煤矿用低压并联型应急储能第三电源系统设计与应用

孙广建 张强 史春光 张传祥 符茂锐 郭向伟

摘 要：【目的】永煤順和矿处于永煤矿区供电系统末端，供电能力较为薄弱，且供电线路周边环境复杂，一旦发生双回路停电等事故，对矿井安全构成重大安全隐患。为确保煤矿生产安全，同时提高顺和矿供电可靠性、经济性，对顺和矿低压并联型应急储能第三电源系统展开研究及设计。【方法】基于顺和矿供电特点及主要参数，提出应急储能系统容量等级，分析了应急储能第三电源系统储能变流器等关键技术的设计需求，明确了设计目标；基于设计目标，对电气一次系统、应急电源方案、储能变流器等关键技术进行了细致的研究与设计。【结果】基于河南省工业电价计费方式，对所设计的应急储能第三电源系统整体效率及投资回报率进行了分析计算，表明所设计的应急储能第三电源系统既可保障顺和矿可靠运行，又具有较为可观的经济性。【结论】顺和矿应急储能第三电源项目作为全国首个2 MW/4 MWh煤矿用低压并联型应急储能第三电源示范项目，在全国煤矿应急第三电源建设中具有较大的推广应用价值。

关键词：应急储能第三电源系统；应急电源；储能变流器

中图分类号：TD625       文献标志码：A        文章编号：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

发展以可再生能源为主体的新型电力系统是国际社会推动能源绿色转型、保障能源安全，以及加速实现双碳目标的重要举措［1-2］。而储能系统作为电力系统的灵活性调节资源，不仅可提高常规发电和输电的效率、安全性和经济性，也可实现可再生能源大规模接入时的平滑波动、调峰调频，在包含高比例可再生新能源的新型电力系统中发挥重要作用。

目前最为成熟的电力储能技术是抽水蓄能，抽水蓄能技术成熟度高且使用寿命长，但选址受地理因素影响较大且施工周期较长，在电力系统中的应用受限。以电池储能为代表的新型电化学储能具有调节速度快、布置灵活、建设周期短等特点，已逐渐成为提升电力系统可靠性的重要手段［3-4］。电池储能系统的应用研究获得了国内外工业界的高度关注。

安全是煤矿生产的头等大事，煤矿供电安全既属于煤矿生产安全的一部分，又是煤矿生产安全的前提。永城煤电控股集团顺和煤矿位于永城市主城区30 km外的顺和镇夏楼村，处于永煤矿区供电系统末端，供电能力较为薄弱，且该矿供电线路周边环境极为复杂，一旦发生双回路停电等事故，由于交通距离较远，加之路况环境差，极易影响应急抢险、恢复送电时间，对矿井安全构成重大威胁。因此，亟须建设第三电源，即建设大容量低压并联型应急储能第三电源，以提高顺和矿供电可靠性和保障煤矿安全生产。

1 关键技术设计要求

永城煤电控股集团有限公司拟在顺和煤矿建设一套磷酸铁锂电池储能系统，顺和矿共有两路电源回路，一路来自陈四楼110 kV变电站，输电线路总长12.3 km；另一路来自城郊西风井110 kV变电站，输电线路总长20.5 km。规划储能总容量为2 MW/4 MWh（最低配置容量），并网电压等级为6 kV，储能系统需作为煤矿通风机（800 kW）及副井绞车（1 000 kW）的應急备用电源，保障其在失电条件下的可靠供电，峰谷套利模式可设置预留电量，支撑重要负荷至少50 min。

另外，储能系统需具备离网黑启动功能，且无需外部设备供电。实现方式包括但不限于：检测到6 kV Ⅰ段、Ⅱ段母线全部失压时，储能系统瞬间脱离电网，配置相关解列装置可迅速切除变电站6 kV进线、母联及负荷，运维人员确认具备黑启动条件后，手动切换储能变流器（Power Conversion System，PCS）运行在离网模式下，保障快速恢复关键负载供电。电网侧恢复供电后，进线开关可同期并网，PCS可实现无缝离并网切换［5-6］。储能系统离网运行时多个PCS之间不允许出现功率振荡和环流；同时，能够接收电网协调控制系统/稳定控制系统的控制命令并快速响应，全系统响应时间不大于100 ms。

应急储能系统作为第三电源，设计内容主要包含电气一次系统、应急电源方案、储能变流器、电池舱和电气二次系统设计等［7］，其中储能变流器、电池舱、电气二次系统作为储能系统关键部件，需要针对永煤顺和矿具体供电形式提出相应设计要求。

1.1 储能变流器设计要求

储能变流器除了满足常规自动化运行、运行状态可视化及通信、安全保护等国标外，高/低电压穿越和动态无功支撑能力应满足以下要求。

电力系统发生故障时，并网点考核电压应具备如图1所示的低电压穿越能力，即并网点电压在图1中曲线1轮廓线及以上区域时，储能系统应保证不脱网连续运行。否则，允许储能系统脱网。低电压穿越具体要求为：储能变流器并网点电压跌至零时，储能变流器能够保证不脱网连续运行0.15 s；对电力系统故障期间没有切出的储能变流器，其有功功率在故障清除后应能快速恢复，自故障清除时刻开始，以至少30%额定功率/秒的功率变化率恢复至故障前的值。

电力系统发生故障时，并网点考核电压应具备如图2所示的高电压穿越能力。并网点电压在图2中曲线2轮廓线及以下区域时，储能系统应保证不脱网连续运行；并网点电压在图2中曲线2轮廓线以上区域时，允许储能系统与电网断开连接。

当电力系统发生短路故障引起电压跌落时，储能变流器注入电网的动态无功电流应满足：自并网点电压跌落的时刻起，动态无功电流的响应时间应不大于30 ms。自动态无功电流响应起直到电压恢复至0.85 p.u.期间，储能变流器注入电力系统的动态无功电流应实时跟踪并网点电压变化，并应满足式（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表示储能变流器并网点电压标幺值；IN表示储能变流器额定电流。

1.2 电池舱系统设计要求

电池舱作为应急储能第三电源系统的基础设备，除了生产、制造过程满足相应国标外，针对顺和煤矿储能容量及并网电压等级的具体要求，制定如下电池舱系统设计要求。

1.2.1 电池舱本体设计要求。针对电池单体，标称容量大于等于206 Ah，循环次数达到1 000次时，充电能量保持率不小于90%；针对电池模块，循环次数达到500次时，充放电能量保持率不小于90%。

针对电池簇，常温条件下，初始充放电能量不小于额定充电能量；能量效率不小于92%；按标称电压计算，电池模块正极与外部裸露可导电部分之间、电池模块负极与外部裸露可导电部分之间的绝缘电阻均不应小于1 000 Ω/V。

另外，高低温充放电性能满足《电力储能用锂离子电池》（GB/T 36276—2018）。

1.2.2 电池管理系统设计要求。电池管理系统（Battery Management System，BMS）应实现高精度、高可靠性的单体电压和温度的采集，同时对电池储能设备荷电状态（State of Charge，SoC）进行高精度估算，并通过均衡控制电路实现电池单体间电量均衡［8-10］。在电池数据异常的情况下，进行故障告警和保护。

1.3 电气二次系统设计要求

电气二次系统应配备能量管理系统（Energy Management System，EMS），具备接入原升压站监控系统接口，统一协调控制储能成套工程中的各个设备，同时管理统计储能系统充放电电量与储能系统各组成设备，对其进行调节控制和相关运行参数的采集。

能量管理系统应具有实时数据采集与监视、自动充放电控制与计划、系统保护等功能［11］，对上接入升压站远动系统、站控层交换机，对下与电池舱系统通信，实现就地设备的控制和管理。

2 关键技术设计

本节基于顺和矿实际供电形式，结合设计要求，对电气一次系统、应急电源方案、储能变流器、电池舱、电气二次系统展开具体设计。

2.1 电气一次系统设计

2 MW/4.128 MWh储能系统由2组2.064 MWh电池堆分别经2台1 000 kW（1 725 kW降容使用）变流器逆变成交流690 V，2台变流器交流侧并联接入升压变的低压绕组，同时配置一台80 kVA辅助变。储能系统主接线示意如图3所示，每台升压变的变比为6 kV/0.69 kV，容量为2 080 kVA，采用干变形式，接入一个6 kV间隔并网。

2.2 应急电源方案设计

永煤集团110 kV顺和变两回6 kV线路（副井绞车、通风机）需提供保安电源，保障网侧失电情况下，矿井下可持续通风，并使人员及时撤离。考虑到顺和变负荷功率及储能充电时不能导致系统容量电费增加，建设2 MW/4 MWh储能，接入项目所在的6 kV母线，共计1回集电线路，经一个汇流断路器接入6 kV母线。储能系统作为应急电源用，方案设计主要包括系统构成、负荷构成分析，及应急方案设计等内容。

2.2.1 系统构成及控制目标。顺和变现有2台110 kV主变，6 kV低压侧采用单母分段接线方式。Ⅰ段母线重要负荷为通风机Ⅰ回，副井绞车Ⅰ回，Ⅱ段母线重要负荷为通风机Ⅱ回，副井绞车Ⅱ回。2 MW/4 MWh储能线路规划接入6 kV Ⅰ段备用间隔。

2.2.2 负荷构成分析及储能配置。永煤顺和矿关键负荷构成如下：0.8 MW通风机负荷，启动后需长时间运行；1 MW副井绞车，视矿井人员情况间歇启停。黑启动及运行中，主要负荷需求如下：通风机稳定运行额定功率800 kW，后台采集最大功率650 kW；副井绞车稳定运行额定功率1 000 kW，后台采集最大功率860 kW。由于风机和绞车电机带变频器启动，风机启动功率经确认不大于额定功率800 kW，副井绞车启动功率不大于1.5倍额定功率，即1.5 MW。考虑两回负荷启动顺序，则黑启动及运行中最大负荷需求为0.8 MW+1.5 MW=2.3 MW。

因此，本设计储能配置容量为2 MW/4 MWh，系统功率可1.5倍持续运行10 s，满足最大负荷需求。

2.2.3 应急供电方案设计。

①失电判定及形成孤岛电网。关键负荷失电后，首先要形成最小范围孤岛电网，为储能系统恢复供电做准备。孤岛电网范围大小应考虑实际需求及储能系统黑启动能力。孤岛电网范围以外的回路，应在黑启动之前提前分断电气连接。

永煤顺和矿供电系统实际运行中，孤岛控制装置主要有如下动作情况。1）原升压站备自投装置检测到Ⅰ母首先失压时，孤岛控制装置失压判据启动，备自投切Ⅰ母进线电源及储能支路，合母联开关，Ⅰ母恢复带电，孤岛控制装置失压延时未到出口。此时Ⅱ母进线电源同时带Ⅰ、Ⅱ母负荷，若Ⅱ母进线电源也失电，Ⅰ母永久失压，孤岛控制装置失压判据启动，经延时出口，切除母联开关及Ⅰ段母线所有支路开关（包含进线电源和储能支路）。2）原升压站备自投装置检测到Ⅱ母首先失压时，切Ⅱ母进线电源，合母联开关。Ⅰ母进线电源同时带Ⅰ、Ⅱ母负荷，此时若Ⅰ母进线电源也失电，Ⅰ母永久失压，孤岛控制装置失压判据启动，经延时出口，切除母联开关及Ⅰ段母线所有支路开关（包含进线电源及储能支路）。

②黑启动恢复供电。后台监控检查孤岛电网条件具备、储能系统设备正常后，在后台监控中启动黑启动程序，程序自动校验孤岛电网相关支路的开关位置，再次确认孤岛电网条件，随后自动启动储能系统，以电压源模式零起升压，一直升至额定电压。电压稳定后，逐一投入重要负荷，完成对所有重要负荷的应急供电；每个电机等冲击性负荷均需达到额定稳定运行后方可投入下一个负荷。

③电网电源恢复。电网电源恢复时，采用同期并网方式，实现离并网切换。储能协调控制装置采集并网点两侧电压值作为同期合闸的判据，在接到后台监控的同期指令后自动同期并网；在输出并网开关同期合闸出口的同时，储能协调控制装置给变流器发送模式切换指令，调整至功率控制模式，实现同期并网。

2.3 储能变流器设计

储能变流器采用基于IGBT的电压源型换流器拓扑，通过交流侧滤波器实现对开关频率谐波的滤波，通过交直流侧电磁兼容（Electromagnetic Compatibility，EMC）滤波器实现对高频谐波干扰的滤波。直流侧设置负荷开关和熔丝实现直流侧故障的保护和隔离，交流侧设置接触器和断路器实现交流侧电网的联接及故障的隔离。储能变流器可通过脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）灵活控制输出的电压相位和幅值，利用输出电压与电网电压的相位和幅值差，在输出侧滤波电感上形成有功和无功电流，从而达到控制注入电网的有功、无功功率四象限运行的目的。双向储能变流器的一次结构及二次原理如圖4所示。

2.4 电池舱设计

本项目采用高安全性磷酸铁锂电池储能方案，保证通风及提升系统等重要负荷的安全平稳运行，减少停电事故对生产安全的影响［12］。

2.4.1 总体方案。每套电池舱装机容量为4.128 MWh，接入2台1 000 kW变流器。储能电池系统由2堆电池构成，每堆外接一台变流器，每套储能电池舱配备消防系统、暖通系统、配电系统、电池管理系统。

2.4.2 电池及电池架。电池单体采用方形铝壳设计，避免电芯表面被机械损坏而导致电芯内部受损的可能性，提高了产品的安全性能。电芯上安装防爆阀，确保在任何极端情况下，如内部短路、电池过充过放等，导电芯里面迅速聚集大量气体可以通过防爆阀排出，确保电芯不会爆炸［13］。电池架为框架式结构，由整体焊接而成，电池架采用静电喷涂进行表面处理以达到防腐、美观的效果。

2.4.3 电池舱热管理系统设计。储能电池舱采用空调散热，风管安装在舱顶及侧壁上，空调出风口对接风管将冷风送至电池簇间，电池模组自身风机抽冷风，对电池单体进行冷却。每套储能电池配置独立工业空调，对称布置，通过风管导流确保舱内气流组织合理，电池模组温升均匀一致。

储能电池舱内主要热源是电池单体，针对顺和矿2 MW/4 MW储能系统配置4台制冷量的空调。

2.4.4 电池管理系统。通过对电池储能系统进行分层、分级、统一管理，根据各层级特性对电池（单体、模组、簇、堆）的电压、电流、温度及SoC、SoH等运行状态进行实时检测分析，实现检测、控制、保护等有效管理，确保电池系统安全稳定运行［14-15］。设计的三级BMS构架拓扑示意如图5所示。

2.4.5 消防系统设计。针对电气火灾设计，电池舱内部集成七氟丙烷气体灭火系统。整个气体灭火系统设有自动控制、手动控制两种启动方式。电池舱内设置开式雨淋系统，由开式喷头和供水管网组成，在紧急情况下，可以接入消防车、室外消火栓，快速将消防水输送到舱内。场地消防配置上，建议在电池舱外设置灭火器箱，箱内放置磷酸铵盐干粉灭火器。

2.5 电气二次系统设计

电气二次系统设计任务包括：1）电站按“无人值班”（少人值守）的方式进行设计；2）储能电站按“两网”进行设计，即站控层网络和控制层网络独立；3）储能通信接口满足与上层EMS接口无缝对接。本设计储能系统通信采用三层两网结构，整体通信结构如图6所示。

储能监控系统采用开放式分层分布结构，分为站控层、间隔层及网络设备。间隔层包括保护测控装置、电池管理系统、功率变换系统等设备，完成本间隔设备的就地监视、信息远传等。与站控层之间通过61850规约通信，采用网线或光缆进行连接。站控层包括监控服务器、变流器协调控制器、规约转换等设备，实现储能全站的监视控制、能量管理，并实现与新能源厂站监控系统及调度集控等信息交互。储能监控系统典型通信拓扑如图7所示，以太网实时通信状态可以通过监控画面实时监控。

3 储能系统整体效率及投资回报率分析

3.1 储能系统效率计算

根据2 MW/4 MW储能系统电池簇、变流器、变压器的参数，假设电池簇充放效率为常见的92%，变流器额定整流效率为98.16%，逆变效率为98.52%，变压器额定效率为99%，线路等其他环节损耗按照0.5%考虑。额定充放条件下，交流侧汇集线路出口效率约为：92%×97.94%×98.30%×99%×99%×99.5%=86.38%。

3.2 投资回报率分析

3.2.1 运行策略分析。根据河南省2023年5月110 kV工业用户代理电价计算（实际电价可能略有差异），高峰时段电价为1.137 857元/度，平时段电价为0.705 089元/度，低谷时段为0.306 131元/度。每年1月、7—8月、12月，对分时电价电力用户执行尖峰电价，尖峰电价在其他月份高峰段电价基础上上浮20%。

根据分时电价时段，储能系统可以实现每天两充两放。第一次充电：23：00—7：00平时电价时段充电，充电尽量采用小功率充电，避免主变过载及基本电费增加；第一次放电：10：00—14：00高峰电价时段放电（7—8月时，12：00—14：00尖峰电价时段放电）；第二次充电：14：00—17：00平时电价时段充电，充电尽量采用小功率充电，避免主变过载及基本电费增加；第二次放电：17：00—21：00高峰时电价时段放电。其中7—8月，19：00—21：00尖高峰电价时段放电；1月、12月，18：00—20：00尖高峰电价时段放电。

3.2.2 经济性分析。

①投资预算。初步按储能系统EPC总包1.62元/瓦时计算，2 MW/4 MW储能系统总投资约648万元。②运行收益。收益主要来自储能系统峰谷套利，储能在平谷时电价时段充电，在尖高峰电价时段放电，从而产生二者之间的电费差。特殊情况下，如限电时，储能还会起到更大的应急支撑作用，保证办公和部分生产，本节暂不考虑该部分收益。考虑部分储能作为应急电源，其余容量用于峰谷套利。计算条件：考虑1.5 MWh的储能作为应急电源（保障部分负荷运行50 min），剩余2.5 MWh容量用于峰谷套利，参考测算数据，储能整体运行效率约为85%，每年运行330 d，每天按以上运行策略两充两放，生命周期10年，折旧率5%。

仅为2.5 MWh储能峰谷套利带来的运行收益见表1，由表1可得到以下结论。仅考虑峰谷套利实现收益，大约8～9年可以收回成本；全寿命周期累计收益约770万元，折旧合计到第10年收益里。此外1.5 MWh储能作为应急电源在外部停电或者限电情况下保障部分重要负荷不间断运行，可发挥更高的投资价值。若2 MW/4 MWh储能全部来自峰谷套利，静态投资回收期约为5～6年，全寿命周期内部收益率約为14%。

4 结语

安全是煤矿生产的头等大事。永煤顺和矿处于永煤矿区供电系统末端，供电能力较为薄弱，且供电线路周边环境复杂，一旦发生双回路停电等事故，对矿井安全构成重大威胁。为提高顺和矿供电可靠性和确保生产安全，本研究基于顺和矿实际需求，对2 MW/4 MWh并联型应急储能系统第三电源进行研究与设计。首先，分析了高压应急储能系统储能变流器等关键技术的设计需求，明确了设计目标；其次，基于设计目标，对电气一次系统、应急电源方案、储能变流器等关键技术进行了细致的研究与设计；最后，基于河南省工业电价计费方式，对所设计的高压应急储能系统整体效率及投資回报率进行了分析计算，表明所设计的储能系统第三电源既可保障顺和矿可靠运行，又具有较为可观的经济性。本研究设计内容对于顺和矿建设应急储能第三电源，完善永煤矿区应急电源建设具有重要现实意义，相较过去以往国内在煤矿应急第三电源建设上，采用传统电力专线或柴油发电装置等供电方式，具有投资少、回收周期短、经济效益可观等特点，在全国煤矿应急第三电源建设中具有较大的推广应用价值。

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