一种大型煤矿直流供电方案制造技术

本发明专利技术提出的一种大型煤矿直流供电方案，采用直流双极辐射状多电压等级的网络拓扑，包括地面换流站、地面直流供电系统及井下直流供电系统三个部分。地面换流站为总的直流电源，接地方式为模块化多电平换流器MMC直流侧经大钳位电阻接地方式；地面直流供电系统及井下直流供电系统主要是为地面及井下负荷变换和分配电能。相较于大型煤矿现行交流供电，一种大型煤矿直流供电方案具有拓扑结构相对简单、供电能力强、没有无功平衡、谐波污染问题、运行费用更省的优点，从技术及经济角度能满足大型煤矿的供电容量及供电需求。因此，一种大型煤矿直流供电方案的提出，为解决大型煤矿供电问题提供了新思路。

【技术实现步骤摘要】
本专利技术具体涉及大型煤矿供电方式的选择和研究，属于煤矿供电

技术介绍
1.大型煤矿供电系统的发展变化随着大型、特大型安全高产高效绿色现代化矿井的建设以及先进采煤技术的不断引进，大型煤矿的供电系统发生了相应的变化。1.1煤矿供电容量及规模不断扩大据国家统计局统计：截止到2012年全国年产量超过120万吨的大型煤矿有1050座，而大型、特大型安全高效现代化矿井的特点之一是：工作面大型化、综采设备机电一体化和高度自动化，这将促使煤矿用电设备的单机容量和数量以及整个煤矿的供电容量及供电规模增大。据《安全高效现代化矿井技术标准》显示数据：单产为8Mt/a的特大工作面其采煤机及刮板输送机的装机容量均已超过2MW，若计及转载机、破碎机、巷道输煤系统及其它相关辅助设备，一个特大工作面的总装机容量可达10MW。同时随着井下工作面生产能力的提升，煤矿提升系统、运输系统、通风系统、排水系统、压风系统及其它用电设备的单机容量及数量将随之增大，目前就矿井提升系统其单机装机功率已超2MW，大型煤矿用电负荷总装机功率已超过50MW。同时，为了减少工作面搬家倒面次数，保证综采工作面长时间高产稳产，盘区掘进长度不断加大，从而使煤矿井下供电距离不断加长，1996年美国工作面掘进长度平均达2.570km，澳大利亚平均1.874km，美国西部某矿设计工作面推进长度已达6.7km；国内神东矿区活鸡兔矿井掘进长度超过5.3km，补连塔矿井亦达4.5km以上，2003年神东矿区榆家梁矿井45202工作面推进方向长度达6.380km。由于上述原因，大型煤矿井下长距离大容量供电问题更加突出。1.2煤矿负荷逐渐直流化煤矿绝大多数负荷是电动机负荷，还有少数的照明、通信、监控系统。《安全高效现代化矿井技术标准》中要求：提升机、带式输送机、主通风机、空气压缩机等用电设备宜采用变频驱动，以提高设备工作效率，减少电能消耗。从目前大型煤矿电动机采取的驱动方式来看，立井的主、副提升机、斜井带式输送机、通风机多数已采用交-直-交变频驱动方式，随着变频器技术的发展以及造价问题的解决，井下大巷及盘区带式输送机以及其它电动机负载采用变频驱动将成为主要趋势；为了节电，井下及地面照明可采用LED照明系统，而采用变频驱动的电动机负载以及LED照明负载其用电方式更趋于直流化。1.3电能消耗量大在原煤生产过程中，电气设备繁多，耗电量巨大，而大型、特大型煤矿单机容量及总负荷容量不断加大，将致使煤矿用电量不断增加，某年产量为800t的煤矿，其负荷的工作容量高达57626kW，吨煤耗电量可达到16.62W·h，总耗电量13296×104kW·h/a，年运行费用高达8642.4万元。因此，如何减小煤矿供电系统的运行费用将是煤矿企业亟待解决的问题之一。在大型煤矿供电系统发生上述变化之下，煤矿现行交流供电问题愈加突出，大型煤矿交流供电的进一步发展将面临挑战。2.煤矿交流供电存在的问题1)大型煤矿交流供电系统的拓扑趋于复杂化和大型化，使其供电可靠性下降，同时也增加了煤矿交流供电系统的设计难度。文献《工矿自动化》2009年第12期“基于图论的煤矿井下高压供电网络优化”利用最小路径法对煤矿高压交流电网的供电结构进行了优化，并理论验证了该方法在提高煤矿供电安全性和可靠性方面有效性，但交流系统拓扑结构的优化空间有限。2)煤矿供电容量的增大，导致系统短路容量增大，越级跳闸问题更加突出，交流系统供电安全性下降。3)井下长距离、重负荷供电时末端电压降不能满足要求。为了限制短路电流，电缆线路中串联限流电抗器则导致线路压降增大，进一步加剧井下供电电压的质量问题。4)变频器的广泛使用，使煤矿供电系统的谐波污染更加严重，而滤波器的安装则会进一步增加系统接线的复杂性。5)电缆数量明显增多，电缆截面加大，则使煤矿金属消耗量大大增加，电缆投资费用不断增大；同时供电距离及供电规模的增大，使电缆线路上的损耗增大，不利于交流系统的经济运行。本专利技术根据上述情况分析可得：煤矿现行交流供电系统在大型煤矿供电容量、供电规模不断扩大的形式下，在拓扑结构优化、供电可靠性、安全性、电能质量、经济运行等方面存在适应性问题；有必要改变煤矿现行供电拓扑及供电模式，以解决煤矿负荷日益增大及负荷用电方式发生变化所带来的诸多供电问题。3.煤矿其它供电模式研究现状文献《煤炭学报》2014年第39卷增刊1“高瓦斯粉尘矿井无线安全供电系统建模研究”提出了煤矿无线供电模式，并建立了该系统的模型。但是无线供电的电磁场能量存在引发瓦斯爆炸的危险，虽然文献《电工技术学报》2013年第28卷增刊2“高瓦斯矿井无线供电系统安全容量研究”中对煤矿无线供电安全容量进行了计算，但从其研究结果来看，无线供电安全容量限值，在满足煤矿日益增大的供电需求之时，将具有局限性，同时无线供电的电磁场对人体将造成相应的电磁辐射，同时也会对井下无线通信造成电磁干扰。本专利技术所提一种大型煤矿直流供电方案与文献《煤炭学报》2015年第40卷第10期“构建煤矿直流配电网的关键技术及可行性分析”均是研究煤矿直流供电方式，而不同之处在于：(1)本专利技术针对大型煤矿；(2)换流器拓扑结构不同：“构建煤矿直流配电网的关键技术及可行性分析”中换流器采用基于级联H桥型多电平变换器CHMC(CascadedH-BridgeMultilevelConverter-CHMC)，而本专利技术提出的一种大型煤矿直流供电方案中，地面换流站的换流器采用半桥子模块的模块化多电平换流器HBSM-MMC(half-bridgesubmodule-ModularMultilevelConverter，HBSM-MMC)；(3)网络结构不同：本专利技术提出的一种大型煤矿直流供电方案采用了模块化设计，将整个大型煤矿直流供电系统包括：地面换流站、地面直流供电系统和井下直流供电系统，地面换流站为整个直流系统的供电电源，地面直流供电系统包含两类直流变电站；井下直流供电系统的各个子系统相对独立，同时采用双回线供电，供电电源均取自地面换流站高压母线的不同分段上，而“构建煤矿直流配电网的关键技术及可行性分析”井下直流供电均由一路下井电缆供电；(4)电压等级不同：本专利技术所提一种大型煤矿直流供电方案地面及井下高压供电均采用DC12kV、工作面直流电压采用DC4.5kV、DC1.5kV及DC750V；而“构建煤矿直流配电网的关键技术及可行性分析”地面高压为DC7.5kV，井下供电最高电压等级为DC4.5kV；(5)储能装置设置情况不同：考虑到造价成本，本专利技术所提一种大型煤矿直流供电方案中各级母线均不设置储能装置，而构建煤矿直流配电网的关键技术及可行性分析”各级母线均以储能装置作为备用电源。
技术实现思路
结合大型煤矿现行交流供电存在的问题以及现代柔性直流供电结构简单、可控性强、供电可靠、优质、经济等优点，本专利技术提出一种大型煤矿直流供电方案，并分析了该直流供电方案在大型煤矿供电系统中应用时的适应性及可行性。本专利技术提供的一种大型煤矿直流供电方案，其具体内容为：1)一种大型煤矿直流供电方案采用直流双极供电方式，包括地面换流站、地面直流供电系统和井下直流供电系统三大部分，其中地面换流站为整个煤矿直流供电电源，为地面直流供电系统和井下直流供电系统提供直流电源。2)本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种大型煤矿直流供电方案，其特征在于：与大型煤矿现行交流供电系统不同，一种大型煤矿直流方案采用直流双极供电系统，包括地面换流站、地面直流供电系统和井下直流供电系统3大部分。

【技术特征摘要】
1.一种大型煤矿直流供电方案，其特征在于：与大型煤矿现行交流供电系统不同，一种大型煤矿直流方案采用直流双极供电系统，包括地面换流站、地面直流供电系统和井下直流供电系统3大部分。2.权利要求1所述的地面换流站，其特征在于：地面换流站为一种大型煤矿直流供电方案的总直流电源，采用双电源供电，其中交流进线1和交流进线2的交流电压us1和us2，经换流变压器T1和换流变压器T2变换至与直流电压DC12kV相匹配的交流电压uv1和uv2，并分别由模块化多电平换流器MMC-1和MMC-2整流成DC12kV直流电，并以双极供电方式汇总于DC12kV高压直流母线WI和WII，然后呈辐射状向地面直流供电电源S1、地面直流供电电源S2、地面直流供电电源S3、地面直流供电电源S4、井下直流供电电源S5和井下直流供电电源S6提供直流电能。3.权利要求1所述的地面直流供电系统，其特征在于：地面直流供电包含第I类地面直流配变电站和第II类地面直流变电站两种类型；第I类地面直流配变电站采用双直流电源供电，两路电源分别引自地面换流站中的地面直流供电电源S1和地面直流供电电源S2，并分别接于DC12kV高压直流母线WI-A和WI-B，并经DC-AC变频1、DC-AC变频2、以及DC12kV/DC400V直流变压器TI-1和TI-2分别给地面高压电动机类负载1和地面高压电动机类负载2以及DC400V低压直流母线WI-C和WI-D供电，其中WI-A与WI-B由分段直流断路器QFDI-1连接、WI-C与WI-D由分段直流断路器QFDI-2连接；第II类地面直流变电站采用双回线直流供电，两路电源分别引自地面换流站中的地面直流供电电源S3和地面直流供电电源S4，并直接由直流变压器TII-1、直流变压器TII-2降压并汇总于DC400V低压直流母线WII-A和WII-B，WII-A和WII-B由分段直流断路器QFDII连接。4.权利要求1所述的井下直流供电系统，包括：井下主直流变电站、大巷带式输送机机头直流变电站、盘区直流变电站、盘区水泵房直流变电站、综掘工作面直流变配电点和综采工作面直流变配电点；其中井下主直流变电站、大巷带式输送机机头直流变电站、盘区直流变电站、盘区水泵房直流变电站均由井下直流供电电源S5和井下直流供电电源S6供电，而综掘工作面直流变配电点和综采工作面直流变配电点的电源取自盘区直流变电站DC12kV高压母线W3-A和W3-B；井下主直流变电站的两路直流电源进线S1-1和S1-2分别接于井下主直流变电站DC12kV高压直流母线W1-A和W1-B，并经过DC-AC变频3、DC-AC变频4以及DC12kV/DC750V直流变压器T1-1和...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗娟，高淑萍，高峰，赵建文，李忠，宋国兵，王晓卫，
申请(专利权)人：西安科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61