磷酸铁锂储能系统应急电源技术应用案例查看源代码讨论查看历史

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磷酸铁锂储能系统应急电源技术应用案例《中华人民共和国煤炭法》、《中华人民共和国安全生产法》及《矿山事故灾难应急预案》(2006)中强调：煤矿企业必须坚持安全第一、预防为主的安全生产方针。即要以人为本，安全第一，要始终把保障人民群众的生命安全放在首位，最大限度地减少矿山事故灾难造成的人员伤亡和危害。

一、背景

1.技术应用所属行业特点、机遇与挑战；

矿井人员提升设备、井下风机控制系统及气体监测系统是确保煤矿安全生产的关键部分，在应急状况下，必须要保证矿机提升的正常工作，保证风机可靠工作来稀释井下瓦斯等，特别是在市电突然中断的情况下保证上述设备能够可靠及时的切换到备用电源供电，短时间内让矿井作业人员撤出，并防止因风机停风瓦斯聚集导致瓦斯浓度超限而发生瓦斯爆炸事故。

直流调速提升机系统是煤矿的重要保安负荷之一，其运行过程中存在波形畸变大、功率因数低、谐波干扰大，功率突变大等特点。

传统作为应急电源的柴油发电系统，存在应对冲击负荷、波形畸变能力差及日常维护费用高，启动不可靠等问题，难以应对诸如直流调速系统等负荷。而基于先进控制技术的电力电子变流器PCS，可完美解决柴油发电机所难以应对的难点问题，配以安全可靠、充放电寿命长的磷酸铁锂电池系统，实现日常几乎零维护，且可以依照地方的电价政策参与峰谷套利及调峰等辅助服务，即解决客户的刚需，还可以给客户带来额外的收益，因而更适合用作应急电源系统。

2.技术应用所解决的行业难点、热点问题，必要性及重要意义

煤矿作为工业类的重点电力用户，其最小保安负荷主要包括绞车提升系统、水泵、风机、瓦斯抽采泵等，属于感性冲击型负荷，存在较大的启动冲击电流，在配备交流或者直流调速系统时，也会产生较大的谐波污染，波形畸变大。

其工作特性分为短时断续工作如副井提人、长时间工作如应急通风排水等，磷酸铁锂储能应急电源的系统设计，必须满足此类负载电气特性及工作特性要求。

本应用案例采用按照足够容量的磷酸铁锂蓄电池组，通过充放电管理系统和能量转换系统（PCS）来保障市电缺失情况下，矿井人员提升设备、井下风机控制系统及气体监测系统在规定时间内的正常工作。

根据矿井供电环境的特殊性和要求，一是结合国内外矿用应急电源的发展情况，对矿用应急电源系统的结构组成和控制策略进行了整体研究和设计。二是对系统整体进行了研究和分析，确定了系统的开发方案，采用了二极管钳位三电平拓扑IGBT逆变全桥和基于DSP TMS320F28335的SPWM调制技术实现逆变器控制，运用数字PI调节器，实现了对输出电压的闭环调节，保证输出电压的稳定，且具备很强的应对抗波性畸变能力，及应对负载突变能力。三是应急电源系统的主电路和控制电路进行了详细分析和设计，包括系统各功能模块的硬件设计和软件设计以及器件的选型，采用了三电平NPC 结构的高压pcs系统。四是对系统切换电路和保护电路进行了研究和设计，采用晶闸管静态开关设计了市电和应急电源切换电路，提高了系统切换的速度和可靠性。

二、应用案例

1.项目概述（以应用为切入点，介绍包括但不限于：应用项目地点、资源及负荷等主要应用场景，以及项目规模、生产能力、关键实施步骤、主要功能与创新点、主要实施单位等）本项目应用于枣矿集团滕东煤业直流提升绞车房，通过隔离升压变压器并入10KV交流母线，用于电网双回路停电时的井下煤矿工作人员快速升级，及电网正常工作时的负荷峰谷调制。本储能系统应对的应急负载是12脉动晶闸管斩波直流调速绞车系统，立井井深900米，提升负载为对称式大小双罐，提升速度6m/s，运行过程包括动车、加速、匀速运行、减速、停车几个过程。用于提人时，每罐可承载70人，单次上提及下放时间皆约为4min，经现场测量，单次提升耗电约为40KWh。

本项目基于直流调速提升机系统的电气特性及其运行曲线，经过对储能PCS的系统特性设计及直流调速提升系统实际运行所需要的电量，以及应急电源储能系统要兼顾并网与离网两种运行模式，必须配备黑启动功能等。

本项目基于对该项目运行特性的分析，并比对目前常规项目所采用的储能变流器PCS进行分析，常规并网型的500KW级PCS难以应对此功率等级的冲击负荷，所以在本项目的实施中，创新性的采用了中压690VAC、单机功率MW级的PCS，直流侧方案为1000~1500VDC。

本项目于2020年12月开始调试，于2021年4月调试成功，各个运行指标负荷预想的要求，顺利通过甲方验收。主要效益（通过可量化的关键指标，描述应用案例的经济效益或社会效益）

本项目案例研究内容在于储能用于离网支撑大功率、冲击型负荷，以及在并网模式下对用户用电负荷进行峰谷调制。通过该项目实施，充分验证了储能系统应用于应急电源，用以取代柴油发电机系统，不论从效能、日常维护、以及灵活性应用方面，都具有明显的优势。在我国双碳目标的背景下，磷酸铁锂储能系统在平抑新能源峰谷波动，参与电力市场辅助服务等方面，也会发挥非常重要的作用

三、技术要点

（关键技术描述，自主知识产权的设备、技术、产品、软件等）

本技术要点以研究以1500V储能电池系统为基础，探索大功率变流器可靠应用关键技术，解决1500V电池系统集成防护、热场均匀、一致性管理、故障保护，以及适用于1500V电池的大功率变换系统拓扑、协调控制、功率单元桥臂级并联等问题，完成基于1500V电池系统的、单机MW级储能变流器及储能系统研制与应用实证，全面提升储能设备运行效率与并联集群稳定性。

本项目的研究要点主要保护一下几点;

1)高压1500V电池储能系统集成管理技术研究

2)1500V电池储能系统防护关键技术研究

3)单机功率MW级储能变流器运行机理及控制策略研究

四、应用前景

（行业前景、商业模式、推广空间、问题挑战等）

目前国内外通用的储能机组容量在500kW左右，储能机组的大容量化是提升储能系统效率、降低制造成本的必要条件，也将降低储能电站规模化集成的难度。电池系统的高电压化是储能机组大容量化的必要路径，储能电池电压等级提升可实现系统降本增效，但电池串联数量增加同时引入绝缘要求提升、电池不一致加剧及安全管理难题。MW级大功率大容量储能变流器具有集中控制、功率调节范围大、扩展性强，集成度高的特点，可更好的适应未来建设更大功率更大容量储能电站的技术需求。

本项目以1500V储能电池系统为基础，探索大功率变流器可靠应用关键技术，解决1500V电池系统集成防护、热场均匀、一致性管理、故障保护，以及适用于1500V电池的大功率变换系统拓扑、协调控制、功率单元桥臂级并联等问题，完成基于1500V电池系统的、单机MW级储能变流器及储能系统研制与应用实证，全面提升储能设备运行效率与并联集群稳定性。