儲(chǔ)能集裝箱應(yīng)急電源系統(tǒng)在煤礦副立井提升機(jī)上的應(yīng)用

于 濤，陸文濤

(1.黑龍江龍煤集團(tuán)物流有限責(zé)任公司，黑龍江省雞西市，158100；2.中信重工開誠智能裝備有限公司，河北省唐山市，063020)

0 引言

國內(nèi)煤礦實(shí)行雙回路供電[1]，基本保證了煤礦安全生產(chǎn)的需要。但在實(shí)際運(yùn)行中，因受自然災(zāi)害和電網(wǎng)薄弱環(huán)節(jié)等因素影響，造成全礦井?dāng)嚯姷闹卮蟀踩鹿嗜詴r(shí)有發(fā)生。為了加強(qiáng)對重要電力用戶的電源監(jiān)督管理，保障重要電力用戶供電設(shè)備的安全運(yùn)行和電力供應(yīng)的可靠性，國家電力監(jiān)管委員會(huì)在2008年下發(fā)的《關(guān)于加強(qiáng)重要電力用戶供電電源及自備應(yīng)急電源配置監(jiān)督管理的意見》中規(guī)定，重要電力用戶應(yīng)配置自備應(yīng)急電源，并加強(qiáng)安全使用管理。鑒于以上原因，煤礦作為A類重要電力用戶在實(shí)現(xiàn)雙回路供電要求的同時(shí)，自備第三路應(yīng)急電源十分必要。應(yīng)急電源可以確保煤礦關(guān)鍵設(shè)備，如主扇風(fēng)機(jī)、主排水泵和副井提升機(jī)在全礦井?dāng)嚯娖陂g正常運(yùn)行，避免特大安全事故進(jìn)一步發(fā)生。

目前國內(nèi)大部分煤礦在電網(wǎng)供電系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，已利用備用的柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)作為煤礦應(yīng)急電源[2]。但是由于柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)存在啟動(dòng)時(shí)間長、應(yīng)對沖擊性負(fù)荷能力差、不適應(yīng)能量回饋型負(fù)載、安裝施工復(fù)雜、維護(hù)費(fèi)用較高、工作中易產(chǎn)生大量有毒有害氣體和噪音等問題，因此不是理想的應(yīng)急電源。

電池儲(chǔ)能應(yīng)急電源系統(tǒng)采用高壓大功率電力電子變流器，具有擴(kuò)展能力強(qiáng)、應(yīng)對沖擊型負(fù)荷及電流畸變型負(fù)荷能力強(qiáng)以及啟動(dòng)時(shí)間快等特點(diǎn)，可在10 min內(nèi)完成對煤礦關(guān)鍵設(shè)備供電，因此非常適用于煤礦應(yīng)急電源系統(tǒng)的應(yīng)用[3]。

1 現(xiàn)場使用要求及應(yīng)急電源方案

黑龍江龍煤集團(tuán)雞西礦業(yè)有限責(zé)任公司城山煤礦(以下簡稱“城山煤礦”)設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為240萬t/a的大型現(xiàn)代化礦井。該礦副立井提升機(jī)是井上下運(yùn)輸人員和物料的唯一通道，屬于關(guān)鍵設(shè)備。副立井井深600 m，提升容器為雙寬罐籠。提升機(jī)房采用井塔式，井塔6層安裝1臺(tái)JKM2.8×4Ⅱ型多繩摩擦式提升機(jī)、1臺(tái)雙輸入軸減速器、2臺(tái)680 kW/660 V/500 rpm他勵(lì)直流電機(jī)、1套直流調(diào)速裝置、1個(gè)司機(jī)臺(tái)和1臺(tái)低壓配電柜(含1臺(tái)200 kV·A、6 kV/380 V控制變壓器)。井塔5層安裝1臺(tái)“一進(jìn)三出”高壓開關(guān)柜、2臺(tái)1 100 kV·A/6 kV/690 V整流變壓器、2臺(tái)直流濾波電抗器等。2臺(tái)直流電機(jī)輸出軸分別與減速器的一個(gè)輸入軸相連，減速器的輸出軸與滾筒相連。副立井提升機(jī)供電系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 副立井提升機(jī)供電系統(tǒng)

由圖1可以看出，來自礦變電所的2路獨(dú)立的6 kV電源與高壓開關(guān)柜進(jìn)線柜相連。電池儲(chǔ)能應(yīng)急電源通過1號(hào)饋電柜進(jìn)線孔引入高壓柜內(nèi)，與6 kV母線相連。1號(hào)饋電柜還與控制變壓器T3相連，為提升機(jī)房的控制、照明、電梯、液壓站、潤滑站、直流電機(jī)勵(lì)磁、井口操車系統(tǒng)等供電。2號(hào)、3號(hào)饋電柜經(jīng)2臺(tái)整流變壓器(副邊電壓相位差30°)，為2臺(tái)晶閘管整流裝置供電。直流拖動(dòng)系統(tǒng)采用電樞可逆、全數(shù)字直流雙閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)副立井提升機(jī)在雙機(jī)拖動(dòng)下的轉(zhuǎn)矩均衡控制和速度控制。

1.1 現(xiàn)場使用要求

(1)離網(wǎng)運(yùn)行模式。在電網(wǎng)突然掉電的情況下，盡可能滿足副立井提升機(jī)滿載半速運(yùn)行，至少應(yīng)滿足10次或1.5 h礦井運(yùn)人需要，并能吸收提升機(jī)在減速或重物下放時(shí)所產(chǎn)生的發(fā)電制動(dòng)能量。

(2)并網(wǎng)運(yùn)行模式。在用電谷段時(shí)，對儲(chǔ)能電池進(jìn)行充電；在用電峰段時(shí)，儲(chǔ)能電池對電網(wǎng)進(jìn)行放電。達(dá)到“消峰填谷”“谷峰套利”的目的。

(3)環(huán)境適應(yīng)性。根據(jù)東北地區(qū)氣候特點(diǎn)，電池儲(chǔ)能應(yīng)急電源系統(tǒng)采用集裝箱一體化設(shè)計(jì)，滿足戶外安裝、環(huán)境溫度-30℃～+40℃使用要求。

1.2 電池儲(chǔ)能應(yīng)急電源系統(tǒng)方案

電池儲(chǔ)能應(yīng)急電源系統(tǒng)目前常用的主回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括高壓級(jí)聯(lián)儲(chǔ)能系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和低壓電池儲(chǔ)能+升壓變壓器系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[4-5]。

(1)高壓級(jí)聯(lián)儲(chǔ)能系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中高壓級(jí)聯(lián)儲(chǔ)能變流器(PCS)的每個(gè)H橋單元由H橋逆變器、濾波電容和與之并聯(lián)的電池組組成[4]。其每相由預(yù)充電回路、輸入電抗器和多個(gè)H橋單元交流側(cè)串聯(lián)組成。三相采用星形連接后可直接輸出6 kV或10 kV，無需升壓變壓器。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)損耗小、效率高、儲(chǔ)能系統(tǒng)響應(yīng)快；缺點(diǎn)是拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，比較適用于大型儲(chǔ)能應(yīng)急電源系統(tǒng)。高壓級(jí)聯(lián)儲(chǔ)能系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 高壓級(jí)聯(lián)儲(chǔ)能系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

(2)低壓電池儲(chǔ)能+升壓變壓器系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中主回路是將多個(gè)儲(chǔ)能電池簇經(jīng)匯流排并聯(lián)后與低壓儲(chǔ)能變流器直流母線相連，經(jīng)升壓變壓器并入高壓電網(wǎng)。電池簇串聯(lián)電池?cái)?shù)量由PCS輸出電壓決定，電池簇并聯(lián)數(shù)量由PCS輸出容量決定。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單、DC/AC變換器損耗小、易控制，比較適用于中小功率的應(yīng)急負(fù)荷。低壓電池儲(chǔ)能加升壓變壓器系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 低壓電池儲(chǔ)能加升壓變壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本項(xiàng)目采用低壓電池儲(chǔ)能加升壓變壓器系統(tǒng)方案，既能滿足副立井提升機(jī)現(xiàn)場使用的要求，又具有一定的經(jīng)濟(jì)性。

2 儲(chǔ)能集裝箱應(yīng)急電源系統(tǒng)

儲(chǔ)能集裝箱應(yīng)急電源系統(tǒng)集成在1臺(tái)40尺集裝箱(內(nèi)容積為11.8 m×2.13 m×2.18 m)內(nèi)，具有防水、防塵、防火、防震、防腐、保溫等特點(diǎn)。集裝箱內(nèi)主要由電池艙、儲(chǔ)能變流器艙、變壓器艙和高壓開關(guān)艙組成，配套有空調(diào)、消防、應(yīng)急照明等設(shè)備。儲(chǔ)能集裝箱應(yīng)急電源系統(tǒng)示意如圖4所示。

圖4 儲(chǔ)能集裝箱應(yīng)急電源系統(tǒng)示意

2.1 儲(chǔ)能集裝箱應(yīng)急電源系統(tǒng)容量計(jì)算

副立井提升機(jī)2臺(tái)直流電機(jī)額定功率為680 kW，額定電壓為660 V，額定電流為1 100 A。低壓供電由1臺(tái)200 kV·A、6 kV/380 V控制變壓器提供，實(shí)際供電負(fù)荷約為80 kW。副立井提升機(jī)額定運(yùn)行速度為9 m/s，啟動(dòng)倍數(shù)為1.5(運(yùn)人1.2倍)。提升容器為2個(gè)雙層寬罐籠，總載重8.74 t。寬罐運(yùn)人定額為76人，該礦實(shí)際運(yùn)人40人，按每人100 kg 估算，實(shí)際運(yùn)人重量為4 t，占罐籠總載重的45.8%。若提升機(jī)負(fù)載率按80%計(jì)算，則在電網(wǎng)斷電時(shí)，儲(chǔ)能集裝箱應(yīng)急電源系統(tǒng)在提升機(jī)滿載半速運(yùn)行時(shí)(速度減半相當(dāng)于負(fù)載輸入功率減半)需要輸出的功率為951 kW，每小時(shí)需要電池提供的電能為951 kW·h。按實(shí)際運(yùn)人計(jì)算，半速時(shí)需要輸出的功率為479 kW，1.5 h需要消耗的電能為719 kW·h。若考慮80%放電深度(Depth of Dischange，DOD)和85%能量轉(zhuǎn)換效率，則實(shí)際運(yùn)人時(shí)儲(chǔ)能集裝箱應(yīng)急電源系統(tǒng)需要提供的電能為1 057 kW·h。

2.2 系統(tǒng)主要配置及功能

儲(chǔ)能集裝箱應(yīng)急電源系統(tǒng)的核心配置包括儲(chǔ)能電池、儲(chǔ)能變流器(Power Conversion System，PCS)、電池管理系統(tǒng)(Battery Management System，BMS)、能量管理系統(tǒng)(Energy Management System，EMS)等設(shè)備。

2.2.1 儲(chǔ)能電池

如圖4所示，集裝箱電池艙內(nèi)有7個(gè)電池簇通過匯流柜并聯(lián)在一起。每個(gè)電池簇由17個(gè)電池箱串聯(lián)組成。每個(gè)電池箱由24只120 A·h/3.2 V磷酸鐵鋰單體電池串聯(lián)組成。該連接方式下的電池容量為1 097 kW·h，額定電壓為1 306 V，最大電壓范圍1 142～1 468 V?？梢娫陔娋W(wǎng)斷電時(shí)，電池容量完全滿足1.5 h實(shí)際運(yùn)人需求，但在滿載情況下還不足以支撐半速4.5 m/s的運(yùn)行。

2.2.2 PCS

PCS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選用技術(shù)成熟可靠的二極管嵌位三電平逆變器，輸出配有LC濾波器和瞬態(tài)無功緩沖器，實(shí)現(xiàn)PCS正弦波電壓輸出以及合閘沖擊限制等。本項(xiàng)目配置的儲(chǔ)能變流器功率為1 500 kW，輸出電壓690 V，經(jīng)1臺(tái)690 V/6 kV升壓變壓器、高壓開關(guān)柜連接到礦內(nèi)副立井提升機(jī)6 kV供電網(wǎng)絡(luò)。PCS容量是副立井提升機(jī)半速運(yùn)行時(shí)最大負(fù)載功率的1.57倍，具有足夠大的安全余量。PCS通過以太網(wǎng)通信接收EMS系統(tǒng)控制指令，根據(jù)功率指令的符號(hào)及大小控制變流器對電池進(jìn)行充電或放電，實(shí)現(xiàn)對電網(wǎng)有功功率及無功功率的調(diào)節(jié)。PCS的主要特點(diǎn)如下。

(1)能四象限運(yùn)行，可以將提升機(jī)在發(fā)電制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的回饋能量通過給儲(chǔ)能電池充電進(jìn)行吸收；

(2)配置LC濾波器，不僅能正弦化三電平逆變器輸出的5電平電壓波形，還能在離網(wǎng)應(yīng)急供電時(shí)，衰減12脈動(dòng)晶閘管整流橋產(chǎn)生的11次以上電流諧波，使網(wǎng)側(cè)6 kV處的總諧波失真(THDu)<4%；

(3)配置瞬態(tài)無功緩沖器，限制主回路變壓器合閘瞬間產(chǎn)生的激磁涌流，保證合閘順暢，但其只在合閘時(shí)有用；

(4)晶閘管整流裝置在提升機(jī)每次啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)，都會(huì)產(chǎn)生非常大的無功沖擊，PCS系統(tǒng)能及時(shí)跟蹤調(diào)節(jié)無功輸出，維持電網(wǎng)電壓穩(wěn)定[6]；

(5)在并網(wǎng)模式下，滿功率運(yùn)行時(shí)充放電轉(zhuǎn)換時(shí)間不大于200 ms。

2.2.3 BMS

BMS為三級(jí)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，分別為電池管理單元(Battery Management Unit，BMU)、電池簇管理單元(Battery Cluster Management Unit，BCMU)、電池陣列管理系統(tǒng)(Battery Array Management System，BAMS)。

BMU裝在每個(gè)電池箱內(nèi)，負(fù)責(zé)每個(gè)單體電池的電壓和溫度采集、電池電量(State of Charge，SOC)和電池健康狀態(tài)(State of Health，SOH)實(shí)時(shí)計(jì)算、電池異常告警、電量均衡等。BMU采用CAN總線通信方式，將采集到的單體電池的信息上傳至BCMU。

BCMU裝在每個(gè)高壓箱內(nèi)，每個(gè)電池簇配置1個(gè)高壓箱，內(nèi)部還包含直流接觸器、預(yù)充電回路、電壓電流采集模塊、熔斷器等。電壓電流采集模塊用于電池族總電壓、電流的檢測，BCMU除了完成對單體電池信息采集外，還負(fù)責(zé)電池簇的總電壓、電流采集及電池簇異常報(bào)警和保護(hù)。當(dāng)電池簇出現(xiàn)異常故障時(shí)可控制內(nèi)置的直流接觸器斷開，避免電池過充、過放和過流。BCMU通過CAN通信將電池組的信息上傳至BAMS。

BAMS由一塊觸摸屏組成，裝在匯流柜柜門上。觸摸屏內(nèi)集成了處理器、顯示單元、輸入單元、通信接口、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、人機(jī)接口軟件及人機(jī)界面等，通過人機(jī)界面，可以對BCMU上傳的每個(gè)單體電池的SOC、電壓、溫度，電池組電壓、溫度、充放電電流及各種異常報(bào)警信息進(jìn)行顯示、報(bào)警處理及存儲(chǔ)，并將所有信息以RJ45接口上傳給EMS系統(tǒng)。通過CAN接口和硬接點(diǎn)信號(hào)與PCS相連，將電池相關(guān)異常信息發(fā)送給PCS，由其進(jìn)行相應(yīng)的保護(hù)。

2.2.4 EMS

EMS由就地控制柜以及監(jiān)控與能量管理系統(tǒng)組成。就地控制柜由就地控制器、UPS電源、工控一體機(jī)等組成。就地控制器通過以太網(wǎng)與PCS、BMS及遠(yuǎn)程運(yùn)行管理平臺(tái)(礦調(diào)度集控中心)進(jìn)行通信，完成整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集、傳輸與存儲(chǔ)，監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，執(zhí)行系統(tǒng)運(yùn)行策略，下發(fā)運(yùn)行模式控制指令，接受礦調(diào)度集控中心的調(diào)度控制和數(shù)據(jù)上傳。就地控制柜配備UPS，保證在電網(wǎng)掉電的情況下，完成系統(tǒng)預(yù)定的關(guān)機(jī)和故障程序。

監(jiān)控與能量管理系統(tǒng)由EMS軟件與工控一體機(jī)組成。其主要功能是對儲(chǔ)能應(yīng)急電源系統(tǒng)進(jìn)行信息化管控，可根據(jù)電網(wǎng)、電池、負(fù)載狀態(tài)自動(dòng)進(jìn)行運(yùn)行控制管理。主要完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、通信監(jiān)控、運(yùn)行模式控制與能量調(diào)度、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)分析等功能。

3 現(xiàn)場應(yīng)用效果

城山煤礦副立井提升機(jī)儲(chǔ)能集裝箱應(yīng)急電源系統(tǒng)自2022年10月1日開始安裝調(diào)試，至2023年3月15日驗(yàn)收結(jié)束。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)技術(shù)先進(jìn)、安全可靠、經(jīng)濟(jì)實(shí)用，能夠滿足城山礦副立井提升機(jī)的使用要求。

3.1 合閘測試

副立井提升機(jī)由電網(wǎng)供電轉(zhuǎn)到儲(chǔ)能應(yīng)急電源供電時(shí)，需要對原配電系統(tǒng)1臺(tái)200 kV·A控制變壓器和2臺(tái)1 100 kV·A整流變壓器由高壓開關(guān)柜HV依次進(jìn)行手動(dòng)合閘。PCS系統(tǒng)瞬態(tài)無功緩沖器未投入時(shí)，一次合閘成功率較低，原因是合閘瞬時(shí)沖擊電流超過了PCS的硬件過流保護(hù)值4 800 A，造成PCS硬件過流所致。瞬態(tài)無功緩沖器投入后，每次合閘瞬時(shí)電流均未超過2 200 A，合閘成功率為100%。

3.2 離網(wǎng)運(yùn)行測試

(1)半載半速運(yùn)行。半載約4 t載重，用來模擬實(shí)際運(yùn)人負(fù)載。提升機(jī)按照起動(dòng)-加速-勻速-減速-爬行-停車的運(yùn)行周期，以最高4.5 m/s的速度分別進(jìn)行了上提與下放運(yùn)行測試，測試結(jié)果均正常。

(2)滿載半速運(yùn)行。罐籠裝2輛重車，約5.7 t，無配重，也將以4.5 m/s速度運(yùn)行。然而啟動(dòng)加速至4.3 m/s時(shí)，出現(xiàn)PCS過流跳閘。該現(xiàn)象印證了儲(chǔ)能電池容量不足以支撐滿載半速運(yùn)行的計(jì)算結(jié)果。將運(yùn)行速度調(diào)整為3 m/s，負(fù)載5.7 t運(yùn)行時(shí)，用電能質(zhì)量記錄儀記錄的PCS輸出的電壓/電流波形如圖5所示。整個(gè)測試過程為：空載3 m/s速度運(yùn)行1次；滿載5.6～5.7 t、3 m/s速度上提2次 ；滿載5.6～5.7 t、3 m/s速度下放1次。以上測試結(jié)果均正常。

圖5 負(fù)載5.7 t無配重、3 m/s速度運(yùn)行時(shí)電壓/電流波形

經(jīng)以上測試后電池電量SOC由最初的43.1%，變?yōu)闇y試后的39.8%。由此可以算出，副立井提升機(jī)以3 m/s速度滿載提升一次最多消耗的電池電量約為1.5%，如果按照電池電量的40%作為應(yīng)急電源儲(chǔ)備計(jì)算，則可保證提升機(jī)至少提升20次以上。

3.3 并網(wǎng)運(yùn)行測試

儲(chǔ)能集裝箱應(yīng)急電源系統(tǒng)按照當(dāng)?shù)亍懊旱V躲峰時(shí)間表”在EMS內(nèi)設(shè)定充放電時(shí)間和功率，并按充放電策略在電池電量為45%～95%之間自動(dòng)運(yùn)行。在電價(jià)谷期給電池充電，電價(jià)峰期給電網(wǎng)放電，達(dá)到“削峰填谷”產(chǎn)生效益的目的。同時(shí)預(yù)留40%或45%左右電量以備在緊急情況下滿足副井提升機(jī)運(yùn)人需求。當(dāng)?shù)孛旱V躲峰時(shí)間見表1。

根據(jù)表1在EMS內(nèi)設(shè)定的PCS充放電時(shí)間及功率如圖6所示。圖中正功率為電池向電網(wǎng)放電，負(fù)功率為電網(wǎng)給電池充電。

圖6 EMS內(nèi)設(shè)定的充放電時(shí)間及功率

PCS在某一天實(shí)際測試的運(yùn)行結(jié)果如圖7所示。由圖7可以看出，PCS完全按照預(yù)先設(shè)定的時(shí)間和功率進(jìn)行運(yùn)行。

當(dāng)天運(yùn)行期間電池電量SOC的變化情況如圖8所示。由圖8可以看出，電池電量SOC是完全按照預(yù)先設(shè)定的45%～95%范圍進(jìn)行充放電循環(huán)的。

圖8 運(yùn)行期間電池電量SOC實(shí)際變化

充放電循環(huán)1 d的總收益如圖9所示。由圖9可以看出，充放電循環(huán)1 d的總收益為577元。

圖9 充放電循環(huán)1 d的總收益

4 結(jié)語

本項(xiàng)目選擇低壓電池儲(chǔ)能加升壓變壓器應(yīng)急供電方案，采用儲(chǔ)能集裝箱一體化結(jié)構(gòu)，具有經(jīng)濟(jì)適用、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、安裝簡便等特點(diǎn)。該系統(tǒng)在離網(wǎng)模式下，作為副立井提升機(jī)的應(yīng)急電源，可滿足井下人員升井需求；在并網(wǎng)模式下，通過對電網(wǎng)進(jìn)行“消峰填谷”運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)谷峰套利，經(jīng)濟(jì)效益可觀。該系統(tǒng)后期可進(jìn)一步在煤礦主扇風(fēng)機(jī)[7]、主排水泵等這些關(guān)鍵設(shè)備上拓展應(yīng)用。