1 煤矿现场供电特点及应急供电需求
1.1现场供电回路
煤矿供电系统如图1所示，1号和2号主变皆为35 kV/6 kV20 MVA降压变压器，3号主变为原自建电厂变压器，处于停用状态。1号和2号主变低压侧分别为I段和II段母线，母线通过母联开关连接。本次引入高压级联应急储能供电系统主要满足I段母线的扇风机和提升机以及照明应急供电需求。
图1 煤矿供电系统
1.2负荷供电需求分析
副井提升系统概况：提升机系统连接在I段母线上，通过6 kV/690 V2MVA降压变压器连接双罐直流电机。整个副井提升系统包括双罐直流电机1 260 kW，2台电机风机8 kW；润滑泵站5 kW；液压站8 kW；控制系统等部件约10 kW；上位机2台约1.5 kW，照明约1.5 kW，上井口操车18.5 kW，下井口操车15 kW，副井电梯20 kW，要使副井双罐实现正常提升运转，需要占用1 350 kW。
风机系统概述：6 kV风机直连I段母线，西风井扇风机主电机630 kW，1台液压站5.5 kW，照明灯1.5 kW，上位机3 kW，风门执行器等附属设备10 kW，要使西风井备用扇风机实现正常提升运转，至少需要占用650 kW负荷。
通过现场负荷及客户需求分析，应急储能系统应满足以下要求：
（1）应急供电系统配置功率不低于应急需求的1.5倍，即不少于3 MW容量；
（2）副井提升机变压器无缓冲电路直接合闸会造成6~10倍额定电流冲击；
（3）储能系统分为2台，可并联运行也可一备一用，且单台也能满足负荷需求。
2级联应急储能供电系统特点及优势
图2 级联应急储能供电系统
图2为级联储能应急储能供电系统，该装置基于CHB拓扑。该系统通过隔离刀闸与6 kV三相电网进行电气连接，之后是受控的三相交流接触器。与交流接触器并联的为交流缓冲电阻，起到限制与电网电气连接的瞬间电流冲击的作用。接触器和缓冲电路之后为并网电抗，电抗器虽然不能彻底滤除开关谐波电流，但对谐波具有阻尼作用。并网电抗器之后为三相级联式H桥结构，每相由级联功率单元组成，该功率单元标配旁路接触器，可实现自动冗余。级联功率单元与电池簇连接，电池电压范围为600~1 000 V。同时该装置采用全数字化主控箱，与功率单元直接采用并行光纤通信，起到电气隔离并提高通信抗干扰能力的作用。
从技术上讲，高压级联应急储能供电系统如下优势：
（1）并离网、四象限运行
该产品具有并网和离网运行2种功能，并网时可作为储能系统进行削峰填谷和峰谷套利，离网运行时可作为应急电源使用，满足关键负荷供电。同时相比于柴油发电系统，该产品可实现有功无功四象限运行，可实现电机类负荷的能量回馈，达到节能减排的效果。
（2）电能质量高
级联产品采用载波移相技术可以提高电能质量，降低电网公司对装置的考核压力。
（3）锂电池储能
电池采用磷酸铁锂电芯，安全度高。电池组包含电池管理系统（BMS），可进行电芯级别管理。
（4）自动冗余
当单元运行故障状态时，配合自动旁路技术，可快速切除故障实现装置自动重启，减少设备非正常运行时间。
（5）占地面积小、效率高
由于无需升压变压器可省去相应占地面积，同时无升压变压器的损耗，可提升2%的系统效率。
（6）单台容量大并联容易
6 kV级联应急储能供电系统单台可做到3 MW，没有小功率储能多台并联的协调控制困难问题。
（7）抗冲击能力强
该产品采用虚拟阻抗技术可轻松应对变压器、电机直启等冲击性工况，而不会导致装置过流故障，提高供电可靠性。
3 现场应用效果
针对现场需求及公司特点提供2台6 kV2 MW2 MW.h级联应急储能供电系统，总容量4 MW4 MW.h，满足客户需求。单台设备参数如表1所示。
表1 级联应急储能供电系统关键参数
图3 级联应急储能供电系统外观
3.1并网功率试验
(a)充电2 MW (b)放电2 MW
图4 并网充电放电满功率试验
对设备进行了并网充电放电满功率试验，试验结果如图4所示。其中(a)、(b)为有功充电、放电2 MW充电功率数据，功率因数为1。数据表明装置功率与标称相符。
(a)放电2 MW阶跃充电2 MW功率波形 (b)放电2 MW阶跃充电2 MW电流波形
(c)充电2 MW阶跃放电2 MW功率波形 (d)充电2 MW阶跃放电2 MW电流波形
图5 满功率充电放电阶跃功率波形以及电流波形
图5为装置自带录波功能所记录满功率充电放电阶跃功率波形以及电流波形，由图可知功率响应时间小于10 ms。
3.2应急供电系统试验
表2 演练流程
在煤矿现场进行了应急供电演练，演练内容如表2所示。通过变压器倒变断开1号主变供电，并断开母联开关，此时I段母线处于断电状态。启动应急演练2套应急供电系统并联运行在离网模式，为I段母线提供6 kV电压供电，电压波形及THD如图6所示。电压幅值和电能质量满足要求。
(a)I段母线电压波形 (b)I段母线电压THD
图6 I段电压波形及THD
之后按照演练流程提升机开机，提升机主罐、边罐分别配重交替上下行，运行正常。提升机运行正常后主扇风机空载开机，运行正常；在主扇风机运行同时进行提升载重上下行，运行正常。主扇风机退出运行后提升机载重上下行，运行正常。
为验证单台设备是否满足应急供电需求，在I段母线不失电的前提下2号储能系统退出运行，由1号储能系统单独提供电压支撑，并进行提升机带载运行，运行结果正常。
应急演练结果表明，在2套应急储能供电系统投入情况下，可实现先带主扇风机运行，再带副井双罐提升机运行，能够做到在主扇风机运行稳定后，副井双罐提升机罐笼在单层进人情况下以3 m/s速度保障井下人员升井。同时验证了单套应急储能供电系统也满足主扇风机和提升机的应急供电需求。
4结语
通过使用新风光电子科技股份有限公司生产的高压级联应急储能供电系统，该煤矿在主变失电情况下，可保证主扇风机和副井提升机的可靠供电，降低了矿区关键负荷停电时间，极大提高了矿区生产安全和井下人员生命安全。同时在主变正常运行时，应急储能在保证应急供电需求下利用部分容量进行峰谷套利，可进行部分投资成本回收，为使用单位带来了可观的经济收益。
作者介绍：王公华，硕士，高级工程师，多年从事矿山机电管理工作，研究设计、调试十余套立井提升机电控系统，现任兖矿能源集团股份有限公司副总工程师。
