儲(chǔ)能系統(tǒng)在煤礦智能應(yīng)急電源中的應(yīng)用

吳 峂，周 友，牛建娜

（北京低碳清潔能源研究所，北京 102209）

伴隨著煤炭行業(yè)電氣化程度的不斷加深，供電系統(tǒng)正在煤礦生產(chǎn)中扮演著越來越重要的角色。盡管相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范已明確要求有大容量一級(jí)負(fù)荷的礦井應(yīng)采用雙重電源供電，但由于種種客觀原因的限制，目前煤礦供電系統(tǒng)普遍采用的雙電源供電方式仍不能完全滿足安全生產(chǎn)供電可靠性的嚴(yán)格要求。特別是對(duì)于高瓦斯礦井和煤與瓦斯突出礦井或有突水淹井危險(xiǎn)礦井，當(dāng)不具有水平或傾斜安全出口且垂直安全出口深度較深時(shí)，一旦發(fā)生動(dòng)力電源掉電，將很有可能因?yàn)橥L(fēng)和提升設(shè)備不能正常工作而造成極其嚴(yán)重的安全事故。因此，增設(shè)獨(dú)立的第三電源點(diǎn)—大容量應(yīng)急電源，就成為提高煤礦供電可靠性和確保煤礦安全生產(chǎn)的必然選擇。

由于電池儲(chǔ)能系統(tǒng)具有可靠性高、啟動(dòng)迅速以及功能配置靈活等特點(diǎn)[1-4]，因而非常適用于煤礦應(yīng)急電源系統(tǒng)的應(yīng)用。不僅如此，得益于電力電子技術(shù)的高速發(fā)展和新器件、新理論的不斷應(yīng)用，電池儲(chǔ)能系統(tǒng)中的功率變換單元（PCS）已經(jīng)具備了在非應(yīng)急狀況下執(zhí)行無(wú)功補(bǔ)償、功率因數(shù)校正以及利用峰谷電價(jià)差盈利等多種高附加值功能的潛力[5-6]。本儲(chǔ)能應(yīng)急電源的建設(shè)將是兆瓦級(jí)儲(chǔ)能技術(shù)在國(guó)內(nèi)煤礦配電網(wǎng)的首次應(yīng)用。由于煤礦配電網(wǎng)在電網(wǎng)安全性與可靠性方面比普通配電網(wǎng)有更高的要求，因此，本儲(chǔ)能系統(tǒng)區(qū)別于目前國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有儲(chǔ)能示范工程的特點(diǎn)是：① 需著重考慮儲(chǔ)能變流系統(tǒng)，儲(chǔ)能電池系統(tǒng)等子系統(tǒng)的安全性設(shè)計(jì)；② 需著重考慮應(yīng)急電源功能的長(zhǎng)壽命與高可靠性設(shè)計(jì)；③ 需著重考慮各軟硬件模塊之間的合理分工以及與現(xiàn)有煤礦配電系統(tǒng)的兼容性設(shè)計(jì)。

本工作針對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)在煤礦應(yīng)急電源中的應(yīng)用，介紹了實(shí)施于神華集團(tuán)烏海能源有限責(zé)任公司平溝煤礦的兆瓦級(jí)智能應(yīng)急電源系統(tǒng)的項(xiàng)目概況和設(shè)計(jì)要點(diǎn)，探討了儲(chǔ)能系統(tǒng)在煤炭行業(yè)的可行性應(yīng)用方案及未來發(fā)展趨勢(shì)。

1 項(xiàng)目概況

經(jīng)過充分的前期研究與實(shí)地走訪，最終確定本儲(chǔ)能系統(tǒng)的實(shí)施地點(diǎn)為神華烏海能源有限責(zé)任公司平溝煤礦35 kV變電所。該變電所于1990年投運(yùn)，2012年完成技術(shù)改造?，F(xiàn)擔(dān)負(fù)平溝煤礦（170萬(wàn)噸/年）及洗煤廠（170萬(wàn)噸/年）生產(chǎn)用電，目前最大負(fù)荷11000 kW。兩臺(tái)變壓器容量均為16000 kV·A，電壓等級(jí)35/6 kV。擬建設(shè)儲(chǔ)能應(yīng)急電源系統(tǒng)（下文稱“儲(chǔ)能電站”）的場(chǎng)地如圖1所示。

儲(chǔ)能電站的總體規(guī)模為3 MW/3.4 MW·h。其中，鉛酸蓄電池共約2.4 MW·h，磷酸鐵鋰電池共約1 MW·h；鉛酸系統(tǒng)PCS的容量為2 MW，鋰電系統(tǒng)PCS的容量為1 MW。除上述核心功能模塊外，儲(chǔ)能電站還包含有電池管理系統(tǒng)、通訊/繼保/安防系統(tǒng)以及上位機(jī)主控系統(tǒng)。此外，考慮到煤礦應(yīng)用對(duì)于安全性的極高要求以及西北地區(qū)的氣候特征，儲(chǔ)能電站還包含有較為完善的環(huán)境監(jiān)控管理系統(tǒng)。綜上所述，儲(chǔ)能電站的布局示意圖如圖2所示。

圖1 擬建設(shè)儲(chǔ)能電站的場(chǎng)地原貌Fig.1 Appearance of proposed energy storage station location

圖2 儲(chǔ)能電站布局示意圖Fig.2 Layout description of energy storage station

2 系統(tǒng)主要功能

基于烏海地區(qū)電網(wǎng)改造相對(duì)滯后以及平溝煤礦仍在使用油浸電容器（約3 MV·A）進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償?shù)瓤陀^實(shí)際情況，本儲(chǔ)能系統(tǒng)的核心功能定位于：在電網(wǎng)失電時(shí)，為平溝煤礦的特別重要負(fù)荷（主扇和局扇通風(fēng)機(jī)）提供可靠的應(yīng)急后備電源；在電網(wǎng)正常時(shí)，使用儲(chǔ)能系統(tǒng)的PCS取代目前的油浸電容器進(jìn)行動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償。此外，為充分探索和體現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)的智能性、先進(jìn)性和經(jīng)濟(jì)性，鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)還將具備執(zhí)行高附加值智能功能的能力。

2.1 應(yīng)急電源功能

應(yīng)急電源功能主要由2.4 MW·h鉛酸電池和配套的2 MW儲(chǔ)能變流器（PCS）承擔(dān)。在正常情況下，為確保系統(tǒng)的長(zhǎng)壽命、可靠性和安全性，PCS會(huì)根據(jù)電池廠商的要求對(duì)鉛酸電池組進(jìn)行浮充和適度的充放電保養(yǎng)操作；當(dāng)因電網(wǎng)故障而啟動(dòng)應(yīng)急電源功能時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)會(huì)通過平溝煤礦35 kV變電所的6 kV母線為負(fù)荷供電。在儲(chǔ)能系統(tǒng)作為應(yīng)急電源工作時(shí)，配電網(wǎng)中相應(yīng)的開關(guān)會(huì)通過軟硬件進(jìn)行互鎖以確保寶貴的電能只流向事先選好的重要負(fù)荷且不向故障電網(wǎng)反送功率。根據(jù)目前的估算，應(yīng)急電源系統(tǒng)針對(duì)系統(tǒng)中特別重要負(fù)荷的有功支撐時(shí)間大于30 min，預(yù)期儲(chǔ)能應(yīng)急電源的使用壽命可大于8年。綜上所述，儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制策略圖如圖3所示。

儲(chǔ)能應(yīng)急電源的主要負(fù)荷是礦井的主扇和局扇。由于平溝煤礦屬于典型的高瓦斯礦井且井深較深，因而當(dāng)主扇和局扇通風(fēng)機(jī)失電時(shí)，將極有可能出現(xiàn)因?yàn)橥L(fēng)不暢而造成瓦斯超限的情況并造成嚴(yán)重后果。其中，主扇通風(fēng)機(jī)只要在10 min內(nèi)恢復(fù)供電，就不會(huì)造成重大危險(xiǎn)；但因?yàn)榫稚韧L(fēng)機(jī)接近開采工作面，因此必須在5 s內(nèi)恢復(fù)供電，否則瓦斯?jié)舛葘⒀杆偕卟砭薮蟮陌踩[患。平溝煤礦的主扇與局扇通風(fēng)機(jī)的負(fù)荷信息及應(yīng)急恢復(fù)要求見表1。

2.2 無(wú)功補(bǔ)償功能

智能應(yīng)急電源的無(wú)功補(bǔ)償功能主要由鋰電池和鉛酸儲(chǔ)能系統(tǒng)中的PCS在電網(wǎng)無(wú)故障時(shí)承擔(dān)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)是滿足功率因數(shù)大于0.9的無(wú)功補(bǔ)償要求。目前該35 kV變電所一段、二段母線上各安裝有一套使用傳統(tǒng)油浸電容器的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備。其中，6 kV一段母線上安裝的補(bǔ)償設(shè)備容量為2.1 MV·A，實(shí)測(cè)功率因數(shù)為1.0；6 kV二段母線上安裝的補(bǔ)償設(shè)備容量為0.9 MV·A，實(shí)測(cè)功率因數(shù)為1.0。參照目前平溝煤礦35 kV變電所的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備配置參數(shù)，最終將鉛酸和鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的PCS容量分別確定為2 MW和1 MW。

圖3 儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制策略圖Fig.3 Control strategy drawing of energy storage system

表1 儲(chǔ)能應(yīng)急電源的負(fù)荷信息及恢復(fù)要求Table 1 The load information and recover requirement of energy storage emergency power supply

2.3 其它智能功能

除上文所述的應(yīng)急電源和無(wú)功補(bǔ)償功能以外，儲(chǔ)能電站在建成后還會(huì)具備功率曲線平滑、調(diào)頻和“削峰填谷”等多種功能。本部分的功能主要由磷酸鐵鋰電池組及其配套的PCS完成。由電氣計(jì)算可知，當(dāng)把無(wú)功補(bǔ)償裝置的功率因數(shù)校正目標(biāo)設(shè)為1時(shí)，1 MW鋰電池系統(tǒng)PCS的可用有功容量約為0.4 MW，也就是應(yīng)急電源系統(tǒng)可用作儲(chǔ)能充放電操作的容量約為0.4 MW。考慮到磷酸鐵鋰電池在0.5 C的放電倍率下，70%DOD的循環(huán)壽命大于3000次，因此容量為1 MW·h的鋰電池系統(tǒng)在設(shè)計(jì)工況下的預(yù)估使用壽命為10年。

3 系統(tǒng)特色和設(shè)計(jì)要點(diǎn)

本項(xiàng)目是兆瓦級(jí)儲(chǔ)能系統(tǒng)在煤礦應(yīng)急電源領(lǐng)域的首次應(yīng)用，具有較為重大的探索和示范意義。一旦本項(xiàng)目在實(shí)施和運(yùn)營(yíng)過程中出現(xiàn)任何安全問題，即使沒有造成重大的人員傷亡事故，也會(huì)對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)在煤礦領(lǐng)域的應(yīng)用帶來巨大的負(fù)面影響。因此，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，始終將“安全”放在了最為重要的位置。具體來說，儲(chǔ)能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)主要可以通過以下幾個(gè)方面來體現(xiàn)。

3.1 電池系統(tǒng)

3.1.1 電池組的分工與應(yīng)用模式

概括來說，本儲(chǔ)能系統(tǒng)需要蓄電池承擔(dān)的工作可以被分為兩大類。一類是以應(yīng)急電源為代表的應(yīng)用，其特點(diǎn)是系統(tǒng)長(zhǎng)期處于“待機(jī)”狀態(tài)，蓄電池用量大、深度充放電次數(shù)少、對(duì)可靠性和安全性的要求極高；另一類是以“削峰填谷”為代表的、體現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)多功能和經(jīng)濟(jì)性的多種充放電應(yīng)用，其特點(diǎn)是使用較為頻繁、充放電次數(shù)多且對(duì)蓄電池的充放電快速響應(yīng)能力有一定的要求。在綜合考慮項(xiàng)目整體的預(yù)算情況以及煤礦系統(tǒng)對(duì)于不同類型電池的接受能力，最終確定使用鉛酸蓄電池承擔(dān)應(yīng)急電源的儲(chǔ)能任務(wù)，使用磷酸鐵鋰電池承擔(dān)“削峰填谷”等任務(wù)并兼顧應(yīng)急電源儲(chǔ)能功能。

以先進(jìn)鉛酸電池為例：在匹配電池?cái)?shù)量時(shí)，設(shè)計(jì)目標(biāo)是盡量讓蓄電池組始終工作在“淺充淺放”的最理想狀態(tài)，從而大幅度提高儲(chǔ)能系統(tǒng)的使用壽命。目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上典型的優(yōu)秀鉛酸蓄電池電池工作在80%DOD工況下的循環(huán)壽命約為 1500次，而工作在 30%DOD工況下的循環(huán)壽命約為3500次。由此可知，在一天一個(gè)充放電循環(huán)的條件下，電池組在淺充淺放工況下的理想循環(huán)壽命可以超過10年。

3.1.2 電池組的容量與成組設(shè)計(jì)

經(jīng)過對(duì)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有兆瓦級(jí)儲(chǔ)能應(yīng)用的分析，蓄電池系統(tǒng)被設(shè)計(jì)成單體電池串聯(lián)且電池組之間不并聯(lián)的形式，以獲得最好的安全性和可靠性。

以為應(yīng)急功能提供支撐的鉛酸蓄電池組為例：基于主扇重要負(fù)荷704 kW加上局扇負(fù)荷222 kW共計(jì)926 kW負(fù)荷的基本要求，再考慮到PCS系統(tǒng)可以接受的中間直流環(huán)節(jié)電壓范圍，最終確定每組電池由375塊2 V/400 A·h的鉛酸蓄電池串聯(lián)組成，共8組，每組容量為 750 V×400 A·h=300 kW·h，8組總?cè)萘繛?8×300 kW·h=2.4 MW·h。參考單體電池 60 min放電能力為1.9 V/169.8 A的數(shù)據(jù)，可知在應(yīng)急模式下，每組鉛酸電池的容量為375×1.9 V×169.8 A=120.98 kW·h，系統(tǒng)總體容量為120.98 kW·h×8=967.84 kW·h。若PCS系統(tǒng)的效率為96%，則實(shí)際可提供的容量為967.84×0.96=929.1 kW·h。也就是說理論上應(yīng)急電源儲(chǔ)能系統(tǒng)可以支撐主扇和局扇通風(fēng)機(jī)1 h的滿負(fù)荷工作（遠(yuǎn)大于30 min的設(shè)計(jì)要求）。除此外，當(dāng)鉛酸蓄電池組供電能力不足時(shí)，鋰電池組可作為鉛酸蓄電池組的備用，為重要負(fù)荷提供電能。

3.2 PCS系統(tǒng)

為使儲(chǔ)能系統(tǒng)具備更高的可靠性并充分配合電池部分的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)為每組電池都配備了與其對(duì)應(yīng)的PCS單元。由于篇幅所限，以下僅以鉛酸儲(chǔ)能系統(tǒng)為例進(jìn)行詳細(xì)說明。

鉛酸儲(chǔ)能系統(tǒng)的PCS主回路拓?fù)洳捎脝渭?jí)式三相橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（圖4），單臺(tái)容量250 kW，8臺(tái)并聯(lián)共計(jì)2 MW。PCS單元的交流側(cè)通過雙分裂升壓變壓器（每?jī)膳_(tái)PCS共用一個(gè)變壓器）與平溝煤礦35 kV變電所的6 kV母線相連；直流側(cè)與串聯(lián)成組的蓄電池相連。為解決鉛酸電池充放電的紋波問題，PCS系統(tǒng)在硬件和軟件上都進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)。在硬件方面，系統(tǒng)采用了主功率拓?fù)渑c低功率并聯(lián)型充電模塊互補(bǔ)的設(shè)計(jì)方案。當(dāng)采用大電流充電時(shí)，PCS系統(tǒng)直接采用主功率拓?fù)涑潆姡辉诔潆婋娏鹘档偷?0 A以下時(shí)，系統(tǒng)切換至低功率并聯(lián)型充電模塊充電；在進(jìn)入涓流模式時(shí)，系統(tǒng)會(huì)關(guān)閉并聯(lián)充電模塊的其它單元，確保僅以最小電流充電，以滿足蓄電池充電特性的要求，提高蓄電池的使用壽命和安全、可靠性；在軟件方面，系統(tǒng)可根據(jù)預(yù)先的參數(shù)設(shè)定和具體的蓄電池充電特性曲線，為蓄電池組提供包括恒流充電、恒壓充電和恒壓涓流充電在內(nèi)的多種充放電操作。PCS系統(tǒng)的整體構(gòu)成示意圖如圖5所示。利用RTDS對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，儲(chǔ)能變流器的交流側(cè)的仿真波形如圖6所示。

圖4 PCS電路拓?fù)涫疽鈭DFig.4 Circuit topology of PCS

圖5 PCS系統(tǒng)示意圖Fig.5 Description drawing of PCS system

圖6 儲(chǔ)能變流器交流側(cè)仿真結(jié)果Fig.6 AC side simulation result of PCS

總體而言，本項(xiàng)目PCS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)可以概括如下。

（1）儲(chǔ)能變流系統(tǒng)的構(gòu)架設(shè)計(jì) 為提高可靠性并降低因設(shè)備故障而造成系統(tǒng)癱瘓的風(fēng)險(xiǎn)，本項(xiàng)目將8臺(tái)250 kW礦用儲(chǔ)能變流器并聯(lián)使用并且通過控制算法確保單臺(tái)故障PCS的退出不會(huì)影響其它設(shè)備的正常運(yùn)行。不僅如此，設(shè)計(jì)方案還通過軟件（異步鎖相技術(shù)以及幅值差控制相結(jié)合的環(huán)流抑制控制算法）與硬件（外加電抗器）相結(jié)合的方法解決了設(shè)備之間的并聯(lián)環(huán)流問題。

（2）鉛酸電池智能維護(hù)高級(jí)控制策略 由于應(yīng)急電源功能使用的頻次較低，為避免鉛酸蓄電池因?yàn)殚L(zhǎng)期閑置造成性能衰減，PCS系統(tǒng)專門針對(duì)鉛酸蓄電池配備了智能維護(hù)高級(jí)控制策略，定期分時(shí)、分模塊根據(jù)廠家要求及實(shí)際使用情況綜合考慮，對(duì)蓄電池組進(jìn)行必要的保養(yǎng)維護(hù)。

（3）智能運(yùn)行及保護(hù)策略 在運(yùn)行保護(hù)策略方面，考慮到煤礦地區(qū)對(duì)安全性的特殊要求和故障的危害程度，將保護(hù)分為模塊級(jí)、裝置級(jí)和系統(tǒng)級(jí)；針對(duì)電機(jī)的突然啟動(dòng)等沖擊問題，PCS系統(tǒng)配備專用高級(jí)保護(hù)策略，通過多次故障確認(rèn)以及限流輸出等措施，確保為主扇、局扇等重要負(fù)荷安全可靠供電。

4 結(jié) 論

（1）隨著國(guó)家對(duì)煤礦安全生產(chǎn)的愈發(fā)重視、煤炭行業(yè)相關(guān)安全規(guī)范的進(jìn)一步嚴(yán)格，兆瓦級(jí)儲(chǔ)能系統(tǒng)在煤礦應(yīng)急電源領(lǐng)域?qū)⒕哂袕V闊的應(yīng)用前景。本工作研究并實(shí)施了基于鉛酸電池和磷酸鐵鋰電池的混合型儲(chǔ)能系統(tǒng)在烏海平溝煤礦智能應(yīng)急電源中的應(yīng)用，具有一定的前瞻性和實(shí)用價(jià)值。

（2）為提高設(shè)備利用率、改善項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)型并提高用戶單位的參與積極性，儲(chǔ)能系統(tǒng)的“多功能化”勢(shì)在必行。本工作建設(shè)的兆瓦級(jí)儲(chǔ)能電站除具有應(yīng)急電源的功能外，還兼具了無(wú)功補(bǔ)償、負(fù)荷平滑等多種功能，為儲(chǔ)能系統(tǒng)的多樣性應(yīng)用進(jìn)行了探索。

（3）煤礦應(yīng)用環(huán)境對(duì)儲(chǔ)能應(yīng)急電源系統(tǒng)的安全性和可靠性有著極高的要求，因此本工作在儲(chǔ)能電池的選型和成組設(shè)計(jì)以及儲(chǔ)能變流器系統(tǒng)（PCS）的電路拓?fù)浜蛙浻布O(shè)計(jì)方面都進(jìn)行了有針對(duì)性的工作，力求通過完善的考慮和設(shè)計(jì)盡量提高儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性和使用壽命，為今后的商業(yè)化推廣奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

[1]Wu Xianzhang（吳賢章），Shang Xiaoli（尚曉麗）.A review of electrical energy storage technologies for renewable power generation and smartgrids[J].Energy Storage Science and Technology（儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù)），2013，2（3）：316-320.

[2]Zhang Wenliang（張文亮），Qiu Ming（丘明），Lai Xiaokang（來小康）.Application of energy storage technologies in power grids[J].Power System Technology（電網(wǎng)技術(shù)），2008，32（7）：1-9.

[3]Liao Huaiqing（廖懷慶），Liu Dong（劉東），Huang Yuhui（黃玉輝），et al.A study on compatibility of smart grid based on large scale energy storage system[J].Automation of Electric Power Systems（電力系統(tǒng)自動(dòng)化），2010，34（2）：15-19.

[4]Eckroad S.Handbook ofenergy storage fortransmission or distribution applications[R].Palo Alto，USA：Electric Power Research Institute（EPRI），2002.

[5]Electrical energy storage[R].Geneva：IEC，2011.

[6]Liao Sida（廖斯達(dá)），Jia Zhijun（賈志軍），Ma Hongyun（馬洪運(yùn)），Wu Xuran（吳旭冉），Wang Baoguo（王保國(guó)）.The applications of electrochemistry(Ⅰ)—The development and applications of lead-acid batteries[J].Energy Storage Science and Technology（儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù)），2013，2（5）：514-521.