煤矿通风机铅炭电池储能系统.pdf

第 4 2卷 第 5期 2 0 1 6年 5月 工矿 自 动化 I n du s t r y a nd M i ne Aut o ma t i o n Vo1 ． 4 2 NO ． 5 M a y 2 0 1 6 文章 编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 6 0 5 0 0 8 8 ～ 0 4 D OI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 X ． 2 0 1 6 ． 0 5 ． 0 2 0 牛建娜 ， 周友 ， 吴峰． 煤矿通风机铅炭电池储能系统I- J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 6 ， 4 2 5 8 8 9 1 ． 煤矿通风机铅炭电池储能系统 牛建娜 ， 周友 ， 吴略 北京 低碳 清洁 能源研 究 所 ， 北京 1 0 2 2 0 9 摘要 为了提 高煤矿供 电的可靠性并确保煤矿安全生产 ， 介绍了用作煤矿通风机应急电源的铅炭 电池储 能 系统 ， 详 细描 述 了储 能 系统 的结构 、 与现 有 配 电 网的接 入 方式 、 系统 功 能、 启动及 退 出策略 等 。该 系统在 煤 矿配电网掉 电的情况下可为通风机提供 1 h的电力支撑 ， 可为煤矿 日常运营提供安全可靠保障。 关键 词 煤矿 通风 机 ；铅炭 电池 ；储 能 系统 ； 应 急 电源 中图分 类号 T D4 4 1 文献 标 志码 A 网络 出版时 间 2 0 1 6 0 4 2 9 l 1 3 5 网络 出版地址 h t t p ／ ／ www ． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． T P ． 2 0 1 6 0 4 2 9 ． 1 1 3 5 ． 0 2 0 ． h t ml Le a d c a r b o n ba t t e r y e ne r g y s t o r a g e s y s t e m f o r c o a l mi ne v e nt i l a t o r NI U J i a n n a ， Z HOU Yo u ， W U To n g Na t i o n a l I n s t i t u t e o f Cl e a n a n d Lo w C a r b o n En e r g y，Be i j i n g 1 0 2 2 0 9 ，Ch i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o i mpr o ve r e l i a bi l i t y o f p o we r s up pl y a n d e ns ur e s a f e t y p r od uc t i o n of c oa l m i ne，a l e a d c a r b o n b a t t e r y e ne r gy s t o r a g e s y s t e m u s e d a s e m e r ge nc y po we r s u pp l y f o r c o a l mi ne v e n t i l a t o r wa s 收稿 日期 2 0 1 5 0 9 3 0 ； 修回 日期 2 0 1 6 - 0 3 1 0 ； 责任编辑 胡娴 。 基金项目 国家高技术研究发展计划 8 6 3计划 项 目 2 0 1 4 AA0 5 2 3 0 2 ～ 1 ； 神华集团科技创 新项 目 S T 9 3 0 0 1 4 S H0 1 。 作者简介 牛建娜 1 9 8 1 一 ， 女 ， 河南洛 阳人， 工程师 ， 硕士 ， 主要从事储能系统的集成与应用等方面的研发工作 ， E - ma il n i u j i a r ma n i c e n e r g y ． c o m。 通过验证的控制命令记 录放置 到命令列表 。② 从 命令列表里按命令记录的优先级和排队顺序取命令 高优先级的将被优先执行 ， 根据子系统具体控制 协议进行控制。③ 处理通过身份验证 的解析 和终 端 的 I n q u i r y接 口， 以查询 联动 控制结 果 状态 。 2 ． 4 解析 和 We b终 端的调 用 在解析端实现 自动控制， 或在 We b终端实现半 自动或手动控制时 ， 都需要根据每个具体 的子系统 联 动控 制业 务设 计界 面 、 流程 和展 现方式 ， 通 过用 户 的配置调用 采集端 的 WC F接 口， 进行联 动控 制命 令 的下发和控制状态 的查询。 在 下 发 命 令 的 C o n t r o l C o mma n d 对 象 中 ， T a r g e t 和 C o mma n d属性 的格式需要遵循具体实现 的联动控制 WC F接 口的说 明。 3 结语 介绍 了综合 自动化系统联动控制应用的几种模 式 ， 并加以比较分析， 提 出了基 于 WC F的异构系统 联动控制模式 ， 采用服务的模式将所有子系统联动 交互挂 接 到采集 模 块 上 ， 从 而从 系统 角 度 对 联 动控 制的数据接口和交互方式进行 了规范和统一 ， 减少 了与子系统之间的耦合性， 为综合 自动化系统联动 控制提出了一种可行 的实现方案。 参 考 文 献 [ 1 ] 许金． 基于物联 网的煤矿 安全监控 系统体 系架构 研究 [ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 3 ， 3 9 1 2 9 7 1 0 0 ． I- 2 ] 陈茹 ． WC F框 架下 分 布式 系统 的集成 技术 研究 [ D ] ． 大连 大连海事大学 ， 2 0 1 0 ． [ 3 ] 李 勇 ， 钟宇 ， 梁 强 ， 等． 企业 服务 总线和插件 技术在煤矿 综合 自动 化 系 统 中 的应 用 [ J ] ． 中州 煤 炭 ， 2 0 1 5 8 9 6 9 8 ． [ 4 ] 徐敏 ， 黄强． 矿 山安全生产联动设计[ c ] ／ ／ 第 1 8届全国 煤矿 自动化与信息化学术会议 ， 杭州 ， 2 0 0 8 ． [ 5 ] 李志 ， 范佩磊． 煤矿安全监控系统与“ 一 通三防” 管理的 预警联动 [ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 0 ， 3 6 4 7 1 7 2 ． [ 6 ] 严 商． 基 于 WC F的分 布式 程 序 的研 究 与 实 现 I- D] ． 武汉 武汉 理工大学 ， 2 0 0 8 ． 2 0 1 6年 第 5期 牛 建娜 等 煤 矿通 风机 铅炭 电池储 能 系统 8 9 i nt r o du c e d， a n d s ys t e m s t r uc t u r e ， g r i d a c c e s s wa y， s ys t e m f u nc t i o ns ， s t a r t a nd q u i t s t r a t e g y we r e d e s c r i b e d．Th e s y s t e m c a n p r o v i d e o n e h o u r p o we r s u p p l y t o c o a l mi n e v e n t i l a t o r wh e n t h e r e i s a l o c a l g r i d f a i l ur e ，a nd g ua r a nt e e r e gu l a r o pe r a t i on a nd s a f e t y pr o du c t i on f or c o a l m i ne． Ke y wo r d s mi n e v e n t i l a t o r ；l e a d c a r b o n b a t t e r y ；e n e r g y s t o r a g e s y s t e m ；e me r g e n c y p o we r s u p p l y 0 引言 矿井通风主要依赖于矿井通风机的持续稳定工 作 ， 按服务范围和通风能力 ， 矿井通风机分为主要通 风机、 局部通风机和辅助通风机 。其中主要通风机 为全矿提供新鲜风流 ， 局部通风机为系统的局部开 采工作面提供新 鲜风流 。当局部通 风机突然停风 时， 会造成工作 面瓦斯积聚 。如果瓦斯浓度达到爆 炸界限 ， 并碰到点燃瓦斯 的火花 ， 就可能引发瓦斯爆 炸事故[ 1 ] 。调查结果表明 ， 近年来约 7 O ％煤矿特别 重大事故都是 由瓦斯爆炸引起的[ 2 ] 。 煤矿主要通风机与局部通风机的供电是煤矿井 下供电的重要环节 ， 供电稳定性直接关系到掘进工 作面的安全生产 ， 对于高瓦斯 和煤与瓦斯突出的矿 井尤为重要。这就要求供电系统除了要向通风机提 供高质量的电源外 ， 还要保证供电的连续性L 3 ] 。 煤 矿安 全规 程 明确 要求 ， 掘 进 工作 面必 须 做 到 “ 双 电 源双风机” 。然而 ， 一般煤矿 只有一个 变电所供 电， 井下供电网络也只有一个 ， 当发生大面积停电事故 或者 由于负载原 因导致停 电事故时 ， 2路电源也无 济于事_ 4 ] 。因此， 为了提高煤矿通风机 的供 电可靠 性并确保煤矿安全生产 ， 增设独立于 电网的应急电 源点非常必要 。电池储能技术作为一种新型的能源 存储技术 ， 具有可靠性高、 启动迅速以及功能配置灵 活等特点 。尤其是铅炭电池作为一种新型的储能电 池 ， 具有浮充寿命长、 安全性好、 充放电倍率高 、 可靠 性高 、 功能配置灵活等优点 ， 所以 ， 非常适合作 为煤 矿 应 急 电源使 用 。 1 储 能 系统 需求分 析 神华乌海能源有限责任公 司平沟煤矿使用的主 要 通 风机 与局 部通 风 机 在 全 矿 失 电 的情 况 下 ， 都 会 停止运行而引起井下通风不畅。如果主要通风机在 1 0 mi n内恢 复供 电， 就可 以满 足瓦斯 不超 限的要 求 ； 而局部通风机接近工作面， 必须在 5 S内恢复供 电， 否则就有瓦斯超 限的可能。为 了提高煤矿通风 机 用电的可靠性 ， 就需要为其增设独立于现有用 电 系统 的独 立应 急 电源 点 ， 只 有 这样 才 可 以避 免 因 断 电造成停风问题 ， 减少瓦斯爆炸事故。 考虑到煤矿项 目的特殊性 ， 应急 电源的接入首 先要考虑不影 响原有煤 矿配电网的安全性 与可靠 性 ， 其次要发挥应急电源 的核心功能， 所以储能系统 的运行必须独立于原有配电网， 并且 当矿井突然断 电后 ， 需在 5 S 内迅速启动， 给主要通风机和局部通 风机供电， 以满足瓦斯排放及通风需要 。同时， 储能 系统 的启动与退出都要满足配电系统手动或者 自动 重构 的基 本要 求 ， 使 应急 电源 的使用方便 、 稳定 、 可靠 。 本文提出了用作煤矿通风机应急电源的铅炭电 池储能系统 ， 并介绍了储能系统架构设计、 模块功能 以及 系 统在 2种 主要 工 作 模 式 在 线模 式及 应 急 模 式 下的控制策略。 2 储 能 系统 设计 2 ． 1 储 能 系统 架构及 功 能 作为应 急 电 源 的铅 炭 电池 储 能 系 统 由 8套 3 0 0 k W h 的储 能 电 池组 和相 应 的 8套 功 率 为 2 5 0 k W 的储 能 双 向 变 流 器 P C S 组 成 ， 如 图 1所 示 。其 中 P C S直 流侧 直接接 入 储 能 电池 组 ， 交 流侧 接人 6 k V煤矿配电网。 2 5 0k W P CS 1 6k V 2 5 0 k w I ⋯ l 2 5 0 k W P C S 2 I l P C S 8 3 0 0k W ． h l J 3 0 0k W h l 』 3 0 0k W - h 储能电池系统1 I l 储能电 池系统2 I ⋯ I 储能电池系统8 图 1铅 炭 电 池储 能 系 统 组 成 铅炭 电池储能系统在煤矿配电网的接人位置如 图 2所示 。该系统有 2种运行模式 在线模式 电网 正常时的运行模式 和应急模式 电网断电时的运行 模式 。在线模式运 行时 ， P C S通过 电网对铅酸 电 池进行浮充控制 ， 并提供必要的 自动维护； 在应急模 式运行时 ， 储能系统作为应急 电源通过 6 k V应急 段母线为主要通风机和局部通风机提供电力支撑。 9 O 工矿 自动化 2 0 1 6年 第 4 2卷 3 5 k V 6k V 图 2 储 能系统在煤矿配电 网中的接入位置 2 ． 2铅 炭 电 池 及 电 池 组 2 ． 2 ． 1铅 炭 电池 铅炭 电池是 一种 融合 了铅 酸 电池 和超级 电容 器 技术特点的新型电池， 其既具有普通铅酸 电池的特 性 ， 又 具 有 电 容 特 性 。 铅 炭 电 池 内 部 结 构 如 图 3 所示 。 离 ； bb O 一 铅酸电 超级蓄电池 合超级电容器 电极 图 3铅 炭 电 池 内 部 结 构 在铅酸电池中使用炭材料不仅发挥了其电容性 能 ， 可在高倍率充放电时起到缓冲作用， 而且能够提 升 活性 物质 的导 电性 ， 降低 电池 的充 电电压 。此外 ， 还可以提高活性物质铅 的利用效率 ， 并抑制硫酸铅 晶体的生长变大 。这就使得铅炭电池既有铅酸电池 的能量特点 ， 又具有超级电容器 的功率特点[ 5 6 1 。 与铅酸电池相比， 铅炭 电池有充 电快 、 放电功率 大 、 寿命 长、 性 价 比高 、 使用安全稳定等优点， 所以， 非常适用于储能系统或混合动力启停系统。 2 ． 2 ． 2铅 炭 电池组 矿井主要通风机功率为 7 0 4 k W， 局部通风机功 率为 2 2 2 k W。在煤矿断电时， 电池组需要支撑主要 通风机及局部通风机 3 0 mi n的用电需求 ， 以保证井 下人员安全转移。 ． 每套电池组由 3 7 5块 2 V／ 4 0 0 A h铅炭电池 串联组成 ， 单套 电池组的额定容量 为 3 7 5 2 V 4 0 0 A h一3 0 0 k w h ， 所 以， 系统 的 总容量 为 2 ． 4 Mw h 。所选单体电池 6 0 mi n的放电水平为 1 ． 9 V／ 1 6 9 ． 8 A， 则在应急模式下， 每套铅酸 电池容 量为 3 7 5 1 ． 9 V1 6 9 ． 8 A1 2 0 ． 9 8 k W h ， 电池 系 统 的 总 体 容 量 为1 2 0 ．9 8 k Wh 8 9 6 7 ． 8 4 k W h 。因储能 系统 所选 用 的 P C S效 率 为 9 6 ， 所以， 电池组可提供 的有效容量 为 9 6 7 ． 8 4 0 ． 9 6 9 2 9 ． 1 k W h 。这说 明储 能系 统可 以支 撑 主 要通风机和局部 通风机满负荷工作 1 h ， 满 足 了系 统供 电时间大于 3 0 mi n的需求 。 2 ． 3 铅 发 电池 管理 系统 配置 铅炭 电池管理系统 B MS 作为储 能系统的重 要组成部分 ， 是用于监测、 评估及保护电池运行状态 的电子设备的集合[ 7 。铅炭电池 管理系统为 3级 结构 ， 分别由电池组管理单元 B MU 、 主电池管理 系统 MB MS 、 电池堆 管理 系统 B AMS 组成。其 中 B MU具有电池电压采集、 多点温度采集、 电池组 均衡控制等 功能。MB MS负责管理一个 电池簇 中 的全部 B MU， 具 备 电池 簇 的电流采 集、 总 电压采 集 、 漏电检测功能， 同时可以在电池组状态发生异常 时驱动断开高压功率接触器， 使 电池簇退 出运行 ， 保 障电池使用安全 。B AMS负责管理一个 P C S对应 电池 系统 中 的 全 部 MB MS ， 与 就 地 监 控 系 统 通 信 ， 上报全部电池模拟量采集的信息 ， 并在 电池系统异 常时上传报警信号 ， 使 P C S转入待机状态 ， 保 护电 池使用安全 。 单套铅炭电池组管理系统结构如图 4所示 。该 系 统 共 包 含 2 1个 B MU、1个 MB MS 及 1个 B AMs 。其中 2 O个 B MU管理 由 1 6个单体 电池串 联 的 电池 组 ， 最后 1个 B MU 管 理 由 9个 电池 串 联 的 电池组 。 乏 U B AM S 工 MBMS 图 4 单套 铅炭 电池 组管理系统结 构 2 ． 4 P CS设 计 P C S是 实 现 直 流 储 能 电池 与交 流 电 网之 间 双 向能量传递的关键设 备。本储能系统 中 P C S总功 率为 2 Mw， 由 8套额定功率为 2 5 0 k W 的单机 并 联组成 ， 每套 2 5 0 k w 的 P C S对应一套 3 0 0 k W h ； 一 一 2 0 1 6 年 第 5期 牛 建娜 等 煤 矿通 风机 铅炭 电池储 能 系统 9 1 储能电池组。储能系统 的 P C S主 回路拓扑采用单 级式三相桥结构设计 ， P C S单元 的交流侧通过双分 裂升压变压器 每 2台 P C S共用 1个变压器 与平 沟煤矿 3 5 k V变电所的 6 k V母线相连 ， 直 流侧与 串联 成组 的铅 炭 电池相 连 。 当储 能 系统 以在 线 模 式运 行 时 ， P C S可 以在 线 监测 单体 电池 的电压 、 蓄 电池 组 的组端 电压 、 充 放 电 电流和温度等 ， 并对储能 电池组进行浮充控制 。当 煤矿 配 电 网发 生 故 障 、 储 能 系 统 转 入 应 急模 式 时 ， P C S将通过煤矿 3 5 k V变电所的 6 k V母线为负荷 供 电 ， 同时配 电 网中相 应 的开关会 通 过软 硬件互 锁 ， 以保 证应 急 电源 系统 只 向重 要负 荷供 电。 3储 能系统 运行 控制 策 略 煤矿配电网运行正常时 ， 储能系统保持在线运 行状态。当煤矿配电网发生故障时， 储能系统作为 通风机的应急电源， 将闭合一 系列沿线的断路开关 而进入应急模式 ， 对重要负荷供电。当煤矿电网恢 复后 ， 储能系统将经过同样的智能判断策略， 退出应 急模式并转入在线模式 。为保障储能系统 的启动及 退出安全可靠 ， 2种运行模式 的切换都可通过手动 或者 自动 2 种 手段 来完 成 。储能 系统 从在 线模 式切 换到应急模式 的流程如 图 5所示 。 4 结语 设计 了一套新型的储能系统作为煤矿通风机的 应急 电源， 在煤矿掉 电时为煤矿主要通风机和局部 通风机供 电。该系统独立于煤矿原有 的配电网， 可 以在煤矿断电时提供可靠 的第三方电源， 为重要负 荷 提供 电力 支撑 ， 为 煤 矿 的安 全 生 产 提 供 了 强有 力 的保 障 。 参考文献 [1 ] 李斌．浅 谈 煤 矿 井 下 局 部 通 风 机 专 供 电 源 的 发 展 [ J ] ． 阳煤科技 ， 2 0 0 8 3 4 3 4 5 ． [2 ] 国家 安 全生 产 监督 管 理 总 局． 煤 矿 安 全规 程 E M3 ． 北京 煤炭工业 出版社 ， 2 0 1 1 ． [3 ] 王磊 ， 陈杰 ， 肖瑞 玲 ， 等． 煤 矿井下 用蓄 电池安 全性 能 分析及其控制 对策 [ J ] ． 煤 炭科 学技 术 ， 2 0 0 9 ， 3 7 8 57 6 O． 图 5 储能 系统模 式切换流程 卢其威 ， 程红 ， 王聪． 增设局部通风机应 急电源的思考 及可 行 性 分 析 [ J ] ． 煤 炭 科 学 技 术 ， 2 0 0 8 ， 3 6 3 7 1 7 3． 张浩 ， 曹高 萍 ， 杨裕 生． 炭材 料在 铅 酸 电池 中的应 用 E J 3 ． 电源技术 ， 2 0 1 0 ， 3 4 7 7 2 9 7 3 3 ． 仝鹏 阳， 赵瑞 瑞 ， 张荣 博 ， 等． 铅 炭 电池 的研 究进 展 [ J ] ． 蓄电池 ， 2 0 1 5 ， 5 3 5 2 4 1 2 4 6 ． 王富茜 ， 朱 振华 ， 陈红雨 ， 等． 铅炭 电池研 发 中存 在 的 问题[ J ] ． 蓄 电池 ， 2 0 1 1 ， 4 9 2 6 0 6 4 ． 刘健戈 ， 周 建华 ． 用电侧 蓄 电池 储能 装置 的研究 [ J ] ． 电气应用 ， 2 0 0 8 ， 2 7 1 3 6 5 6 8 ． 李少林 ， 姚 国兴． 风光互补 发 电蓄电池超 级 电容 器混 合储能研究E J 3 ． 电力 电子技术 ， 2 0 1 0 ， 4 4 2 1 2 1 4 ． 裴丽娜 ， 黄哲 ， 董德鑫． 一种分层式储能 电池 管理系统 E J 3 ． 储能科学与技术 ， 2 0 1 4 ， 3 4 4 1 6 4 2 2 ． 宋云龙 ， 朱卫 民 ， 陈苏祥 ， 等． 炭材料 在铅 炭 电池 中的 作用机 理 及 其研 究进 展 E J 3 ． 蓄 电池 ， 2 0 1 5 ， 5 3 3 】 46 15 O． ] ] ] ] ] ] ] ] 4 5 6 7 8 9 U [ [ [ [ [ [ [ [