煤礦通風機鉛炭電池儲能系統

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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煤礦通風機鉛炭電池儲能系統

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，介紹了用作煤礦通風機應急電源的鉛炭電池儲能系統，詳細描述了儲能系統的結構、與現有配電網的接入方式、系統功能、啟動及退出策略等。該系統在煤礦配電網掉電的情況下可為通風機提供1h的電力支撐，可為煤礦日常運營提供安全可靠保障。

煤礦通風機； 鉛炭電池； 儲能系統； 應急電源

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160429.1135.020.html

0　引言

礦井通風主要依賴于礦井通風機的持續穩定工作，按服務范圍和通風能力，礦井通風機分為主要通風機、局部通風機和輔助通風機。其中主要通風機為全礦提供新鮮風流，局部通風機為系統的局部開采工作面提供新鮮風流。當局部通風機突然停風時，會造成工作面瓦斯積聚。如果瓦斯濃度達到爆炸界限，并碰到點燃瓦斯的火花，就可能引發瓦斯爆炸事故[1]。調查結果表明，近年來約70%煤礦特別重大事故都是由瓦斯爆炸引起的[2]。

煤礦主要通風機與局部通風機的供電是煤礦井下供電的重要環節，供電穩定性直接關系到掘進工作面的安全生產，對于高瓦斯和煤與瓦斯突出的礦井尤為重要。這就要求供電系統除了要向通風機提供高質量的電源外，還要保證供電的連續性[3]。《煤礦安全規程》明確要求，掘進工作面必須做到“雙電源雙風機”。然而，一般煤礦只有一個變電所供電，井下供電網絡也只有一個，當發生大面積停電事故或者由于負載原因導致停電事故時，2路電源也無濟于事[4]。因此，為了提高煤礦通風機的供電可靠性并確保煤礦安全生產，增設獨立于電網的應急電源點非常必要。電池儲能技術作為一種新型的能源存儲技術，具有可靠性高、啟動迅速以及功能配置靈活等特點。尤其是鉛炭電池作為一種新型的儲能電池，具有浮充壽命長、安全性好、充放電倍率高、可靠性高、功能配置靈活等優點，所以,非常適合作為煤礦應急電源使用。

1　儲能系統需求分析

神華烏海能源有限責任公司平溝煤礦使用的主要通風機與局部通風機在全礦失電的情況下，都會停止運行而引起井下通風不暢。如果主要通風機在10min內恢復供電，就可以滿足瓦斯不超限的要求；而局部通風機接近工作面，必須在5s內恢復供電，否則就有瓦斯超限的可能。為了提高煤礦通風機用電的可靠性，就需要為其增設獨立于現有用電系統的獨立應急電源點，只有這樣才可以避免因斷電造成停風問題，減少瓦斯爆炸事故。

考慮到煤礦項目的特殊性，應急電源的接入首先要考慮不影響原有煤礦配電網的安全性與可靠性，其次要發揮應急電源的核心功能，所以儲能系統的運行必須獨立于原有配電網，并且當礦井突然斷電后，需在5s內迅速啟動，給主要通風機和局部通風機供電，以滿足瓦斯排放及通風需要。同時，儲能系統的啟動與退出都要滿足配電系統手動或者自動重構的基本要求，使應急電源的使用方便、穩定、可靠。

本文提出了用作煤礦通風機應急電源的鉛炭電池儲能系統，并介紹了儲能系統架構設計、模塊功能以及系統在2種主要工作模式(在線模式及應急模式)下的控制策略。

2　儲能系統設計

2.1儲能系統架構及功能

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

圖1　鉛炭電池儲能系統組成

鉛炭電池儲能系統在煤礦配電網的接入位置如圖2所示。該系統有2種運行模式：在線模式(電網正常時的運行模式)和應急模式(電網斷電時的運行模式)。在線模式運行時，PCS通過電網對鉛酸電池進行浮充控制，并提供必要的自動維護；在應急模式運行時，儲能系統作為應急電源通過6kV應急段母線為主要通風機和局部通風機提供電力支撐。

圖2　儲能系統在煤礦配電網中的接入位置

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電容器技術特點的新型電池，其既具有普通鉛酸電池的特性,又具有電容特性。鉛炭電池內部結構如圖3所示。

圖3　鉛炭電池內部結構

在鉛酸電池中使用炭材料不僅發揮了其電容性能，可在高倍率充放電時起到緩沖作用，而且能夠提升活性物質的導電性，降低電池的充電電壓。此外，還可以提高活性物質鉛的利用效率，并抑制硫酸鉛晶體的生長變大。這就使得鉛炭電池既有鉛酸電池的能量特點，又具有超級電容器的功率特點[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、性價比高、使用安全穩定等優點，所以,非常適用于儲能系統或混合動力啟停系統。

2.2.2鉛炭電池組

礦井主要通風機功率為704kW，局部通風機功率為222kW。在煤礦斷電時，電池組需要支撐主要通風機及局部通風機30min的用電需求，以保證井下人員安全轉移。

每套電池組由375塊2V/400A·h鉛炭電池串聯組成,單套電池組的額定容量為375×2V×400A·h=300kW·h，所以,系統的總容量為2.4MW·h。所選單體電池60min的放電水平為1.9V/169.8A，則在應急模式下，每套鉛酸電池容量為375×1.9V×169.8A=120.98kW·h，電池系統的總體容量為120.98kW·h×8=967.84kW·h。因儲能系統所選用的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。這說明儲能系統可以支撐主要通風機和局部通風機滿負荷工作1h，滿足了系統供電時間大于30min的需求。

2.3鉛炭電池管理系統配置

鉛炭電池管理系統(BMS)作為儲能系統的重要組成部分，是用于監測、評估及保護電池運行狀態的電子設備的集合[7-10]。鉛炭電池管理系統為3級結構，分別由電池組管理單元(BMU)、主電池管理系統(MBMS)、電池堆管理系統(BAMS)組成。其中BMU具有電池電壓采集、多點溫度采集、電池組均衡控制等功能。MBMS負責管理一個電池簇中的全部BMU，具備電池簇的電流采集、總電壓采集、漏電檢測功能，同時可以在電池組狀態發生異常時驅動斷開高壓功率接觸器，使電池簇退出運行，保障電池使用安全。BAMS負責管理一個PCS對應電池系統中的全部MBMS，與就地監控系統通信，上報全部電池模擬量采集的信息，并在電池系統異常時上傳報警信號，使PCS轉入待機狀態，保護電池使用安全。

單套鉛炭電池組管理系統結構如圖4所示。該系統共包含21個BMU、1個MBMS及1個BAMS。其中20個BMU管理由16個單體電池串聯的電池組，最后1個BMU管理由9個電池串聯的電池組。

圖4　單套鉛炭電池組管理系統結構

2.4PCS設計

PCS是實現直流儲能電池與交流電網之間雙向能量傳遞的關鍵設備。本儲能系統中PCS總功率為2MW，由8套額定功率為250kW的單機并聯組成，每套250kW的PCS對應一套300kW·h儲能電池組。儲能系統的PCS主回路拓撲采用單級式三相橋結構設計，PCS單元的交流側通過雙分裂升壓變壓器(每2臺PCS共用1個變壓器)與平溝煤礦35kV變電所的6kV母線相連，直流側與串聯成組的鉛炭電池相連。

當儲能系統以在線模式運行時，PCS可以在線監測單體電池的電壓、蓄電池組的組端電壓、充放電電流和溫度等，并對儲能電池組進行浮充控制。當煤礦配電網發生故障、儲能系統轉入應急模式時，PCS將通過煤礦35kV變電所的6kV母線為負荷供電，同時配電網中相應的開關會通過軟硬件互鎖,以保證應急電源系統只向重要負荷供電。

3　儲能系統運行控制策略

煤礦配電網運行正常時，儲能系統保持在線運行狀態。當煤礦配電網發生故障時，儲能系統作為通風機的應急電源，將閉合一系列沿線的斷路開關而進入應急模式，對重要負荷供電。當煤礦電網恢復后，儲能系統將經過同樣的智能判斷策略，退出應急模式并轉入在線模式。為保障儲能系統的啟動及退出安全可靠，2種運行模式的切換都可通過手動或者自動2種手段來完成。儲能系統從在線模式切換到應急模式的流程如圖5所示。

4　結語

設計了一套新型的儲能系統作為煤礦通風機的應急電源，在煤礦掉電時為煤礦主要通風機和局部通風機供電。該系統獨立于煤礦原有的配電網，可以在煤礦斷電時提供可靠的第三方電源，為重要負荷提供電力支撐，為煤礦的安全生產提供了強有力的保障。

[1]李斌. 淺談煤礦井下局部通風機專供電源的發展[J].陽煤科技,2008(3):43-45.

[2]國家安全生產監督管理總局.煤礦安全規程[M].北京:煤炭工業出版社,2011.

[3]王磊,陳杰,肖瑞玲,等.煤礦井下用蓄電池安全性能分析及其控制對策[J].煤炭科學技術,2009,37(8):57-60.

圖5　儲能系統模式切換流程

[4]盧其威,程紅,王聰.增設局部通風機應急電源的思考及可行性分析[J].煤炭科學技術,2008,36(3):71-73.

[5]張浩,曹高萍,楊裕生.炭材料在鉛酸電池中的應用[J].電源技術,2010,34(7):729-733.

[6]仝鵬陽,趙瑞瑞,張榮博,等.鉛炭電池的研究進展[J].蓄電池,2015,53(5):241-246.

[7]王富茜,朱振華,陳紅雨,等.鉛炭電池研發中存在的問題[J].蓄電池,2011,49(2):60-64.

[8]劉健戈,周建華.用電側蓄電池儲能裝置的研究[J].電氣應用,2008,27(13):65-68.

[9]李少林,姚國興.風光互補發電蓄電池超級電容器混合儲能研究[J].電力電子技術,2010,44(2):12-14.

[10]裴麗娜,黃哲,董德鑫.一種分層式儲能電池管理系統[J].儲能科學與技術,2014,3(4):416-422.

[11]宋云龍,朱衛民,陳蘇祥,等.炭材料在鉛炭電池中的作用機理及其研究進展[J].蓄電池,2015,53(3):146-150.

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；責任編輯：胡嫻。

國家高技術研究發展計劃(863計劃)項目(2014AA052302-1)；神華集團科技創新項目(ST930014SH01)。

牛建娜(1981-)，女，河南洛陽人，工程師，碩士，主要從事儲能系統的集成與應用等方面的研發工作，E-mail:niujianna@nicenergy.com。

TD441

A網絡出版時間：2016-04-29 11:35

牛建娜，周友，吳峂.煤礦通風機鉛炭電池儲能系統[J].工礦自動化，2016,42(5)：88-91.