煤礦用低壓并聯型應急儲能第三電源系統設計與應用

孫廣建 張強 史春光 張傳祥 符茂銳 郭向偉

摘 要：【目的】永煤順和礦處于永煤礦區供電系統末端，供電能力較為薄弱，且供電線路周邊環境復雜，一旦發生雙回路停電等事故，對礦井安全構成重大安全隱患。為確保煤礦生產安全，同時提高順和礦供電可靠性、經濟性，對順和礦低壓并聯型應急儲能第三電源系統展開研究及設計。【方法】基于順和礦供電特點及主要參數，提出應急儲能系統容量等級，分析了應急儲能第三電源系統儲能變流器等關鍵技術的設計需求，明確了設計目標；基于設計目標，對電氣一次系統、應急電源方案、儲能變流器等關鍵技術進行了細致的研究與設計。【結果】基于河南省工業電價計費方式，對所設計的應急儲能第三電源系統整體效率及投資回報率進行了分析計算，表明所設計的應急儲能第三電源系統既可保障順和礦可靠運行，又具有較為可觀的經濟性。【結論】順和礦應急儲能第三電源項目作為全國首個2 MW/4 MWh煤礦用低壓并聯型應急儲能第三電源示范項目，在全國煤礦應急第三電源建設中具有較大的推廣應用價值。

關鍵詞：應急儲能第三電源系統；應急電源；儲能變流器

中圖分類號：TD625 ? ? ? 文獻標志碼：A ? ? ? ?文章編號：1003-5168（2023）14-0074-08

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.14.015

Design and Application of Low Voltage Parallel Emergency Energy Storage Third Power Supply System for Coal Mines

SUN Guangjian1 ZHANG Qiang1 SHI Chunguang1 ZHANG Chuanxiang2 FU Maorui3

GUO Xiangwei2

（1. Yongmei Group Co.， Ltd.， Shangqiu 476600， China; 2. School of Chemistry and Chemical Engineering， Henan University of Technology， Jiaozuo 454001， China; 3. Nanjing Nanrui Jibao Engineering Technology Co.， Ltd.， Nanjing 211102， China）

Abstract： [Purposes] Yongmei Shunhe Mine is at the end of the power supply system in Yongmei Mine， with a weak power supply capacity and a complex environment around the power supply lines， which poses a greater threat to mine safety in case of accidents such as double circuit blackouts. In order to improve the reliability and economy of power supply in Shunhe mine and ensure the safety of coal mine production， the article researches and designs the low-voltage parallel-type emergency energy storage third power system in Shunhe mine. [Methods] Based on the power supply characteristics and main parameters of the Shunhe mine， the capacity level of the emergency energy storage system was proposed， the design requirements of key technologies such as the emergency energy storage third power system storage converter were analyzed and the design objectives were clarified; based on the design objectives， the key technologies such as the electrical primary system， the emergency power supply scheme and the energy storage converter were meticulously studied and designed. [Findings] Based on the industrial tariff billing method in Henan Province， the overall efficiency and return on investment of the designed emergency energy storage third power system were analyzed and calculated. It is shown that the designed emergency energy storage third power system can guarantee the reliable operation of Shunhe mine and also has a considerable economic performance. [Conclusions] The Shunhe mine emergency energy storage third power project， as the first 2 MW/4 MWh coal mine with low-voltage parallel-type emergency energy storage third power demonstration project， has great promotion and application value in the national coal mine emergency third power construction.

Keywords： emergency energy storage third-party power system; emergency power supply; energy storage converter

0 引言

發展以可再生能源為主體的新型電力系統是國際社會推動能源綠色轉型、保障能源安全，以及加速實現雙碳目標的重要舉措［1-2］。而儲能系統作為電力系統的靈活性調節資源，不僅可提高常規發電和輸電的效率、安全性和經濟性，也可實現可再生能源大規模接入時的平滑波動、調峰調頻，在包含高比例可再生新能源的新型電力系統中發揮重要作用。

目前最為成熟的電力儲能技術是抽水蓄能，抽水蓄能技術成熟度高且使用壽命長，但選址受地理因素影響較大且施工周期較長，在電力系統中的應用受限。以電池儲能為代表的新型電化學儲能具有調節速度快、布置靈活、建設周期短等特點，已逐漸成為提升電力系統可靠性的重要手段［3-4］。電池儲能系統的應用研究獲得了國內外工業界的高度關注。

安全是煤礦生產的頭等大事，煤礦供電安全既屬于煤礦生產安全的一部分，又是煤礦生產安全的前提。永城煤電控股集團順和煤礦位于永城市主城區30 km外的順和鎮夏樓村，處于永煤礦區供電系統末端，供電能力較為薄弱，且該礦供電線路周邊環境極為復雜，一旦發生雙回路停電等事故，由于交通距離較遠，加之路況環境差，極易影響應急搶險、恢復送電時間，對礦井安全構成重大威脅。因此，亟須建設第三電源，即建設大容量低壓并聯型應急儲能第三電源，以提高順和礦供電可靠性和保障煤礦安全生產。

1 關鍵技術設計要求

永城煤電控股集團有限公司擬在順和煤礦建設一套磷酸鐵鋰電池儲能系統，順和礦共有兩路電源回路，一路來自陳四樓110 kV變電站，輸電線路總長12.3 km；另一路來自城郊西風井110 kV變電站，輸電線路總長20.5 km。規劃儲能總容量為2 MW/4 MWh（最低配置容量），并網電壓等級為6 kV，儲能系統需作為煤礦通風機（800 kW）及副井絞車（1 000 kW）的應急備用電源，保障其在失電條件下的可靠供電，峰谷套利模式可設置預留電量，支撐重要負荷至少50 min。

另外，儲能系統需具備離網黑啟動功能，且無需外部設備供電。實現方式包括但不限于：檢測到6 kV Ⅰ段、Ⅱ段母線全部失壓時，儲能系統瞬間脫離電網，配置相關解列裝置可迅速切除變電站6 kV進線、母聯及負荷，運維人員確認具備黑啟動條件后，手動切換儲能變流器（Power Conversion System，PCS）運行在離網模式下，保障快速恢復關鍵負載供電。電網側恢復供電后，進線開關可同期并網，PCS可實現無縫離并網切換［5-6］。儲能系統離網運行時多個PCS之間不允許出現功率振蕩和環流；同時，能夠接收電網協調控制系統/穩定控制系統的控制命令并快速響應，全系統響應時間不大于100 ms。

應急儲能系統作為第三電源，設計內容主要包含電氣一次系統、應急電源方案、儲能變流器、電池艙和電氣二次系統設計等［7］，其中儲能變流器、電池艙、電氣二次系統作為儲能系統關鍵部件，需要針對永煤順和礦具體供電形式提出相應設計要求。

1.1 儲能變流器設計要求

儲能變流器除了滿足常規自動化運行、運行狀態可視化及通信、安全保護等國標外，高/低電壓穿越和動態無功支撐能力應滿足以下要求。

電力系統發生故障時，并網點考核電壓應具備如圖1所示的低電壓穿越能力，即并網點電壓在圖1中曲線1輪廓線及以上區域時，儲能系統應保證不脫網連續運行。否則，允許儲能系統脫網。低電壓穿越具體要求為：儲能變流器并網點電壓跌至零時，儲能變流器能夠保證不脫網連續運行0.15 s；對電力系統故障期間沒有切出的儲能變流器，其有功功率在故障清除后應能快速恢復，自故障清除時刻開始，以至少30%額定功率/秒的功率變化率恢復至故障前的值。

電力系統發生故障時，并網點考核電壓應具備如圖2所示的高電壓穿越能力。并網點電壓在圖2中曲線2輪廓線及以下區域時，儲能系統應保證不脫網連續運行；并網點電壓在圖2中曲線2輪廓線以上區域時，允許儲能系統與電網斷開連接。

當電力系統發生短路故障引起電壓跌落時，儲能變流器注入電網的動態無功電流應滿足：自并網點電壓跌落的時刻起，動態無功電流的響應時間應不大于30 ms。自動態無功電流響應起直到電壓恢復至0.85 p.u.期間，儲能變流器注入電力系統的動態無功電流應實時跟蹤并網點電壓變化，并應滿足式（1）至式（3）。

[IN≥1.6×0.85-UTIN ? ?0.2≤UT≤0.85] （1）

[IT≥1.04×IN ? ?UT≤0.2] （2）

[IT=0 ? ?UT>0.85] （3）

式中：UT表示儲能變流器并網點電壓標幺值；IN表示儲能變流器額定電流。

1.2 電池艙系統設計要求

電池艙作為應急儲能第三電源系統的基礎設備，除了生產、制造過程滿足相應國標外，針對順和煤礦儲能容量及并網電壓等級的具體要求，制定如下電池艙系統設計要求。

1.2.1 電池艙本體設計要求。針對電池單體，標稱容量大于等于206 Ah，循環次數達到1 000次時，充電能量保持率不小于90%；針對電池模塊，循環次數達到500次時，充放電能量保持率不小于90%。

針對電池簇，常溫條件下，初始充放電能量不小于額定充電能量；能量效率不小于92%；按標稱電壓計算，電池模塊正極與外部裸露可導電部分之間、電池模塊負極與外部裸露可導電部分之間的絕緣電阻均不應小于1 000 Ω/V。

另外，高低溫充放電性能滿足《電力儲能用鋰離子電池》（GB/T 36276—2018）。

1.2.2 電池管理系統設計要求。電池管理系統（Battery Management System，BMS）應實現高精度、高可靠性的單體電壓和溫度的采集，同時對電池儲能設備荷電狀態（State of Charge，SoC）進行高精度估算，并通過均衡控制電路實現電池單體間電量均衡［8-10］。在電池數據異常的情況下，進行故障告警和保護。

1.3 電氣二次系統設計要求

電氣二次系統應配備能量管理系統（Energy Management System，EMS），具備接入原升壓站監控系統接口，統一協調控制儲能成套工程中的各個設備，同時管理統計儲能系統充放電電量與儲能系統各組成設備，對其進行調節控制和相關運行參數的采集。

能量管理系統應具有實時數據采集與監視、自動充放電控制與計劃、系統保護等功能［11］，對上接入升壓站遠動系統、站控層交換機，對下與電池艙系統通信，實現就地設備的控制和管理。

2 關鍵技術設計

本節基于順和礦實際供電形式，結合設計要求，對電氣一次系統、應急電源方案、儲能變流器、電池艙、電氣二次系統展開具體設計。

2.1 電氣一次系統設計

2 MW/4.128 MWh儲能系統由2組2.064 MWh電池堆分別經2臺1 000 kW（1 725 kW降容使用）變流器逆變成交流690 V，2臺變流器交流側并聯接入升壓變的低壓繞組，同時配置一臺80 kVA輔助變。儲能系統主接線示意如圖3所示，每臺升壓變的變比為6 kV/0.69 kV，容量為2 080 kVA，采用干變形式，接入一個6 kV間隔并網。

2.2 應急電源方案設計

永煤集團110 kV順和變兩回6 kV線路（副井絞車、通風機）需提供保安電源，保障網側失電情況下，礦井下可持續通風，并使人員及時撤離?？紤]到順和變負荷功率及儲能充電時不能導致系統容量電費增加，建設2 MW/4 MWh儲能，接入項目所在的6 kV母線，共計1回集電線路，經一個匯流斷路器接入6 kV母線。儲能系統作為應急電源用，方案設計主要包括系統構成、負荷構成分析，及應急方案設計等內容。

2.2.1 系統構成及控制目標。順和變現有2臺110 kV主變，6 kV低壓側采用單母分段接線方式。Ⅰ段母線重要負荷為通風機Ⅰ回，副井絞車Ⅰ回，Ⅱ段母線重要負荷為通風機Ⅱ回，副井絞車Ⅱ回。2 MW/4 MWh儲能線路規劃接入6 kV Ⅰ段備用間隔。

2.2.2 負荷構成分析及儲能配置。永煤順和礦關鍵負荷構成如下：0.8 MW通風機負荷，啟動后需長時間運行；1 MW副井絞車，視礦井人員情況間歇啟停。黑啟動及運行中，主要負荷需求如下：通風機穩定運行額定功率800 kW，后臺采集最大功率650 kW；副井絞車穩定運行額定功率1 000 kW，后臺采集最大功率860 kW。由于風機和絞車電機帶變頻器啟動，風機啟動功率經確認不大于額定功率800 kW，副井絞車啟動功率不大于1.5倍額定功率，即1.5 MW?？紤]兩回負荷啟動順序，則黑啟動及運行中最大負荷需求為0.8 MW+1.5 MW=2.3 MW。

因此，本設計儲能配置容量為2 MW/4 MWh，系統功率可1.5倍持續運行10 s，滿足最大負荷需求。

2.2.3 應急供電方案設計。

①失電判定及形成孤島電網。關鍵負荷失電后，首先要形成最小范圍孤島電網，為儲能系統恢復供電做準備。孤島電網范圍大小應考慮實際需求及儲能系統黑啟動能力。孤島電網范圍以外的回路，應在黑啟動之前提前分斷電氣連接。

永煤順和礦供電系統實際運行中，孤島控制裝置主要有如下動作情況。1）原升壓站備自投裝置檢測到Ⅰ母首先失壓時，孤島控制裝置失壓判據啟動，備自投切Ⅰ母進線電源及儲能支路，合母聯開關，Ⅰ母恢復帶電，孤島控制裝置失壓延時未到出口。此時Ⅱ母進線電源同時帶Ⅰ、Ⅱ母負荷，若Ⅱ母進線電源也失電，Ⅰ母永久失壓，孤島控制裝置失壓判據啟動，經延時出口，切除母聯開關及Ⅰ段母線所有支路開關（包含進線電源和儲能支路）。2）原升壓站備自投裝置檢測到Ⅱ母首先失壓時，切Ⅱ母進線電源，合母聯開關。Ⅰ母進線電源同時帶Ⅰ、Ⅱ母負荷，此時若Ⅰ母進線電源也失電，Ⅰ母永久失壓，孤島控制裝置失壓判據啟動，經延時出口，切除母聯開關及Ⅰ段母線所有支路開關（包含進線電源及儲能支路）。

②黑啟動恢復供電。后臺監控檢查孤島電網條件具備、儲能系統設備正常后，在后臺監控中啟動黑啟動程序，程序自動校驗孤島電網相關支路的開關位置，再次確認孤島電網條件，隨后自動啟動儲能系統，以電壓源模式零起升壓，一直升至額定電壓。電壓穩定后，逐一投入重要負荷，完成對所有重要負荷的應急供電；每個電機等沖擊性負荷均需達到額定穩定運行后方可投入下一個負荷。

③電網電源恢復。電網電源恢復時，采用同期并網方式，實現離并網切換。儲能協調控制裝置采集并網點兩側電壓值作為同期合閘的判據，在接到后臺監控的同期指令后自動同期并網；在輸出并網開關同期合閘出口的同時，儲能協調控制裝置給變流器發送模式切換指令，調整至功率控制模式，實現同期并網。

2.3 儲能變流器設計

儲能變流器采用基于IGBT的電壓源型換流器拓撲，通過交流側濾波器實現對開關頻率諧波的濾波，通過交直流側電磁兼容（Electromagnetic Compatibility，EMC）濾波器實現對高頻諧波干擾的濾波。直流側設置負荷開關和熔絲實現直流側故障的保護和隔離，交流側設置接觸器和斷路器實現交流側電網的聯接及故障的隔離。儲能變流器可通過脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation，PWM）靈活控制輸出的電壓相位和幅值，利用輸出電壓與電網電壓的相位和幅值差，在輸出側濾波電感上形成有功和無功電流，從而達到控制注入電網的有功、無功功率四象限運行的目的。雙向儲能變流器的一次結構及二次原理如圖4所示。

2.4 電池艙設計

本項目采用高安全性磷酸鐵鋰電池儲能方案，保證通風及提升系統等重要負荷的安全平穩運行，減少停電事故對生產安全的影響［12］。

2.4.1 總體方案。每套電池艙裝機容量為4.128 MWh，接入2臺1 000 kW變流器。儲能電池系統由2堆電池構成，每堆外接一臺變流器，每套儲能電池艙配備消防系統、暖通系統、配電系統、電池管理系統。

2.4.2 電池及電池架。電池單體采用方形鋁殼設計，避免電芯表面被機械損壞而導致電芯內部受損的可能性，提高了產品的安全性能。電芯上安裝防爆閥，確保在任何極端情況下，如內部短路、電池過充過放等，導電芯里面迅速聚集大量氣體可以通過防爆閥排出，確保電芯不會爆炸［13］。電池架為框架式結構，由整體焊接而成，電池架采用靜電噴涂進行表面處理以達到防腐、美觀的效果。

2.4.3 電池艙熱管理系統設計。儲能電池艙采用空調散熱，風管安裝在艙頂及側壁上，空調出風口對接風管將冷風送至電池簇間，電池模組自身風機抽冷風，對電池單體進行冷卻。每套儲能電池配置獨立工業空調，對稱布置，通過風管導流確保艙內氣流組織合理，電池模組溫升均勻一致。

儲能電池艙內主要熱源是電池單體，針對順和礦2 MW/4 MW儲能系統配置4臺制冷量的空調。

2.4.4 電池管理系統。通過對電池儲能系統進行分層、分級、統一管理，根據各層級特性對電池（單體、模組、簇、堆）的電壓、電流、溫度及SoC、SoH等運行狀態進行實時檢測分析，實現檢測、控制、保護等有效管理，確保電池系統安全穩定運行［14-15］。設計的三級BMS構架拓撲示意如圖5所示。

2.4.5 消防系統設計。針對電氣火災設計，電池艙內部集成七氟丙烷氣體滅火系統。整個氣體滅火系統設有自動控制、手動控制兩種啟動方式。電池艙內設置開式雨淋系統，由開式噴頭和供水管網組成，在緊急情況下，可以接入消防車、室外消火栓，快速將消防水輸送到艙內。場地消防配置上，建議在電池艙外設置滅火器箱，箱內放置磷酸銨鹽干粉滅火器。

2.5 電氣二次系統設計

電氣二次系統設計任務包括：1）電站按“無人值班”（少人值守）的方式進行設計；2）儲能電站按“兩網”進行設計，即站控層網絡和控制層網絡獨立；3）儲能通信接口滿足與上層EMS接口無縫對接。本設計儲能系統通信采用三層兩網結構，整體通信結構如圖6所示。

儲能監控系統采用開放式分層分布結構，分為站控層、間隔層及網絡設備。間隔層包括保護測控裝置、電池管理系統、功率變換系統等設備，完成本間隔設備的就地監視、信息遠傳等。與站控層之間通過61850規約通信，采用網線或光纜進行連接。站控層包括監控服務器、變流器協調控制器、規約轉換等設備，實現儲能全站的監視控制、能量管理，并實現與新能源廠站監控系統及調度集控等信息交互。儲能監控系統典型通信拓撲如圖7所示，以太網實時通信狀態可以通過監控畫面實時監控。

3 儲能系統整體效率及投資回報率分析

3.1 儲能系統效率計算

根據2 MW/4 MW儲能系統電池簇、變流器、變壓器的參數，假設電池簇充放效率為常見的92%，變流器額定整流效率為98.16%，逆變效率為98.52%，變壓器額定效率為99%，線路等其他環節損耗按照0.5%考慮。額定充放條件下，交流側匯集線路出口效率約為：92%×97.94%×98.30%×99%×99%×99.5%=86.38%。

3.2 投資回報率分析

3.2.1 運行策略分析。根據河南省2023年5月110 kV工業用戶代理電價計算（實際電價可能略有差異），高峰時段電價為1.137 857元/度，平時段電價為0.705 089元/度，低谷時段為0.306 131元/度。每年1月、7—8月、12月，對分時電價電力用戶執行尖峰電價，尖峰電價在其他月份高峰段電價基礎上上浮20%。

根據分時電價時段，儲能系統可以實現每天兩充兩放。第一次充電：23：00—7：00平時電價時段充電，充電盡量采用小功率充電，避免主變過載及基本電費增加；第一次放電：10：00—14：00高峰電價時段放電（7—8月時，12：00—14：00尖峰電價時段放電）；第二次充電：14：00—17：00平時電價時段充電，充電盡量采用小功率充電，避免主變過載及基本電費增加；第二次放電：17：00—21：00高峰時電價時段放電。其中7—8月，19：00—21：00尖高峰電價時段放電；1月、12月，18：00—20：00尖高峰電價時段放電。

3.2.2 經濟性分析。

①投資預算。初步按儲能系統EPC總包1.62元/瓦時計算，2 MW/4 MW儲能系統總投資約648萬元。②運行收益。收益主要來自儲能系統峰谷套利，儲能在平谷時電價時段充電，在尖高峰電價時段放電，從而產生二者之間的電費差。特殊情況下，如限電時，儲能還會起到更大的應急支撐作用，保證辦公和部分生產，本節暫不考慮該部分收益?？紤]部分儲能作為應急電源，其余容量用于峰谷套利。計算條件：考慮1.5 MWh的儲能作為應急電源（保障部分負荷運行50 min），剩余2.5 MWh容量用于峰谷套利，參考測算數據，儲能整體運行效率約為85%，每年運行330 d，每天按以上運行策略兩充兩放，生命周期10年，折舊率5%。

僅為2.5 MWh儲能峰谷套利帶來的運行收益見表1，由表1可得到以下結論。僅考慮峰谷套利實現收益，大約8～9年可以收回成本；全壽命周期累計收益約770萬元，折舊合計到第10年收益里。此外1.5 MWh儲能作為應急電源在外部停電或者限電情況下保障部分重要負荷不間斷運行，可發揮更高的投資價值。若2 MW/4 MWh儲能全部來自峰谷套利，靜態投資回收期約為5～6年，全壽命周期內部收益率約為14%。

4 結語

安全是煤礦生產的頭等大事。永煤順和礦處于永煤礦區供電系統末端，供電能力較為薄弱，且供電線路周邊環境復雜，一旦發生雙回路停電等事故，對礦井安全構成重大威脅。為提高順和礦供電可靠性和確保生產安全，本研究基于順和礦實際需求，對2 MW/4 MWh并聯型應急儲能系統第三電源進行研究與設計。首先，分析了高壓應急儲能系統儲能變流器等關鍵技術的設計需求，明確了設計目標；其次，基于設計目標，對電氣一次系統、應急電源方案、儲能變流器等關鍵技術進行了細致的研究與設計；最后，基于河南省工業電價計費方式，對所設計的高壓應急儲能系統整體效率及投資回報率進行了分析計算，表明所設計的儲能系統第三電源既可保障順和礦可靠運行，又具有較為可觀的經濟性。本研究設計內容對于順和礦建設應急儲能第三電源，完善永煤礦區應急電源建設具有重要現實意義，相較過去以往國內在煤礦應急第三電源建設上，采用傳統電力專線或柴油發電裝置等供電方式，具有投資少、回收周期短、經濟效益可觀等特點，在全國煤礦應急第三電源建設中具有較大的推廣應用價值。

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