首页 > 论文范文 > 工程工业论文 > 工程综合论文 > 矿业工程论文 > 基于锂离子蓄电池的煤矿井下储能微电网设计研究

基于锂离子蓄电池的煤矿井下储能微电网设计研究

2024-06-07 93 上传者：管理员

摘要：针对煤矿井下隔爆型锂离子蓄电池电源多采用分布式供电，其储备能量和输出功率不能扩容，导致无法实现带载功率较大设备并提供较长时间电力供应的难题，采用“化零为整”策略，通过研究锂离子蓄电池电源并联控制技术，将多台锂离子蓄电池电源以并联方式组合起来构成一种微电网结构，实现储备能量和输出功率的扩容。对并联控制技术实现原理进行了详细的论述，对微电网架构和构成电网的单体电源设备进行了设计，最后将微电网系统在神东煤炭集团锦界煤矿进行了现场试验测试。通过试验得出微电网系统在续航能力、能源利用率、可靠性和稳定性等方面较原单体后备电源具有显著的提高。项目研究非常符合煤矿安全生产实际需要，对煤矿井下供电系统建设和安全高效生产具有十分重要的意义。

关键词：
交流微电网
后备电源
并联控制技术
逆变器
锂离子电池
加入收藏

目前，锂离子蓄电池电源在煤矿井下的应用越来越广泛。煤科院装备分院研制的DXJL4608/220J矿用隔爆兼本安型锂离子蓄电池电源，其储备能量为4 608 Wh，输出功率为2 500 W，这两项重要参数在监测通信类后备电源中处于行业领先水平。即使如此，还是有一些用户提出要带载更多或更大功率负载设备，并且还要满足4 h甚至8 h以上的供电需求。通过增加单台锂离子蓄电池电源的储备能量和输出功率来满足用户需求并不可行，原因有3点：（1）不断通过研发新型号和新产品来迎合用户多样和多变的需求，不实际、不经济；（2）增加储备能量和输出功率，会大幅提高锂离子蓄电池电源的体积、重量和成本，造成电池箱搬运和安装不便；（3）安标检验对电池的单体容量和电源的总储备能量均有上限的规定。

若采用“化零为整”的策略，将多台锂离子蓄电池电源以某种方式组合起来，将这些锂离子蓄电池电源的储能系统即锂电池组并联，实现储备能量扩容；将其交流输出并联，实现输出功率的扩容；通过以上两项措施，便可达到延长续航时间和带载更大功率和更多设备的目的，在实质上便组建了一个处于独立运行模式（孤岛模式）的储能微电网。

1、并联控制技术

由于构成电源箱的核心部件单体电池的电压和能量都很小，一般在使用时都是采用串并联的方式。储能微电网的设计也采用类似单体电池并联的方式进行扩容，只是微电网的单体部件为隔爆型锂离子蓄电池电源，通过把分布式放置的电源箱进行并联连接，并设计采用均流控制策略，从而实现微电网的组成架构。

系统并联控制技术设计采用并联电阻的方式，通过检测各台电源箱逆变器之间的输出环流，并采取抑制的措施，从而达到均流控制的目的。具体方法是用电流互感器测量逆变器的输出电流，通过采样电阻把电流转换为电压，把逆变器输出进行并联，采集各逆变器之间的电流，实现环流信息的采集，并采取环流抑制措施。设计并联供电系统拓扑结构如图1所示，分别在2条线上设置环流检测电路，实现环流检测，并进行矢量计算。

并联电阻环流检测方式原理如图2所示，图2中SIV1～SIV4为逆变器，i1～i4为逆变器的输出电流，i1s～i4s为互感器测量电流，R1～R4为并联电阻，i1a～i4a为环流，i1R～i4R为并联电阻电流，U1～U4为并联电阻电压。

因为R1=R2=R3=R4，则有U1=U2=U3=U4,R1i1R=R2i2R=R3i3R=R4i4R，故有i1R=i2R=i3R=i4R。

由基尔霍夫电流定律可得

通过式（1）和式（2）可得

将式（3）代入式（1）可得

图1 并联供电系统拓扑结构图

图2 并联电阻环流检测方式原理图

当4台逆变器输出的电流相同时，即i1s=i2s=i3s=i4s，通过式（4）可得i1a=i2a=i3a=i4a=0，则系统没有环流。

均流控制策略采用电流和电压2个闭环的控制方式，电压环为主，均流补偿为辅，电压偏差和均流补偿对系统进行共同控制。系统均流控制策略原理如图3所示，电源箱输出电压UVN与设定电压US比较计算得到电压偏差，通过PI调节得到电压环误差值，叠加电流补偿值后输入给电流环进行处理。该信号与电感电流反馈值ILN比较计算得到电流偏差，通过PI调节输入给PWM模块进行频率校正，从而实现系统均流控制。

2、微电网系统架构

微电网系统设计由若干台锂离子蓄电池电源箱组成，系统结构如图4所示。电源箱采用并联的方式连接，形成1条输出功率母线，为负载提供电源。另外，设置1条AUTBUS通信总线实现各电源箱与上位机的信息交换。每台电源箱设计由3个独立腔体组成，分别为电池腔、电路控制腔和接线腔。电路控制腔内布置均流控制器、电压电流采样电路和通信电路等电路模块。均流控制器实现电网各电源箱均流控制，抑制环流的产生。电池管理模块实现电池参数获取并对电池充放电等进行管理。

图3 系统均流控制策略原理图

图4 微电网系统结构图

系统设计采用并联电阻的方式进行环流检测，从而达到均流控制的目的。该设计对原电源箱设备改动比较小，只要增加1个均流控制器，实现环流检测，结构比较简单，方便现场安装和使用，方便现有设备的改造升级。系统设计采用硬件电路进行均流控制，大大提高了响应时间，提高了系统性能。

3、可组网锂离子蓄电池电源设计

电源设计由电池、电源管理模块、逆变器、通信模块和显示屏等部分组成，电源结构拓扑图如图5所示。

由于电池内阻不一致性会导致并联电池之间出现充放电的情况发生，因此安标规定隔爆腔内电池组不允许采用并联方式连接，故设计电池组采用串联的方式连接。电池管理模块实现电池参数采集（电压、电流和温度），并对电池剩余电量和电池状况进行计算，另外实现电池充放电和均衡控制。

图5 电源结构拓扑图

逆变器模块设计组成包括滤波单元、信号检测单元、功率单元、DSP嵌入式控制单元、控制保护单元、辅助供电单元、人机交互单元和通信单元等，模块组成结构如图6所示。功率单元设计包括有源功率因数校正电路、整流器电路和逆变电路。信号检测单元进行电压和电流参数检测。DSP嵌入式控制单元设计包括AD采集模块、基准发生模块、环路补偿模块、电流跟踪模块和控制策略模块。控制保护单元设计包括隔离转换电路、级联电路、同步电路、调制驱动电路和信号调理电路。人机交互单元设计包括蜂鸣器模块和显示模块。通信接口电路设计包括LAN接口模块和RS232接口模块。

图6 逆变器模块组成结构图

为了减少谐波污染，设计了有源功率因数校正电路，如图7所示，设计用2路功率较小的支路（相差180°开关管）代替单级通路，2路开关管交替导通。这样可以提高工作频率，降低电流波纹，减小电路尺寸。由于开关管损耗小，较小容值的电容就可以达到很好的滤波效果，可以显著提高功率密度。

图7 有源功率因数校正电路图

电源设计有CAN和485通信单元，CAN通信采用2 500 V隔离功能的CTM8251模块实现，通信速率可以根据需要自行设定，最高可达1 Mbit/s，具有很好的抗干扰性能，对于故障节点可以实现自动隔离，避免对总线的影响。485通信设计采用3.3 V半双工收发模块SP3485，传输速率最高可达10 Mbit/s，具有很好的工作性能。

电源箱设计具有显示功能，且可接收红外遥控信号，并根据信号进行显示界面的切换。在主菜单界面，按“调零+”或者“调零-”键选择“1.对外输出设置”，此时箭头将指向“1.对外输出设置”，按“确定”键进入对外输出设置界面，如电源未启动对外输出，则进入对外输出设置界面，在对外输出设置界面按“确定”键启动对外输出，此时系统将进入电池箱参数界面，如果电源有外电输入，则在电池箱参数界面将显示“交流供电状态”；如果电源没有外电输入，则在电池箱参数界面将显示“电池对外供电状态”；如电源已启动对外输出，则进入对外输出设置界面，在对外输出设置界面按“停止”键停止对外输出，此时系统将进入电池箱参数界面，在电池箱参数界面将显示“对外输出停止状态”。

4、试验测试

在神东煤炭集团锦界煤矿对微电网功能和性能进行了现场试验测试。此次工业试验主要是为5G通信系统及万兆环网系统提供备用电源，负载设备包括2台5G基站、1台HB（视频服务器）、1台BBU（基带处理单元），1台万兆交换机、1台千兆交换机。负载设备功率如表1所示。

表1 负载设备功率

上述设备原配置DXJL1440/127隔爆型锂离子蓄电池电源作为备用电源，此电源输出功率为500 W，共配置了5台，其中最小备用时间为3.6 h，备用电源情况如表2所示。

表2 试验用负载设备原配置备用电源情况表

此次试验布置3台DXJL2304/220J矿用隔爆兼本安型锂离子蓄电池电源，并将交流输出并联连接，构成微电网结构为负载设备供电，供电情况如表3所示。

表3 试验用负载设备微电网供电情况

当负载设备外部交流电断开时，设备电源切换到微电网供电，上位机可实时观察电源工作状态。

3台DXJL2304/220J电源组成微电网，在电网断电后，可以为6台负载设备提供后备电源，且在切换过程中后备电源不断电，没有出现用电设备断电和重启的现象。此次试验用微电网与原备用电源相比，在使用电源数量及备用时间上具有较大优势，对比情况如表4所示。

表4 微电网和原备用电源对比分析表

通过表4可以看出3台DXJL2304/220J电源组成的微电网在总能量小于原5台DXJL1440/127电源总能量的情况下，备用时间有较大提高。且在其中1台DXJL2304/220J电源出现问题的情况下，不影响整个电网运行，其优势特点显著。

在试验过程中，微电网管理系统实时监测其工作状态，在电压、温度、电流等出现异常变化时，系统及时做出报警提示及保护动作。上位机软件平台可远程监控微电网运行状态及组网状态，同时具有对后备电源远程控制、充放电维护及在线固件更新等功能。

通过试验可以看出微电网系统在续航能力、能源利用率、可靠性和稳定性等方面较原单体后备电源具有显著的提高，应用前景广阔。

5、结语

提出了一种在煤矿井下进行锂离子蓄电池电源的组网应用设计，所构建的煤矿井下微电网，可以在一定范围内为安全监控系统、通信联络、人员定位系统、视频监控、紧急避险和矿井救灾等系统和设备提供长时间的后备电源，改变了对煤矿井下分布式后备电源应用格局和方向，提高了能源利用率，对保障煤矿安全生产具有十分重要的意义。

参考文献:

[1]谢浩.满足5G供电的矿用胶轮车大容量备用电源[J].煤矿安全,2021,52(2):153-156.

[2]姚源.煤矿在用大容量锂离子蓄电池安全性分析及管理措施[J].煤矿安全,2020,51(7):143-146.

[4]赵凯,由蕤,韩东旭,等.微网中逆变器并联控制功率分配的研究[J].电气工程学报,2020,15(4):52-58.

[5]葛家宁,董学育,朱建忠.孤岛微电网下并联逆变器的二次控制研究[J].电气自动化,2021,43(4):87-90.

[6]胡长斌,石向一,罗珊娜,等.微电网多逆变器并联分散动态扰动补偿控制策略[J].中国电机工程学报,2021,41(13):4425-4439.

[7]汪亮,彭勇刚,吴韬,等.光储交流微电网孤岛模式下的改进型主从控制[J].高电压技术,2020,46(10):3530-3541.

[8]付林,孟宪珍,廖孟柯,等.微电网运行控制与保护技术[J].轻工科技,2021,37(4):57-58.

[9]范博士.面向综合能源服务的电力线载波通信技术研究与应用[D].北京:华北电力大学(北京),2021.

[10]颜浩.基于模型预测控制的微电网优化调度[J].电子测试,2021(7):58-61.

[11]张佳.孤岛微电网中基于电压-频率下垂与磁链-相角下垂两种控制策略的性能比较[J].浙江电力,2021,40(4):25-31.

[12]单新文,唐灏,范磊,等.基于改进粒子群算法的微电网多目标优化调度研究[J].自动化与仪器仪表,2021(6):104-107.