，2臺電機(jī)風(fēng)機(jī)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(jī)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(shí)現(xiàn)正常提升運(yùn)轉(zhuǎn)，需要占用1 350 kW。

風(fēng)機(jī)系統(tǒng)概述：6 kV風(fēng)機(jī)直連I段母線，西風(fēng)井扇風(fēng)機(jī)主電機(jī)630 kW，1臺液壓站5.5 kW，照明燈1.5 kW，上位機(jī)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(jī)實(shí)現(xiàn)正常提升運(yùn)轉(zhuǎn)，至少需要占用650 kW負(fù)荷。

通過現(xiàn)場負(fù)荷及客戶需求分析，應(yīng)急儲(chǔ)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(jī)變壓器無緩沖電路直接合閘會(huì)造成6~10倍額定電流沖擊；

（3）儲(chǔ)能系統(tǒng)分為2臺，可并聯(lián)運(yùn)行也可一備一用，且單臺也能滿足負(fù)荷需求。

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

圖2 級聯(lián)應(yīng)急儲(chǔ)能供電系統(tǒng)

圖2為級聯(lián)儲(chǔ)能應(yīng)急儲(chǔ)能供電系統(tǒng)，該裝置基于CHB拓?fù)洹?該系統(tǒng)通過隔離刀閘與6 kV三相電網(wǎng)進(jìn)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(shí)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(chǔ)能供電系統(tǒng)如下優(yōu)勢：

（1）并離網(wǎng)、四象限運(yùn)行

該產(chǎn)品具有并網(wǎng)和離網(wǎng)運(yùn)行2種功能，并網(wǎng)時(shí)可作為儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行削峰填谷和峰谷套利，離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)可作為應(yīng)急電源使用，滿足關(guān)鍵負(fù)荷供電。 同時(shí)相比于柴油發(fā)電系統(tǒng)，該產(chǎn)品可實(shí)現(xiàn)有功無功四象限運(yùn)行，可實(shí)現(xiàn)電機(jī)類負(fù)荷的能量回饋，達(dá)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(chǔ)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(jìn)行電芯級別管理。

（4）自動(dòng)冗余

當(dāng)單元運(yùn)行故障狀態(tài)時(shí)，配合自動(dòng)旁路技術(shù)，可快速切除故障實(shí)現(xiàn)裝置自動(dòng)重啟，減少設(shè)備非正常運(yùn)行時(shí)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(shí)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(chǔ)能供電系統(tǒng)單臺可做到3 MW，沒有小功率儲(chǔ)能多臺并聯(lián)的協(xié)調(diào)控制困難問題。

（7）抗沖擊能力強(qiáng)

該產(chǎn)品采用虛擬阻抗技術(shù)可輕松應(yīng)對變壓器、電機(jī)直啟等沖擊性工況，而不會(huì)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(diǎn)提供2臺6 kV2 MW2 MW.h級聯(lián)應(yīng)急儲(chǔ)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(chǔ)能供電系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)

圖3 級聯(lián)應(yīng)急儲(chǔ)能供電系統(tǒng)外觀

3.1并網(wǎng)功率試驗(yàn)

圖4 并網(wǎng)充電放電滿功率試驗(yàn)

對設(shè)備進(jìn)行了并網(wǎng)充電放電滿功率試驗(yàn)，試驗(yàn)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(shí)間小于10 ms。

3.2應(yīng)急供電系統(tǒng)試驗(yàn)

表2 演練流程

在煤礦現(xiàn)場進(jìn)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(shí)I段母線處于斷電狀態(tài)。 啟動(dòng)應(yīng)急演練2套應(yīng)急供電系統(tǒng)并聯(lián)運(yùn)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(jī)開機(jī)，提升機(jī)主罐、邊罐分別配重交替上下行，運(yùn)行正常。 提升機(jī)運(yùn)行正常后主扇風(fēng)機(jī)空載開機(jī)，運(yùn)行正常； 在主扇風(fēng)機(jī)運(yùn)行同時(shí)進(jìn)行提升載重上下行，運(yùn)行正常。 主扇風(fēng)機(jī)退出運(yùn)行后提升機(jī)載重上下行，運(yùn)行正常。

為驗(yàn)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(chǔ)能系統(tǒng)退出運(yùn)行，由1號儲(chǔ)能系統(tǒng)單獨(dú)提供電壓支撐，并進(jìn)行提升機(jī)帶載運(yùn)行，運(yùn)行結(jié)果正常。

應(yīng)急演練結(jié)果表明，在2套應(yīng)急儲(chǔ)能供電系統(tǒng)投入情況下，可實(shí)現(xiàn)先帶主扇風(fēng)機(jī)運(yùn)行，再帶副井雙罐提升機(jī)運(yùn)行，能夠做到在主扇風(fēng)機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定后，副井雙罐提升機(jī)罐籠在單層進(jìn)人情況下以3 m/s速度保障井下人員升井。 同時(shí)驗(yàn)證了單套應(yīng)急儲(chǔ)能供電系統(tǒng)也滿足主扇風(fēng)機(jī)和提升機(jī)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(chǔ)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(jī)和副井提升機(jī)的可靠供電，降低了礦區(qū)關(guān)鍵負(fù)荷停電時(shí)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(shí)在主變正常運(yùn)行時(shí)，應(yīng)急儲(chǔ)能在保證應(yīng)急供電需求下利用部分容量進(jìn)行峰谷套利，可進(jìn)行部分投資成本回收，為使用單位帶來了可觀的經(jīng)濟(jì)收益。

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

來源：智能礦山

審核編輯：湯梓紅