磷酸鐵鋰儲能系統應急電源技術應用案例檢視原始碼討論檢視歷史

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磷酸鐵鋰儲能系統應急電源技術應用案例《中華人民共和國煤炭法》、《中華人民共和國安全生產法》及《礦山事故災難應急預案》(2006)中強調：煤礦企業必須堅持安全第一、預防為主的安全生產方針。即要以人為本，安全第一，要始終把保障人民群眾的生命安全放在首位，最大限度地減少礦山事故災難造成的人員傷亡和危害。

一、背景

1.技術應用所屬行業特點、機遇與挑戰；

礦井人員提升設備、井下風機控制系統及氣體監測系統是確保煤礦安全生產的關鍵部分，在應急狀況下，必須要保證礦機提升的正常工作，保證風機可靠工作來稀釋井下瓦斯等，特別是在市電突然中斷的情況下保證上述設備能夠可靠及時的切換到備用電源供電，短時間內讓礦井作業人員撤出，並防止因風機停風瓦斯聚集導致瓦斯濃度超限而發生瓦斯爆炸事故。

直流調速提升機系統是煤礦的重要保安負荷之一，其運行過程中存在波形畸變大、功率因數低、諧波干擾大，功率突變大等特點。

傳統作為應急電源的柴油發電系統，存在應對衝擊負荷、波形畸變能力差及日常維護費用高，啟動不可靠等問題，難以應對諸如直流調速系統等負荷。而基於先進控制技術的電力電子變流器PCS，可完美解決柴油發電機所難以應對的難點問題，配以安全可靠、充放電壽命長的磷酸鐵鋰電池系統，實現日常幾乎零維護，且可以依照地方的電價政策參與峰谷套利及調峰等輔助服務，即解決客戶的剛需，還可以給客戶帶來額外的收益，因而更適合用作應急電源系統。

2.技術應用所解決的行業難點、熱點問題，必要性及重要意義

煤礦作為工業類的重點電力用戶，其最小保安負荷主要包括絞車提升系統、水泵、風機、瓦斯抽采泵等，屬於感性衝擊型負荷，存在較大的啟動衝擊電流，在配備交流或者直流調速系統時，也會產生較大的諧波污染，波形畸變大。

其工作特性分為短時斷續工作如副井提人、長時間工作如應急通風排水等，磷酸鐵鋰儲能應急電源的系統設計，必須滿足此類負載電氣特性及工作特性要求。

本應用案例採用按照足夠容量的磷酸鐵鋰蓄電池組，通過充放電管理系統和能量轉換系統（PCS）來保障市電缺失情況下，礦井人員提升設備、井下風機控制系統及氣體監測系統在規定時間內的正常工作。

根據礦井供電環境的特殊性和要求，一是結合國內外礦用應急電源的發展情況，對礦用應急電源系統的結構組成和控制策略進行了整體研究和設計。二是對系統整體進行了研究和分析，確定了系統的開發方案，採用了二極管鉗位三電平拓撲IGBT逆變全橋和基於DSP TMS320F28335的SPWM調製技術實現逆變器控制，運用數字PI調節器，實現了對輸出電壓的閉環調節，保證輸出電壓的穩定，且具備很強的應對抗波性畸變能力，及應對負載突變能力。三是應急電源系統的主電路和控制電路進行了詳細分析和設計，包括系統各功能模塊的硬件設計和軟件設計以及器件的選型，採用了三電平NPC 結構的高壓pcs系統。四是對系統切換電路和保護電路進行了研究和設計，採用晶閘管靜態開關設計了市電和應急電源切換電路，提高了系統切換的速度和可靠性。

二、應用案例

1.項目概述（以應用為切入點，介紹包括但不限於：應用項目地點、資源及負荷等主要應用場景，以及項目規模、生產能力、關鍵實施步驟、主要功能與創新點、主要實施單位等）本項目應用於棗礦集團滕東煤業直流提升絞車房，通過隔離升壓變壓器併入10KV交流母線，用於電網雙迴路停電時的井下煤礦工作人員快速升級，及電網正常工作時的負荷峰谷調製。本儲能系統應對的應急負載是12脈動晶閘管斬波直流調速絞車系統，立井井深900米，提升負載為對稱式大小雙罐，提升速度6m/s，運行過程包括動車、加速、勻速運行、減速、停車幾個過程。用於提人時，每罐可承載70人，單次上提及下放時間皆約為4min，經現場測量，單次提升耗電約為40KWh。

本項目基於直流調速提升機系統的電氣特性及其運行曲線，經過對儲能PCS的系統特性設計及直流調速提升系統實際運行所需要的電量，以及應急電源儲能系統要兼顧併網與離網兩種運行模式，必須配備黑啟動功能等。

本項目基於對該項目運行特性的分析，並比對目前常規項目所採用的儲能變流器PCS進行分析，常規併網型的500KW級PCS難以應對此功率等級的衝擊負荷，所以在本項目的實施中，創新性的採用了中壓690VAC、單機功率MW級的PCS，直流側方案為1000~1500VDC。

本項目於2020年12月開始調試，於2021年4月調試成功，各個運行指標負荷預想的要求，順利通過甲方驗收。主要效益（通過可量化的關鍵指標，描述應用案例的經濟效益或社會效益）

本項目案例研究內容在於儲能用於離網支撐大功率、衝擊型負荷，以及在併網模式下對用戶用電負荷進行峰谷調製。通過該項目實施，充分驗證了儲能系統應用於應急電源，用以取代柴油發電機系統，不論從效能、日常維護、以及靈活性應用方面，都具有明顯的優勢。在我國雙碳目標的背景下，磷酸鐵鋰儲能系統在平抑新能源峰谷波動，參與電力市場輔助服務等方面，也會發揮非常重要的作用

三、技術要點

（關鍵技術描述，自主知識產權的設備、技術、產品、軟件等）

本技術要點以研究以1500V儲能電池系統為基礎，探索大功率變流器可靠應用關鍵技術，解決1500V電池系統集成防護、熱場均勻、一致性管理、故障保護，以及適用於1500V電池的大功率變換系統拓撲、協調控制、功率單元橋臂級並聯等問題，完成基於1500V電池系統的、單機MW級儲能變流器及儲能系統研製與應用實證，全面提升儲能設備運行效率與並聯集群穩定性。

本項目的研究要點主要保護一下幾點;

1)高壓1500V電池儲能系統集成管理技術研究

2)1500V電池儲能系統防護關鍵技術研究

3)單機功率MW級儲能變流器運行機理及控制策略研究

四、應用前景

（行業前景、商業模式、推廣空間、問題挑戰等）

目前國內外通用的儲能機組容量在500kW左右，儲能機組的大容量化是提升儲能系統效率、降低製造成本的必要條件，也將降低儲能電站規模化集成的難度。電池系統的高電壓化是儲能機組大容量化的必要路徑，儲能電池電壓等級提升可實現系統降本增效，但電池串聯數量增加同時引入絕緣要求提升、電池不一致加劇及安全管理難題。MW級大功率大容量儲能變流器具有集中控制、功率調節範圍大、擴展性強，集成度高的特點，可更好的適應未來建設更大功率更大容量儲能電站的技術需求。

本項目以1500V儲能電池系統為基礎，探索大功率變流器可靠應用關鍵技術，解決1500V電池系統集成防護、熱場均勻、一致性管理、故障保護，以及適用於1500V電池的大功率變換系統拓撲、協調控制、功率單元橋臂級並聯等問題，完成基於1500V電池系統的、單機MW級儲能變流器及儲能系統研製與應用實證，全面提升儲能設備運行效率與並聯集群穩定性。