牛建娜，　周友，　吳峂

(北京低碳清潔能源研究所， 北京　102209)

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煤礦通風(fēng)機(jī)鉛炭電池儲(chǔ)能系統(tǒng)

牛建娜，周友，吳峂

(北京低碳清潔能源研究所， 北京102209)

為了提高煤礦供電的可靠性并確保煤礦安全生產(chǎn)，介紹了用作煤礦通風(fēng)機(jī)應(yīng)急電源的鉛炭電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，詳細(xì)描述了儲(chǔ)能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、與現(xiàn)有配電網(wǎng)的接入方式、系統(tǒng)功能、啟動(dòng)及退出策略等。該系統(tǒng)在煤礦配電網(wǎng)掉電的情況下可為通風(fēng)機(jī)提供1h的電力支撐，可為煤礦日常運(yùn)營(yíng)提供安全可靠保障。

煤礦通風(fēng)機(jī)； 鉛炭電池； 儲(chǔ)能系統(tǒng)； 應(yīng)急電源

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0　引言

礦井通風(fēng)主要依賴于礦井通風(fēng)機(jī)的持續(xù)穩(wěn)定工作，按服務(wù)范圍和通風(fēng)能力，礦井通風(fēng)機(jī)分為主要通風(fēng)機(jī)、局部通風(fēng)機(jī)和輔助通風(fēng)機(jī)。其中主要通風(fēng)機(jī)為全礦提供新鮮風(fēng)流，局部通風(fēng)機(jī)為系統(tǒng)的局部開采工作面提供新鮮風(fēng)流。當(dāng)局部通風(fēng)機(jī)突然停風(fēng)時(shí)，會(huì)造成工作面瓦斯積聚。如果瓦斯?jié)舛冗_(dá)到爆炸界限，并碰到點(diǎn)燃瓦斯的火花，就可能引發(fā)瓦斯爆炸事故[1]。調(diào)查結(jié)果表明，近年來(lái)約70%煤礦特別重大事故都是由瓦斯爆炸引起的[2]。

煤礦主要通風(fēng)機(jī)與局部通風(fēng)機(jī)的供電是煤礦井下供電的重要環(huán)節(jié)，供電穩(wěn)定性直接關(guān)系到掘進(jìn)工作面的安全生產(chǎn)，對(duì)于高瓦斯和煤與瓦斯突出的礦井尤為重要。這就要求供電系統(tǒng)除了要向通風(fēng)機(jī)提供高質(zhì)量的電源外，還要保證供電的連續(xù)性[3]。《煤礦安全規(guī)程》明確要求，掘進(jìn)工作面必須做到“雙電源雙風(fēng)機(jī)”。然而，一般煤礦只有一個(gè)變電所供電，井下供電網(wǎng)絡(luò)也只有一個(gè)，當(dāng)發(fā)生大面積停電事故或者由于負(fù)載原因?qū)е峦ｋ娛鹿蕰r(shí)，2路電源也無(wú)濟(jì)于事[4]。因此，為了提高煤礦通風(fēng)機(jī)的供電可靠性并確保煤礦安全生產(chǎn)，增設(shè)獨(dú)立于電網(wǎng)的應(yīng)急電源點(diǎn)非常必要。電池儲(chǔ)能技術(shù)作為一種新型的能源存儲(chǔ)技術(shù)，具有可靠性高、啟動(dòng)迅速以及功能配置靈活等特點(diǎn)。尤其是鉛炭電池作為一種新型的儲(chǔ)能電池，具有浮充壽命長(zhǎng)、安全性好、充放電倍率高、可靠性高、功能配置靈活等優(yōu)點(diǎn)，所以,非常適合作為煤礦應(yīng)急電源使用。

1　儲(chǔ)能系統(tǒng)需求分析

神華烏海能源有限責(zé)任公司平溝煤礦使用的主要通風(fēng)機(jī)與局部通風(fēng)機(jī)在全礦失電的情況下，都會(huì)停止運(yùn)行而引起井下通風(fēng)不暢。如果主要通風(fēng)機(jī)在10min內(nèi)恢復(fù)供電，就可以滿足瓦斯不超限的要求；而局部通風(fēng)機(jī)接近工作面，必須在5s內(nèi)恢復(fù)供電，否則就有瓦斯超限的可能。為了提高煤礦通風(fēng)機(jī)用電的可靠性，就需要為其增設(shè)獨(dú)立于現(xiàn)有用電系統(tǒng)的獨(dú)立應(yīng)急電源點(diǎn)，只有這樣才可以避免因斷電造成停風(fēng)問(wèn)題，減少瓦斯爆炸事故。

考慮到煤礦項(xiàng)目的特殊性，應(yīng)急電源的接入首先要考慮不影響原有煤礦配電網(wǎng)的安全性與可靠性，其次要發(fā)揮應(yīng)急電源的核心功能，所以儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行必須獨(dú)立于原有配電網(wǎng)，并且當(dāng)?shù)V井突然斷電后，需在5s內(nèi)迅速啟動(dòng)，給主要通風(fēng)機(jī)和局部通風(fēng)機(jī)供電，以滿足瓦斯排放及通風(fēng)需要。同時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)的啟動(dòng)與退出都要滿足配電系統(tǒng)手動(dòng)或者自動(dòng)重構(gòu)的基本要求，使應(yīng)急電源的使用方便、穩(wěn)定、可靠。

本文提出了用作煤礦通風(fēng)機(jī)應(yīng)急電源的鉛炭電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，并介紹了儲(chǔ)能系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)、模塊功能以及系統(tǒng)在2種主要工作模式(在線模式及應(yīng)急模式)下的控制策略。

2　儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1儲(chǔ)能系統(tǒng)架構(gòu)及功能

作為應(yīng)急電源的鉛炭電池儲(chǔ)能系統(tǒng)由8套300kW·h的儲(chǔ)能電池組和相應(yīng)的8套功率為250kW的儲(chǔ)能雙向變流器(PCS)組成，如圖1所示。其中PCS直流側(cè)直接接入儲(chǔ)能電池組，交流側(cè)接入6kV煤礦配電網(wǎng)。

圖1　鉛炭電池儲(chǔ)能系統(tǒng)組成

鉛炭電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在煤礦配電網(wǎng)的接入位置如圖2所示。該系統(tǒng)有2種運(yùn)行模式：在線模式(電網(wǎng)正常時(shí)的運(yùn)行模式)和應(yīng)急模式(電網(wǎng)斷電時(shí)的運(yùn)行模式)。在線模式運(yùn)行時(shí)，PCS通過(guò)電網(wǎng)對(duì)鉛酸電池進(jìn)行浮充控制，并提供必要的自動(dòng)維護(hù)；在應(yīng)急模式運(yùn)行時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)作為應(yīng)急電源通過(guò)6kV應(yīng)急段母線為主要通風(fēng)機(jī)和局部通風(fēng)機(jī)提供電力支撐。

圖2　儲(chǔ)能系統(tǒng)在煤礦配電網(wǎng)中的接入位置

2.2鉛炭電池及電池組

2.2.1鉛炭電池

鉛炭電池是一種融合了鉛酸電池和超級(jí)電容器技術(shù)特點(diǎn)的新型電池，其既具有普通鉛酸電池的特性,又具有電容特性。鉛炭電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　鉛炭電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)

在鉛酸電池中使用炭材料不僅發(fā)揮了其電容性能，可在高倍率充放電時(shí)起到緩沖作用，而且能夠提升活性物質(zhì)的導(dǎo)電性，降低電池的充電電壓。此外，還可以提高活性物質(zhì)鉛的利用效率，并抑制硫酸鉛晶體的生長(zhǎng)變大。這就使得鉛炭電池既有鉛酸電池的能量特點(diǎn)，又具有超級(jí)電容器的功率特點(diǎn)[5-6]。

與鉛酸電池相比，鉛炭電池有充電快、放電功率大、壽命長(zhǎng)、性價(jià)比高、使用安全穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，所以,非常適用于儲(chǔ)能系統(tǒng)或混合動(dòng)力啟停系統(tǒng)。

2.2.2鉛炭電池組

礦井主要通風(fēng)機(jī)功率為704kW，局部通風(fēng)機(jī)功率為222kW。在煤礦斷電時(shí)，電池組需要支撐主要通風(fēng)機(jī)及局部通風(fēng)機(jī)30min的用電需求，以保證井下人員安全轉(zhuǎn)移。

每套電池組由375塊2V/400A·h鉛炭電池串聯(lián)組成,單套電池組的額定容量為375×2V×400A·h=300kW·h，所以,系統(tǒng)的總?cè)萘繛?.4MW·h。所選單體電池60min的放電水平為1.9V/169.8A，則在應(yīng)急模式下，每套鉛酸電池容量為375×1.9V×169.8A=120.98kW·h，電池系統(tǒng)的總體容量為120.98kW·h×8=967.84kW·h。因儲(chǔ)能系統(tǒng)所選用的PCS效率為96%，所以,電池組可提供的有效容量為967.84×0.96=929.1kW·h。這說(shuō)明儲(chǔ)能系統(tǒng)可以支撐主要通風(fēng)機(jī)和局部通風(fēng)機(jī)滿負(fù)荷工作1h，滿足了系統(tǒng)供電時(shí)間大于30min的需求。

2.3鉛炭電池管理系統(tǒng)配置

鉛炭電池管理系統(tǒng)(BMS)作為儲(chǔ)能系統(tǒng)的重要組成部分，是用于監(jiān)測(cè)、評(píng)估及保護(hù)電池運(yùn)行狀態(tài)的電子設(shè)備的集合[7-10]。鉛炭電池管理系統(tǒng)為3級(jí)結(jié)構(gòu)，分別由電池組管理單元(BMU)、主電池管理系統(tǒng)(MBMS)、電池堆管理系統(tǒng)(BAMS)組成。其中BMU具有電池電壓采集、多點(diǎn)溫度采集、電池組均衡控制等功能。MBMS負(fù)責(zé)管理一個(gè)電池簇中的全部BMU，具備電池簇的電流采集、總電壓采集、漏電檢測(cè)功能，同時(shí)可以在電池組狀態(tài)發(fā)生異常時(shí)驅(qū)動(dòng)斷開高壓功率接觸器，使電池簇退出運(yùn)行，保障電池使用安全。BAMS負(fù)責(zé)管理一個(gè)PCS對(duì)應(yīng)電池系統(tǒng)中的全部MBMS，與就地監(jiān)控系統(tǒng)通信，上報(bào)全部電池模擬量采集的信息，并在電池系統(tǒng)異常時(shí)上傳報(bào)警信號(hào)，使PCS轉(zhuǎn)入待機(jī)狀態(tài)，保護(hù)電池使用安全。

單套鉛炭電池組管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。該系統(tǒng)共包含21個(gè)BMU、1個(gè)MBMS及1個(gè)BAMS。其中20個(gè)BMU管理由16個(gè)單體電池串聯(lián)的電池組，最后1個(gè)BMU管理由9個(gè)電池串聯(lián)的電池組。

圖4　單套鉛炭電池組管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.4PCS設(shè)計(jì)

PCS是實(shí)現(xiàn)直流儲(chǔ)能電池與交流電網(wǎng)之間雙向能量傳遞的關(guān)鍵設(shè)備。本儲(chǔ)能系統(tǒng)中PCS總功率為2MW，由8套額定功率為250kW的單機(jī)并聯(lián)組成，每套250kW的PCS對(duì)應(yīng)一套300kW·h儲(chǔ)能電池組。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)，PCS單元的交流側(cè)通過(guò)雙分裂升壓變壓器(每2臺(tái)PCS共用1個(gè)變壓器)與平溝煤礦35kV變電所的6kV母線相連，直流側(cè)與串聯(lián)成組的鉛炭電池相連。

當(dāng)儲(chǔ)能系統(tǒng)以在線模式運(yùn)行時(shí)，PCS可以在線監(jiān)測(cè)單體電池的電壓、蓄電池組的組端電壓、充放電電流和溫度等，并對(duì)儲(chǔ)能電池組進(jìn)行浮充控制。當(dāng)煤礦配電網(wǎng)發(fā)生故障、儲(chǔ)能系統(tǒng)轉(zhuǎn)入應(yīng)急模式時(shí)，PCS將通過(guò)煤礦35kV變電所的6kV母線為負(fù)荷供電，同時(shí)配電網(wǎng)中相應(yīng)的開關(guān)會(huì)通過(guò)軟硬件互鎖,以保證應(yīng)急電源系統(tǒng)只向重要負(fù)荷供電。

3　儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行控制策略

煤礦配電網(wǎng)運(yùn)行正常時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)保持在線運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)煤礦配電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)作為通風(fēng)機(jī)的應(yīng)急電源，將閉合一系列沿線的斷路開關(guān)而進(jìn)入應(yīng)急模式，對(duì)重要負(fù)荷供電。當(dāng)煤礦電網(wǎng)恢復(fù)后，儲(chǔ)能系統(tǒng)將經(jīng)過(guò)同樣的智能判斷策略，退出應(yīng)急模式并轉(zhuǎn)入在線模式。為保障儲(chǔ)能系統(tǒng)的啟動(dòng)及退出安全可靠，2種運(yùn)行模式的切換都可通過(guò)手動(dòng)或者自動(dòng)2種手段來(lái)完成。儲(chǔ)能系統(tǒng)從在線模式切換到應(yīng)急模式的流程如圖5所示。

4　結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)了一套新型的儲(chǔ)能系統(tǒng)作為煤礦通風(fēng)機(jī)的應(yīng)急電源，在煤礦掉電時(shí)為煤礦主要通風(fēng)機(jī)和局部通風(fēng)機(jī)供電。該系統(tǒng)獨(dú)立于煤礦原有的配電網(wǎng)，可以在煤礦斷電時(shí)提供可靠的第三方電源，為重要負(fù)荷提供電力支撐，為煤礦的安全生產(chǎn)提供了強(qiáng)有力的保障。

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圖5　儲(chǔ)能系統(tǒng)模式切換流程

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Lead-carbonbatteryenergystoragesystemforcoalmineventilator

NIUJianna，ZHOUYou，WUTong

(NationalInstituteofClean-and-Low-CarbonEnergy，Beijing102209，China)

Inordertoimprovereliabilityofpowersupplyandensuresafetyproductionofcoalmine,alead-carbonbatteryenergystoragesystemusedasemergencypowersupplyforcoalmineventilatorwasintroduced,andsystemstructure,gridaccessway,systemfunctions,startandquitstrategyweredescribed.Thesystemcanprovideonehourpowersupplytocoalmineventilatorwhenthereisalocalgridfailure,andguaranteeregularoperationandsafetyproductionforcoalmine.

mineventilator;lead-carbonbattery;energystoragesystem;emergencypowersupply

1671-251X(2016)05-0088-04DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.05.020

2015-09-30；

2016-03-10；責(zé)任編輯：胡嫻。

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)項(xiàng)目(2014AA052302-1)；神華集團(tuán)科技創(chuàng)新項(xiàng)目(ST930014SH01)。

牛建娜(1981-)，女，河南洛陽(yáng)人，工程師，碩士，主要從事儲(chǔ)能系統(tǒng)的集成與應(yīng)用等方面的研發(fā)工作，E-mail:niujianna@nicenergy.com。

TD441

A網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2016-04-29 11:35

牛建娜，周友，吳峂.煤礦通風(fēng)機(jī)鉛炭電池儲(chǔ)能系統(tǒng)[J].工礦自動(dòng)化，2016,42(5)：88-91.