兖矿能源下属某煤矿公司是一大型煤炭生 产企业，矿井内生产设备种类多、数量大。该煤矿供电电源两回路均来同一变电所，三回路来自矿内自建电厂（现已停止供 电）。虽煤矿采用双回路供电方式，但仍无法保证 不会出现全矿失电的状况。在煤矿用电设备之中， 主通风机、主排水泵和副井提升机的安全可靠性和 运行持续性尤其重要，主通风机如果停机时间过长 会导致井下氧气不足，瓦斯含量超标；主排水泵如 果停机时间过长，会导致井下地下水淹没矿井；最 重要的是副井提升机，如果副井提升机一旦停运会 导致井下人员无法升井，失电还会影响其他重要一 级负荷的用电设备，因此矿井长时间失电存在较大 的安全隐患，对井下人员的人身安造成不可预估 的危害。为了满足煤矿应急供电的需求，兖矿能源 对下属的3个煤矿配置了1台可移动的柴油发电应 急供电车。但由于失电往往发生在极端恶劣天气， 移动供电车响应不及时影响供电安全。同时，提升机在下放时会产生能量回馈， 容易导致柴油发电系统故障。基于上述问题，该煤矿最终引入高压级联应急储能供电系统，以满足现场供电需求。
煤矿现场供电特点及应急供电需求
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 kV 、20 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段母线的通风机和提升机以及照明应急供电需求。
图1 煤矿供电系统
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 V 、2 MVA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。
通风机系统概述： 6 kV通风机直连I段母线， 西风井通风机主电机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，要使西风井备用通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3点要求：
（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。
高压级联应急储能供电系统特点及优势
高压级联储能应急储能供电系统如图2所示， 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。高压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。
图2 高压级联应急储能供电系统
从技术上讲，高压级联应急储能供电系统有7点优势：
（1）并离网、四象限运行
高压级联应急储能供电系统具有并网和离网 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，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
高压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
高压级联应急储能供电系统采用虚拟阻抗技 术可轻松应对变压器、电机直启等冲击性工况，且 不会导致装置过流故障，提高供电可靠性。高压级联应急储能供电系统外观如图3所示。
图3 高压级联应急储能供电系统外观
现场应用效果
针对现场需求及公司特点提供2台6 kV / 2 MW / 2 MW·h级联应急储能供电系统，总容量4 MW/ 4 MW·h，满足客户需求。高压级联应急储能供电系统关键参数见表1。
表1 高压级联应急储能供电系统关键参数
并网功率试验
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，图4a 、图4b 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。
图4 并网充电放电满功率试验
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。
图5 满功率充电放电阶跃功率波形以及电流波形
应急供电系统试验
在煤矿现场进行了应急供电演练，演练内容见表2。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， I段电压波形及THD如图6所示，电压幅值和电能质量满足要求。
图6 I段电压波形及THD
表2 演练内容
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 运行正常后主通风机空载开机，运行正常；在主通 风机运行同时进行提升载重上下行，运行正常。主通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，可实现先带主通风机运行，再带副井双 罐提升机运行，能够做到在主通风机运行稳定后， 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通风机和提升机的应急供电需求。
结 语
通过使用高压级联应急储能供电系统，该煤 矿在主变失电情况下，可保证主通风机和副井提升 机的可靠供电，降低了矿区关键负荷停电时间，较 大程度上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。
