储能系统在煤矿智能应急电源中的应用

吴 峂，周 友，牛建娜

（北京低碳清洁能源研究所，北京 102209）

伴随着煤炭行业电气化程度的不断加深，供电系统正在煤矿生产中扮演着越来越重要的角色。尽管相关设计规范已明确要求有大容量一级负荷的矿井应采用双重电源供电，但由于种种客观原因的限制，目前煤矿供电系统普遍采用的双电源供电方式仍不能完全满足安全生产供电可靠性的严格要求。特别是对于高瓦斯矿井和煤与瓦斯突出矿井或有突水淹井危险矿井，当不具有水平或倾斜安全出口且垂直安全出口深度较深时，一旦发生动力电源掉电，将很有可能因为通风和提升设备不能正常工作而造成极其严重的安全事故。因此，增设独立的第三电源点—大容量应急电源，就成为提高煤矿供电可靠性和确保煤矿安全生产的必然选择。

由于电池储能系统具有可靠性高、启动迅速以及功能配置灵活等特点[1-4]，因而非常适用于煤矿应急电源系统的应用。不仅如此，得益于电力电子技术的高速发展和新器件、新理论的不断应用，电池储能系统中的功率变换单元（PCS）已经具备了在非应急状况下执行无功补偿、功率因数校正以及利用峰谷电价差盈利等多种高附加值功能的潜力[5-6]。本储能应急电源的建设将是兆瓦级储能技术在国内煤矿配电网的首次应用。由于煤矿配电网在电网安全性与可靠性方面比普通配电网有更高的要求，因此，本储能系统区别于目前国内外现有储能示范工程的特点是：① 需着重考虑储能变流系统，储能电池系统等子系统的安全性设计；② 需着重考虑应急电源功能的长寿命与高可靠性设计；③ 需着重考虑各软硬件模块之间的合理分工以及与现有煤矿配电系统的兼容性设计。

本工作针对储能系统在煤矿应急电源中的应用，介绍了实施于神华集团乌海能源有限责任公司平沟煤矿的兆瓦级智能应急电源系统的项目概况和设计要点，探讨了储能系统在煤炭行业的可行性应用方案及未来发展趋势。

1 项目概况

经过充分的前期研究与实地走访，最终确定本储能系统的实施地点为神华乌海能源有限责任公司平沟煤矿35 kV变电所。该变电所于1990年投运，2012年完成技术改造。现担负平沟煤矿（170万吨/年）及洗煤厂（170万吨/年）生产用电，目前最大负荷11000 kW。两台变压器容量均为16000 kV·A，电压等级35/6 kV。拟建设储能应急电源系统（下文称“储能电站”）的场地如图1所示。

储能电站的总体规模为3 MW/3.4 MW·h。其中，铅酸蓄电池共约2.4 MW·h，磷酸铁锂电池共约1 MW·h；铅酸系统PCS的容量为2 MW，锂电系统PCS的容量为1 MW。除上述核心功能模块外，储能电站还包含有电池管理系统、通讯/继保/安防系统以及上位机主控系统。此外，考虑到煤矿应用对于安全性的极高要求以及西北地区的气候特征，储能电站还包含有较为完善的环境监控管理系统。综上所述，储能电站的布局示意图如图2所示。

图1 拟建设储能电站的场地原貌Fig.1 Appearance of proposed energy storage station location

图2 储能电站布局示意图Fig.2 Layout description of energy storage station

2 系统主要功能

基于乌海地区电网改造相对滞后以及平沟煤矿仍在使用油浸电容器（约3 MV·A）进行无功补偿等客观实际情况，本储能系统的核心功能定位于：在电网失电时，为平沟煤矿的特别重要负荷（主扇和局扇通风机）提供可靠的应急后备电源；在电网正常时，使用储能系统的PCS取代目前的油浸电容器进行动态无功补偿。此外，为充分探索和体现储能系统的智能性、先进性和经济性，锂电池储能系统还将具备执行高附加值智能功能的能力。

2.1 应急电源功能

应急电源功能主要由2.4 MW·h铅酸电池和配套的2 MW储能变流器（PCS）承担。在正常情况下，为确保系统的长寿命、可靠性和安全性，PCS会根据电池厂商的要求对铅酸电池组进行浮充和适度的充放电保养操作；当因电网故障而启动应急电源功能时，储能系统会通过平沟煤矿35 kV变电所的6 kV母线为负荷供电。在储能系统作为应急电源工作时，配电网中相应的开关会通过软硬件进行互锁以确保宝贵的电能只流向事先选好的重要负荷且不向故障电网反送功率。根据目前的估算，应急电源系统针对系统中特别重要负荷的有功支撑时间大于30 min，预期储能应急电源的使用寿命可大于8年。综上所述，储能系统的控制策略图如图3所示。

储能应急电源的主要负荷是矿井的主扇和局扇。由于平沟煤矿属于典型的高瓦斯矿井且井深较深，因而当主扇和局扇通风机失电时，将极有可能出现因为通风不畅而造成瓦斯超限的情况并造成严重后果。其中，主扇通风机只要在10 min内恢复供电，就不会造成重大危险；但因为局扇通风机接近开采工作面，因此必须在5 s内恢复供电，否则瓦斯浓度将迅速升高并带来巨大的安全隐患。平沟煤矿的主扇与局扇通风机的负荷信息及应急恢复要求见表1。

2.2 无功补偿功能

智能应急电源的无功补偿功能主要由锂电池和铅酸储能系统中的PCS在电网无故障时承担，系统设计的目标是满足功率因数大于0.9的无功补偿要求。目前该35 kV变电所一段、二段母线上各安装有一套使用传统油浸电容器的无功补偿设备。其中，6 kV一段母线上安装的补偿设备容量为2.1 MV·A，实测功率因数为1.0；6 kV二段母线上安装的补偿设备容量为0.9 MV·A，实测功率因数为1.0。参照目前平沟煤矿35 kV变电所的无功补偿设备配置参数，最终将铅酸和锂电池储能系统的PCS容量分别确定为2 MW和1 MW。

图3 储能系统的控制策略图Fig.3 Control strategy drawing of energy storage system

表1 储能应急电源的负荷信息及恢复要求Table 1 The load information and recover requirement of energy storage emergency power supply

2.3 其它智能功能

除上文所述的应急电源和无功补偿功能以外，储能电站在建成后还会具备功率曲线平滑、调频和“削峰填谷”等多种功能。本部分的功能主要由磷酸铁锂电池组及其配套的PCS完成。由电气计算可知，当把无功补偿装置的功率因数校正目标设为1时，1 MW锂电池系统PCS的可用有功容量约为0.4 MW，也就是应急电源系统可用作储能充放电操作的容量约为0.4 MW。考虑到磷酸铁锂电池在0.5 C的放电倍率下，70%DOD的循环寿命大于3000次，因此容量为1 MW·h的锂电池系统在设计工况下的预估使用寿命为10年。

3 系统特色和设计要点

本项目是兆瓦级储能系统在煤矿应急电源领域的首次应用，具有较为重大的探索和示范意义。一旦本项目在实施和运营过程中出现任何安全问题，即使没有造成重大的人员伤亡事故，也会对储能系统在煤矿领域的应用带来巨大的负面影响。因此，在系统设计过程中，始终将“安全”放在了最为重要的位置。具体来说，储能系统的设计要点主要可以通过以下几个方面来体现。

3.1 电池系统

3.1.1 电池组的分工与应用模式

概括来说，本储能系统需要蓄电池承担的工作可以被分为两大类。一类是以应急电源为代表的应用，其特点是系统长期处于“待机”状态，蓄电池用量大、深度充放电次数少、对可靠性和安全性的要求极高；另一类是以“削峰填谷”为代表的、体现储能系统多功能和经济性的多种充放电应用，其特点是使用较为频繁、充放电次数多且对蓄电池的充放电快速响应能力有一定的要求。在综合考虑项目整体的预算情况以及煤矿系统对于不同类型电池的接受能力，最终确定使用铅酸蓄电池承担应急电源的储能任务，使用磷酸铁锂电池承担“削峰填谷”等任务并兼顾应急电源储能功能。

以先进铅酸电池为例：在匹配电池数量时，设计目标是尽量让蓄电池组始终工作在“浅充浅放”的最理想状态，从而大幅度提高储能系统的使用寿命。目前国内市场上典型的优秀铅酸蓄电池电池工作在80%DOD工况下的循环寿命约为 1500次，而工作在 30%DOD工况下的循环寿命约为3500次。由此可知，在一天一个充放电循环的条件下，电池组在浅充浅放工况下的理想循环寿命可以超过10年。

3.1.2 电池组的容量与成组设计

经过对国内外现有兆瓦级储能应用的分析，蓄电池系统被设计成单体电池串联且电池组之间不并联的形式，以获得最好的安全性和可靠性。

以为应急功能提供支撑的铅酸蓄电池组为例：基于主扇重要负荷704 kW加上局扇负荷222 kW共计926 kW负荷的基本要求，再考虑到PCS系统可以接受的中间直流环节电压范围，最终确定每组电池由375块2 V/400 A·h的铅酸蓄电池串联组成，共8组，每组容量为 750 V×400 A·h=300 kW·h，8组总容量为 8×300 kW·h=2.4 MW·h。参考单体电池 60 min放电能力为1.9 V/169.8 A的数据，可知在应急模式下，每组铅酸电池的容量为375×1.9 V×169.8 A=120.98 kW·h，系统总体容量为120.98 kW·h×8=967.84 kW·h。若PCS系统的效率为96%，则实际可提供的容量为967.84×0.96=929.1 kW·h。也就是说理论上应急电源储能系统可以支撑主扇和局扇通风机1 h的满负荷工作（远大于30 min的设计要求）。除此外，当铅酸蓄电池组供电能力不足时，锂电池组可作为铅酸蓄电池组的备用，为重要负荷提供电能。

3.2 PCS系统

为使储能系统具备更高的可靠性并充分配合电池部分的设计，系统为每组电池都配备了与其对应的PCS单元。由于篇幅所限，以下仅以铅酸储能系统为例进行详细说明。

铅酸储能系统的PCS主回路拓扑采用单级式三相桥结构设计（图4），单台容量250 kW，8台并联共计2 MW。PCS单元的交流侧通过双分裂升压变压器（每两台PCS共用一个变压器）与平沟煤矿35 kV变电所的6 kV母线相连；直流侧与串联成组的蓄电池相连。为解决铅酸电池充放电的纹波问题，PCS系统在硬件和软件上都进行了特殊设计。在硬件方面，系统采用了主功率拓扑与低功率并联型充电模块互补的设计方案。当采用大电流充电时，PCS系统直接采用主功率拓扑充电；在充电电流降低到20 A以下时，系统切换至低功率并联型充电模块充电；在进入涓流模式时，系统会关闭并联充电模块的其它单元，确保仅以最小电流充电，以满足蓄电池充电特性的要求，提高蓄电池的使用寿命和安全、可靠性；在软件方面，系统可根据预先的参数设定和具体的蓄电池充电特性曲线，为蓄电池组提供包括恒流充电、恒压充电和恒压涓流充电在内的多种充放电操作。PCS系统的整体构成示意图如图5所示。利用RTDS对该系统进行了仿真验证，储能变流器的交流侧的仿真波形如图6所示。

图4 PCS电路拓扑示意图Fig.4 Circuit topology of PCS

图5 PCS系统示意图Fig.5 Description drawing of PCS system

图6 储能变流器交流侧仿真结果Fig.6 AC side simulation result of PCS

总体而言，本项目PCS系统的设计特点可以概括如下。

（1）储能变流系统的构架设计 为提高可靠性并降低因设备故障而造成系统瘫痪的风险，本项目将8台250 kW矿用储能变流器并联使用并且通过控制算法确保单台故障PCS的退出不会影响其它设备的正常运行。不仅如此，设计方案还通过软件（异步锁相技术以及幅值差控制相结合的环流抑制控制算法）与硬件（外加电抗器）相结合的方法解决了设备之间的并联环流问题。

（2）铅酸电池智能维护高级控制策略 由于应急电源功能使用的频次较低，为避免铅酸蓄电池因为长期闲置造成性能衰减，PCS系统专门针对铅酸蓄电池配备了智能维护高级控制策略，定期分时、分模块根据厂家要求及实际使用情况综合考虑，对蓄电池组进行必要的保养维护。

（3）智能运行及保护策略 在运行保护策略方面，考虑到煤矿地区对安全性的特殊要求和故障的危害程度，将保护分为模块级、装置级和系统级；针对电机的突然启动等冲击问题，PCS系统配备专用高级保护策略，通过多次故障确认以及限流输出等措施，确保为主扇、局扇等重要负荷安全可靠供电。

4 结 论

（1）随着国家对煤矿安全生产的愈发重视、煤炭行业相关安全规范的进一步严格，兆瓦级储能系统在煤矿应急电源领域将具有广阔的应用前景。本工作研究并实施了基于铅酸电池和磷酸铁锂电池的混合型储能系统在乌海平沟煤矿智能应急电源中的应用，具有一定的前瞻性和实用价值。

（2）为提高设备利用率、改善项目的经济型并提高用户单位的参与积极性，储能系统的“多功能化”势在必行。本工作建设的兆瓦级储能电站除具有应急电源的功能外，还兼具了无功补偿、负荷平滑等多种功能，为储能系统的多样性应用进行了探索。

（3）煤矿应用环境对储能应急电源系统的安全性和可靠性有着极高的要求，因此本工作在储能电池的选型和成组设计以及储能变流器系统（PCS）的电路拓扑和软硬件设计方面都进行了有针对性的工作，力求通过完善的考虑和设计尽量提高储能系统的安全性、可靠性、经济性和使用寿命，为今后的商业化推广奠定坚实的基础。

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