0 引言

国内煤矿实行双回路供电[1]，基本保证了煤矿安全生产的需要。但在实际运行中，因受自然灾害和电网薄弱环节等因素影响，造成全矿井断电的重大安全事故仍时有发生。为了加强对重要电力用户的电源监督管理，保障重要电力用户供电设备的安全运行和电力供应的可靠性，国家电力监管委员会在2008年下发的《关于加强重要电力用户供电电源及自备应急电源配置监督管理的意见》中规定，重要电力用户应配置自备应急电源，并加强安全使用管理。鉴于以上原因，煤矿作为A类重要电力用户在实现双回路供电要求的同时，自备第三路应急电源十分必要。应急电源可以确保煤矿关键设备，如主扇风机、主排水泵和副井提升机在全矿井断电期间正常运行，避免特大安全事故进一步发生。

目前国内大部分煤矿在电网供电系统发生故障时，已利用备用的柴油发电机系统作为煤矿应急电源[2]。但是由于柴油发电机系统存在启动时间长、应对冲击性负荷能力差、不适应能量回馈型负载、安装施工复杂、维护费用较高、工作中易产生大量有毒有害气体和噪音等问题，因此不是理想的应急电源。

电池储能应急电源系统采用高压大功率电力电子变流器，具有扩展能力强、应对冲击型负荷及电流畸变型负荷能力强以及启动时间快等特点，可在10 min内完成对煤矿关键设备供电，因此非常适用于煤矿应急电源系统的应用[3]。

1 现场使用要求及应急电源方案

黑龙江龙煤集团鸡西矿业有限责任公司城山煤矿(以下简称“城山煤矿”)设计生产能力为240万t/a的大型现代化矿井。该矿副立井提升机是井上下运输人员和物料的唯一通道，属于关键设备。副立井井深600 m，提升容器为双宽罐笼。提升机房采用井塔式，井塔6层安装1台JKM2.8×4Ⅱ型多绳摩擦式提升机、1台双输入轴减速器、2台680 kW/660 V/500 rpm他励直流电机、1套直流调速装置、1个司机台和1台低压配电柜(含1台200 kV·A、6 kV/380 V控制变压器)。井塔5层安装1台“一进三出”高压开关柜、2台1 100 kV·A/6 kV/690 V整流变压器、2台直流滤波电抗器等。2台直流电机输出轴分别与减速器的一个输入轴相连，减速器的输出轴与滚筒相连。副立井提升机供电系统如图1所示。

由图1可以看出，来自矿变电所的2路独立的6 kV电源与高压开关柜进线柜相连。电池储能应急电源通过1号馈电柜进线孔引入高压柜内，与6 kV母线相连。1号馈电柜还与控制变压器T3相连，为提升机房的控制、照明、电梯、液压站、润滑站、直流电机励磁、井口操车系统等供电。2号、3号馈电柜经2台整流变压器(副边电压相位差30°)，为2台晶闸管整流装置供电。直流拖动系统采用电枢可逆、全数字直流双闭环控制，实现副立井提升机在双机拖动下的转矩均衡控制和速度控制。

1.1 现场使用要求

(1)离网运行模式。在电网突然掉电的情况下，尽可能满足副立井提升机满载半速运行，至少应满足10次或1.5 h矿井运人需要，并能吸收提升机在减速或重物下放时所产生的发电制动能量。

(2)并网运行模式。在用电谷段时，对储能电池进行充电；在用电峰段时，储能电池对电网进行放电。达到“消峰填谷”“谷峰套利”的目的。

(3)环境适应性。根据东北地区气候特点，电池储能应急电源系统采用集装箱一体化设计，满足户外安装、环境温度-30℃～+40℃使用要求。

1.2 电池储能应急电源系统方案

电池储能应急电源系统目前常用的主回路拓扑结构包括高压级联储能系统拓扑结构和低压电池储能+升压变压器系统拓扑结构[4-5]。

(1)高压级联储能系统拓扑结构中高压级联储能变流器(PCS)的每个H桥单元由H桥逆变器、滤波电容和与之并联的电池组组成[4]。其每相由预充电回路、输入电抗器和多个H桥单元交流侧串联组成。三相采用星形连接后可直接输出6 kV或10 kV，无需升压变压器。该拓扑结构的主要优点是系统损耗小、效率高、储能系统响应快；缺点是拓扑结构比较复杂，比较适用于大型储能应急电源系统。高压级联储能系统拓扑结构如图2所示。

(2)低压电池储能+升压变压器系统拓扑结构中主回路是将多个储能电池簇经汇流排并联后与低压储能变流器直流母线相连，经升压变压器并入高压电网。电池簇串联电池数量由PCS输出电压决定，电池簇并联数量由PCS输出容量决定。该拓扑结构简单、DC/AC变换器损耗小、易控制，比较适用于中小功率的应急负荷。低压电池储能加升压变压器系统拓扑结构如图3所示。

本项目采用低压电池储能加升压变压器系统方案，既能满足副立井提升机现场使用的要求，又具有一定的经济性。

2 储能集装箱应急电源系统

储能集装箱应急电源系统集成在1台40尺集装箱(内容积为11.8 m×2.13 m×2.18 m)内，具有防水、防尘、防火、防震、防腐、保温等特点。集装箱内主要由电池舱、储能变流器舱、变压器舱和高压开关舱组成，配套有空调、消防、应急照明等设备。储能集装箱应急电源系统示意如图4所示。

2.1 储能集装箱应急电源系统容量计算

副立井提升机2台直流电机额定功率为680 kW，额定电压为660 V，额定电流为1 100 A。低压供电由1台200 kV·A、6 kV/380 V控制变压器提供，实际供电负荷约为80 kW。副立井提升机额定运行速度为9 m/s，启动倍数为1.5(运人1.2倍)。提升容器为2个双层宽罐笼，总载重8.74 t。宽罐运人定额为76人，该矿实际运人40人，按每人100 kg 估算，实际运人重量为4 t，占罐笼总载重的45.8%。若提升机负载率按80%计算，则在电网断电时，储能集装箱应急电源系统在提升机满载半速运行时(速度减半相当于负载输入功率减半)需要输出的功率为951 kW，每小时需要电池提供的电能为951 kW·h。按实际运人计算，半速时需要输出的功率为479 kW，1.5 h需要消耗的电能为719 kW·h。若考虑80%放电深度(Depth of Dischange，DOD)和85%能量转换效率，则实际运人时储能集装箱应急电源系统需要提供的电能为1 057 kW·h。

2.2 系统主要配置及功能

储能集装箱应急电源系统的核心配置包括储能电池、储能变流器(Power Conversion System，PCS)、电池管理系统(Battery Management System，BMS)、能量管理系统(Energy Management System，EMS)等设备。

2.2.1 储能电池

如图4所示，集装箱电池舱内有7个电池簇通过汇流柜并联在一起。每个电池簇由17个电池箱串联组成。每个电池箱由24只120 A·h/3.2 V磷酸铁锂单体电池串联组成。该连接方式下的电池容量为1 097 kW·h，额定电压为1 306 V，最大电压范围1 142～1 468 V。可见在电网断电时，电池容量完全满足1.5 h实际运人需求，但在满载情况下还不足以支撑半速4.5 m/s的运行。

2.2.2 PCS

PCS拓扑结构选用技术成熟可靠的二极管嵌位三电平逆变器，输出配有LC滤波器和瞬态无功缓冲器，实现PCS正弦波电压输出以及合闸冲击限制等。本项目配置的储能变流器功率为1 500 kW，输出电压690 V，经1台690 V/6 kV升压变压器、高压开关柜连接到矿内副立井提升机6 kV供电网络。PCS容量是副立井提升机半速运行时最大负载功率的1.57倍，具有足够大的安全余量。PCS通过以太网通信接收EMS系统控制指令，根据功率指令的符号及大小控制变流器对电池进行充电或放电，实现对电网有功功率及无功功率的调节。PCS的主要特点如下。

(1)能四象限运行，可以将提升机在发电制动时产生的回馈能量通过给储能电池充电进行吸收；

(2)配置LC滤波器，不仅能正弦化三电平逆变器输出的5电平电压波形，还能在离网应急供电时，衰减12脉动晶闸管整流桥产生的11次以上电流谐波，使网侧6 kV处的总谐波失真(THDu)<4%；

(3)配置瞬态无功缓冲器，限制主回路变压器合闸瞬间产生的激磁涌流，保证合闸顺畅，但其只在合闸时有用；

(4)晶闸管整流装置在提升机每次启动运行时，都会产生非常大的无功冲击，PCS系统能及时跟踪调节无功输出，维持电网电压稳定[6]；

(5)在并网模式下，满功率运行时充放电转换时间不大于200 ms。

2.2.3 BMS

BMS为三级网络架构，分别为电池管理单元(Battery Management Unit，BMU)、电池簇管理单元(Battery Cluster Management Unit，BCMU)、电池阵列管理系统(Battery Array Management System，BAMS)。

BMU装在每个电池箱内，负责每个单体电池的电压和温度采集、电池电量(State of Charge，SOC)和电池健康状态(State of Health，SOH)实时计算、电池异常告警、电量均衡等。BMU采用CAN总线通信方式，将采集到的单体电池的信息上传至BCMU。

BCMU装在每个高压箱内，每个电池簇配置1个高压箱，内部还包含直流接触器、预充电回路、电压电流采集模块、熔断器等。电压电流采集模块用于电池族总电压、电流的检测，BCMU除了完成对单体电池信息采集外，还负责电池簇的总电压、电流采集及电池簇异常报警和保护。当电池簇出现异常故障时可控制内置的直流接触器断开，避免电池过充、过放和过流。BCMU通过CAN通信将电池组的信息上传至BAMS。

BAMS由一块触摸屏组成，装在汇流柜柜门上。触摸屏内集成了处理器、显示单元、输入单元、通信接口、数据存储、人机接口软件及人机界面等，通过人机界面，可以对BCMU上传的每个单体电池的SOC、电压、温度，电池组电压、温度、充放电电流及各种异常报警信息进行显示、报警处理及存储，并将所有信息以RJ45接口上传给EMS系统。通过CAN接口和硬接点信号与PCS相连，将电池相关异常信息发送给PCS，由其进行相应的保护。

2.2.4 EMS

EMS由就地控制柜以及监控与能量管理系统组成。就地控制柜由就地控制器、UPS电源、工控一体机等组成。就地控制器通过以太网与PCS、BMS及远程运行管理平台(矿调度集控中心)进行通信，完成整个系统运行数据的采集、传输与存储，监控系统运行状态，执行系统运行策略，下发运行模式控制指令，接受矿调度集控中心的调度控制和数据上传。就地控制柜配备UPS，保证在电网掉电的情况下，完成系统预定的关机和故障程序。

监控与能量管理系统由EMS软件与工控一体机组成。其主要功能是对储能应急电源系统进行信息化管控，可根据电网、电池、负载状态自动进行运行控制管理。主要完成实时数据采集、通信监控、运行模式控制与能量调度、人机交互、数据分析等功能。

3 现场应用效果

城山煤矿副立井提升机储能集装箱应急电源系统自2022年10月1日开始安装调试，至2023年3月15日验收结束。测试结果表明，该系统技术先进、安全可靠、经济实用，能够满足城山矿副立井提升机的使用要求。

3.1 合闸测试

副立井提升机由电网供电转到储能应急电源供电时，需要对原配电系统1台200 kV·A控制变压器和2台1 100 kV·A整流变压器由高压开关柜HV依次进行手动合闸。PCS系统瞬态无功缓冲器未投入时，一次合闸成功率较低，原因是合闸瞬时冲击电流超过了PCS的硬件过流保护值4 800 A，造成PCS硬件过流所致。瞬态无功缓冲器投入后，每次合闸瞬时电流均未超过2 200 A，合闸成功率为100%。

3.2 离网运行测试

(1)半载半速运行。半载约4 t载重，用来模拟实际运人负载。提升机按照起动-加速-匀速-减速-爬行-停车的运行周期，以最高4.5 m/s的速度分别进行了上提与下放运行测试，测试结果均正常。

(2)满载半速运行。罐笼装2辆重车，约5.7 t，无配重，也将以4.5 m/s速度运行。然而启动加速至4.3 m/s时，出现PCS过流跳闸。该现象印证了储能电池容量不足以支撑满载半速运行的计算结果。将运行速度调整为3 m/s，负载5.7 t运行时，用电能质量记录仪记录的PCS输出的电压/电流波形如图5所示。整个测试过程为：空载3 m/s速度运行1次；满载5.6～5.7 t、3 m/s速度上提2次 ；满载5.6～5.7 t、3 m/s速度下放1次。以上测试结果均正常。

经以上测试后电池电量SOC由最初的43.1%，变为测试后的39.8%。由此可以算出，副立井提升机以3 m/s速度满载提升一次最多消耗的电池电量约为1.5%，如果按照电池电量的40%作为应急电源储备计算，则可保证提升机至少提升20次以上。

3.3 并网运行测试

储能集装箱应急电源系统按照当地“煤矿躲峰时间表”在EMS内设定充放电时间和功率，并按充放电策略在电池电量为45%～95%之间自动运行。在电价谷期给电池充电，电价峰期给电网放电，达到“削峰填谷”产生效益的目的。同时预留40%或45%左右电量以备在紧急情况下满足副井提升机运人需求。当地煤矿躲峰时间见表1。

根据表1在EMS内设定的PCS充放电时间及功率如图6所示。图中正功率为电池向电网放电，负功率为电网给电池充电。

PCS在某一天实际测试的运行结果如图7所示。由图7可以看出，PCS完全按照预先设定的时间和功率进行运行。

当天运行期间电池电量SOC的变化情况如图8所示。由图8可以看出，电池电量SOC是完全按照预先设定的45%～95%范围进行充放电循环的。

充放电循环1 d的总收益如图9所示。由图9可以看出，充放电循环1 d的总收益为577元。

4 结语

本项目选择低压电池储能加升压变压器应急供电方案，采用储能集装箱一体化结构，具有经济适用、环境适应性强、安装简便等特点。该系统在离网模式下，作为副立井提升机的应急电源，可满足井下人员升井需求；在并网模式下，通过对电网进行“消峰填谷”运行，实现谷峰套利，经济效益可观。该系统后期可进一步在煤矿主扇风机[7]、主排水泵等这些关键设备上拓展应用。

参考文献：

[1] 中华人民共和国应急管理部/国家矿山安全监察局.煤矿安全规程[M].北京:应急管理出版社,2022.

[2] 贾堃,罗辉,霍磊.煤矿副井提升机应急电源设计[J].煤炭工程,2011,43(8):111-113.

[3] 吴峂,周友,牛建娜.储能系统在煤矿智能应急电源中的应用[J]. 储能科学与技术,2015,4(1)∶104-109.

[4] 黄思林,肖华宾,黄常抒,等.高压级联式储能系统在火储联合调频中的应用及实践[J].储能科学与技术,2022,11(11)∶3583-3593.

[5] 王公华.高压级联应急储能供电系统在煤矿现场的应用[J].智能矿山,2023,4(4):81-85.

[6] 王兆安,刘进军,王跃,等.谐波抑制和无功功率补偿[M].北京:机械工业出版社,2015.

[7] 于月森,陈嫄,卢振洲,等.四象限高压变频器在煤矿主通风机上的应用[J].煤矿安全,2013,44(10):109-111.

Application of emergency power supply system of energy storage containers in the hoist of coal mine auxiliary shaft

YU Tao1, LU Wentao2

(1. Heilongjiang Longmei Group Logistics Co., Ltd., Jixi, Heilongjiang 158100, China;2. CITIC HIC Kaicheng Intelligence Equipment Co., Ltd., Tangshan, Hebei 063020, China)

Abstract In response to technical issues such as advanced technology, safety, reliability, economic practicality, and meeting the load characteristics of the auxiliary shaft hoist equipped with emergency power supply for the auxiliary shaft hoist of Chengshan Coal Mine in Heilongjiang Longmei Group Jixi Mining Co., Ltd., it is proposed to adopt an emergency power supply scheme with low-voltage battery energy storage and step-up transformer energy storage container, which serves as an emergency power supply to meet the lifting needs of underground personnel in the off grid mode. The many advantages of this solution are elaborated, including achieving the valley-peak arbitrage in the grid connection mode by performing "peak shaving and valley filling" operation on the power grid. In addition, the periodic, impulsive, variable, and potential load characteristics of the auxiliary shaft hoist, as well as the defects of high current harmonics and low power factor in the DC drive system can be comprehensively considered in the design of the energy storage converter (PCS). Through nearly a year of actual operation, it has been shown that the emergency power supply system can meet the needs of the auxiliary shaft hoist to lift underground personnel in emergency situations, has a good suppression effect on the reactive impact and harmonic current generated by the auxiliary shaft hoist during startup and operation, and has good economic benefits through peak shaving and valley filling in grid connected mode.

Keywords auxiliary shaft hoist; battery energy storage; energy storage container; emergency power supply; off grid operation; grid connected operation

中图分类号 TD633

文献标志码 A

引用格式：于涛，陆文涛.储能集装箱应急电源系统在煤矿副立井提升机上的应用[J].中国煤炭，2023，49(9)：57-65.DOI：10.19880/j.cnki.ccm.2023.09.009

YU Tao，LU Wentao.Application of emergency power supply system of energy storage containers in the hoist of coal mine auxiliary shaft[J].China Coal，2023，49(9)：57-65.DOI：10.19880/j.cnki.ccm.2023.09.009

作者简介：于涛(1972-)，男，山东荣成人，高级工程师，主要从事煤矿智能化、信息化方面的研究工作。E-mail：iversonang@qq.com

(责任编辑 路 强)