兗礦能源下屬某煤礦公司是一大型煤炭生產企業，礦井內生產設備種類多，數量大。該煤礦供電電源兩回路均來同一變電所，三回路來自礦內自建電廠（現已停止供電）。雖煤礦采用雙回路供電方式，但仍無法保證不會出現全礦失電的狀況。在煤礦用電設備之中，主通風機、主排水泵和副井提升機的安全可靠性和運行持續性尤其重要，主通風機如果停機時間過長會導致井下氧氣不足，瓦斯含量超標；主排水泵如果停機時間過長，會導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估的危害。為了滿足煤礦應急供電的需求，兗礦能源對下屬的3個煤礦配置了一臺可移動柴油發電應急供電車。但由于失電往往發生在極端惡劣天氣，移動供電車響應不及時影響供電安全。同時提升機在下放時會產生能量回饋，易導致柴油發電系統故障。鑒于上述問題，該煤礦最終引入高壓級聯應急儲能供電系統，以滿足了現場供電需求。

1煤礦現場供電特點及應急供電需求

1.1現場供電回路

煤礦供電系統如圖1所示，1號和2號主變皆為35 kV/6 kV20 MVA降壓變壓器，3號主變為原自建電廠變壓器，處于停用狀態。1號和2號主變低壓側分別為I段和II段母線，母線通過母聯開關連接。本次引入高壓級聯應急儲能供電系統主要滿足I段母線的扇風機和提升機以及照明應急供電需求。

圖1 煤礦供電系統

1.2負荷供電需求分析

副井提升系統概況：提升機系統連接在I段母線上，通過6 kV/690 V2MVA降壓變壓器連接雙罐直流電機。 整個副井提升系統包括雙罐直流電機1 260 kW，2臺電機風機8 kW； 潤滑泵站5 kW； 液壓站8 kW； 控制系統等部件約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，要使副井雙罐實現正常提升運轉，需要占用1 350 kW。

風機系統概述：6 kV風機直連I段母線，西風井扇風機主電機630 kW，1臺液壓站5.5 kW，照明燈1.5 kW，上位機3 kW，風門執行器等附屬設備10 kW，要使西風井備用扇風機實現正常提升運轉，至少需要占用650 kW負荷。

通過現場負荷及客戶需求分析，應急儲能系統應滿足以下要求：

（1）應急供電系統配置功率不低于應急需求的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）儲能系統分為2臺，可并聯運行也可一備一用，且單臺也能滿足負荷需求。

2級聯應急儲能供電系統特點及優勢

圖2 級聯應急儲能供電系統

圖2為級聯儲能應急儲能供電系統，該裝置基于CHB拓撲。 該系統通過隔離刀閘與6 kV三相電網進行電氣連接，之后是受控的三相交流接觸器。 與交流接觸器并聯的為交流緩沖電阻，起到限制與電網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電抗，電抗器雖然不能徹底濾除開關諧波電流，但對諧波具有阻尼作用。 并網電抗器之后為三相級聯式H橋結構，每相由級聯功率單元組成，該功率單元標配旁路接觸器，可實現自動冗余。 級聯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。

從技術上講，高壓級聯應急儲能供電系統如下優勢：

（1）并離網、四象限運行

該產品具有并網和離網運行2種功能，并網時可作為儲能系統進行削峰填谷和峰谷套利，離網運行時可作為應急電源使用，滿足關鍵負荷供電。 同時相比于柴油發電系統，該產品可實現有功無功四象限運行，可實現電機類負荷的能量回饋，達到節能減排的效果。

（2）電能質量高

級聯產品采用載波移相技術可以提高電能質量，降低電網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（BMS），可進行電芯級別管理。

（4）自動冗余

當單元運行故障狀態時，配合自動旁路技術，可快速切除故障實現裝置自動重啟，減少設備非正常運行時間。

（5）占地面積小、效率高

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

（6）單臺容量大并聯容易

6 kV級聯應急儲能供電系統單臺可做到3 MW，沒有小功率儲能多臺并聯的協調控制困難問題。

（7）抗沖擊能力強

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

3現場應用效果

針對現場需求及公司特點提供2臺6 kV2 MW2 MW.h級聯應急儲能供電系統，總容量4 MW4 MW.h，滿足客戶需求。 單臺設備參數如表1所示。

表1 級聯應急儲能供電系統關鍵參數

圖3 級聯應急儲能供電系統外觀

3.1并網功率試驗

圖4 并網充電放電滿功率試驗

對設備進行了并網充電放電滿功率試驗，試驗結果如圖4所示。 其中(a)、(b)為有功充電、放電2 MW充電功率數據，功率因數為1。 數據表明裝置功率與標稱相符。

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，由圖可知功率響應時間小于10 ms。

3.2應急供電系統試驗

表2 演練流程

在煤礦現場進行了應急供電演練，演練內容如表2所示。 通過變壓器倒變斷開1號主變供電，并斷開母聯開關，此時I段母線處于斷電狀態。 啟動應急演練2套應急供電系統并聯運行在離網模式，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機空載開機，運行正常； 在主扇風機運行同時進行提升載重上下行，運行正常。 主扇風機退出運行后提升機載重上下行，運行正常。

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

應急演練結果表明，在2套應急儲能供電系統投入情況下，可實現先帶主扇風機運行，再帶副井雙罐提升機運行，能夠做到在主扇風機運行穩定后，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。 同時驗證了單套應急儲能供電系統也滿足主扇風機和提升機的應急供電需求。

4結語

通過使用新風光電子科技股份有限公司生產的高壓級聯應急儲能供電系統，該煤礦在主變失電情況下，可保證主扇風機和副井提升機的可靠供電，降低了礦區關鍵負荷停電時間，極大提高了礦區生產安全和井下人員生命安全。 同時在主變正常運行時，應急儲能在保證應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，研究設計、調試十余套立井提升機電控系統，現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