CN206922428U - 一种大型煤矿直流供电拓扑结构 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提出的一种大型煤矿直流供电拓扑结构，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拓扑结构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拓扑结构的提出，为解决大型煤矿供电问题提供了新思路。
Description
技术领域
本实用新型具体涉及大型煤矿供电方式的选择和研究，属于煤矿供电技术领域。
背景技术
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。
本实用新型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。本实用新型所提一种大型煤矿直流供电拓扑结构与文献《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)本实用新型针对大型煤矿；(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 (Cascaded H-BridgeMultilevel Converter-CHMC)，而本实用新型提出的一种大型煤矿直流供电拓扑结构中，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-bridge submodule-Modular Multilevel Converter，HBSM-MMC)；(3)网络结构不同：本实用新型提出的一种大型煤矿直流供电拓扑结构采用了模块化设计，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：本实用新型所提一种大型煤矿直流供电拓扑结构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，本实用新型所提一种大型煤矿直流供电拓扑结构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。
实用新型内容
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，本实用新型提出一种大型煤矿直流供电拓扑结构，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。
本实用新型提供的一种大型煤矿直流供电拓扑结构，其具体内容为：
1)一种大型煤矿直流供电拓扑结构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)考虑一种大型煤矿直流供电拓扑结构的供电可靠性，地面换流站采用双电源供电，包括：交流进线1、交流进线2、换流变压器T1、换流变压器T2、模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，MMC)MMC-1 和MMC-2、DC12kV高压直流母线WI、WII、分段直流断路器QFD1、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；其中：交流进线1和交流进线2的两路交流电源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S5-1、S5-2、S5-3、S5-4和井下直流供电电源S6-1、S6-2、 S6-3、S6-4提供直流电能。
地面换流站中的MMC各相桥臂串联子模块采用半桥子模块HBSM (half-bridgesub module，HBSM)拓扑结构，MMC的接地方式采用直流侧经大钳位电阻接地的接地方式。
本实用新型选择DC12kV高压直流作为地面及井下供电高压直流电压等级，主要考虑到直流供电能力及井下最远点供电的电压降问题。式(1) 和式(2)分别为交、直流线路的传输功率PAC与PDC计算公式，其中：ΔUAC％、ΔUDC％分别为交流和直流线路电压降百分数；UAC，UDC分别为交流线电压有效值及直流极间电压值；RAC，XAC为交流线路的等值电阻和等值电抗，按照文献《电网技术》2013年第37卷第12期“交流配电网与直流配电网的经济性比较”的相关数据，即RAC＝1Ω且XAC＝2RAC；RDC为直流线路的等值电阻，假设交流电缆与直流电缆的截面及绝缘水平相同，同时由于电缆芯线一般为多股绞线，集肤效应系数约为1，故可认为RDC≈RAC＝1Ω；为功率因数角。
按照煤矿交流供电系统的功率因数为0.95以及《煤矿供电设计手册》对 10kV高压供电电压偏移不超过7％的要求，通过式(1)和(2)可计算出煤矿10kV交流线路与DC12kV直流线路的最大传送功率分别为：
从式(3)和式(4)计算数值上看：DC12kV直流电缆线路的最大传功率约为10kV交流线路的2倍，即：同样长度的供电线路，采用DC12kV供电比交流10kV的供电能力更强，更适应煤矿井下长距离大功率的供电需求，同时为了满足煤矿负荷供电的增长需求，地面及低压直流供电、综采及综掘工作面直流电压均选择比交流系统略高的电压等级，其中：地面低压直流电压为DC400V、井下低压直流采用DC750V、综采及综掘工作面直流电电压采用DC4.5kV、DC1.5kV、DC750V。
式(5)则是对DC12kV直流高压供电最远点电压偏移ΔU％的校验公式，其中：PDC为直流线路传输功率(MW)，UDC为直流极间电压(kV)，RDC为直流电缆等效电阻，数值取1。而下井高压直流电缆从地面换流站到盘区直流变电站的距离最长，故PDC按照煤矿工作面的总负荷最高值10MW计算，则采用DC12kV供电时，其最远点电压偏移为ΔU％：
式(5)计算结果表明，当直流高压采用DC12kV时，高压供电最远端电压偏移满足《煤矿供电设计手册》对井下用电设备高压供电电压偏移不超过7％的要求。
3)一种大型煤矿直流供电拓扑结构中的地面直流供电系统包含第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，包括：地面直流供电电源S1、地面直流供电电源S2、DC12kV高压直流母线WI-A、WI-B、分段直流断路器QFDI-1、DC-AC变频1、DC-AC变频2、地面高压电动机类负载1和地面高压电动机类负载2、DC12kV/DC400V直流变压器TI-1、 DC12kV/DC400V直流变压器TI-2、DC400V低压直流母线WI-C、低压直流母线WI-D和分段直流断路器QFDI-2；两路电源进线分别接于高压直流母线WI-A和WI-B，经DC-AC变频1、DC-AC变频2、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、DC400V低压直流母线WI-C、低压直流母线WI-D供电，其中 WI-A与WI-B、WI-C与WI-D分别由分段直流断路器QFDI-1和QFDI-2 连接。
第II类地面直流变电站采用双回线直流供电，包括：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的两路DC12kV的高压直流电源、DC12kV/DC400V的直流变压器TII-1、TII-2、DC400低压直流母线WII-A和WII-B以及分段直流断路器QFDII。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的两路电源直接由直流变压器 TII-1、直流变压器TII-2降压至DC400V，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)一种大型煤矿直流供电拓扑结构中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的两路电源分别自取地面换流站井下直流供电电源S5和井下直流供电电源S6，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-I 和W3-II；
井下主直流变电站包括：两路直流电源进线S5-1和S6-1、DC12kV高压直流母线W1-A和W1-B、DC-AC变频3、DC-AC变频4、主排水泵1、主排水泵2、DC12kV/DC750V直流变压器T1-1和T1-2、DC750V直流母线W1-C和W1-D以及分段直流断路器QDF1-1和分段直流断路器QFD1-2；引自地面换流站高压直流母线WI和WII上的两路电源进线S5-1、S6-1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 DC-AC驱动3、DC-AC驱动4、DC12kV/DC750V直流变压器T1-1和T1-2 分别为主排水泵1、主排水泵2、DC750V直流母线W1-C和W1-D提供电源，其中W1-A与W1-B、W1-C与W1-D分别由分段直流断路器QFD1-1 和QFD1-2连接。
大巷带式输送机机头直流变电站包括：两路直流电源S5-2和S6-2、 DC12kV高压直流母线W2-A和W2-B、DC-AC变频5、DC-AC变频6、 DC-AC变频7、大巷带式输送机主电机1、大巷带式输送机主电机2、配舱刮板机、DC12kV/DC750V直流变压器T2-1和T2-2、DC750kV直流母线 W2-C和W2-D以及分段直流断路器QFD2-1和QFD2-2；两路直流电源S5-2 和S6-2接于DC12kV高压直流母线W2-A和W2-B，并经DC-AC变频5、 DC-AC变频6、DC-AC变频7及DC12kV/DC750V直流变压器T2-1和T2-2 分别为带大巷带式输送机主电机1、大巷带式输送机主电机2、配舱刮板机及DC750kV直流母线W2-C和W2-D供电，其中W2-A与W2-B、W2-C 与W2-D分别由分段直流断路器QFD2-1和QFD2-2相连。
盘区直流变电站的两路直流进线S5-3和S5-4接于DC12kV高压直流母线W3-A和W3-B分别为综掘工作面局部通风、综采工作面局部通风、综掘工作面直流配电点、综采工作面直流配电点提供DC12kV高压直流电源，同时经直流变压器T3-1和T3-2降压至750kV，分别750kV直流母线W3-C 和W3-D提供电源，其中W3-A与W3-B、W3-C与W3-D分别由分段直流断路器QFD3-1和QFD3-2相连；综掘工作面直流配电点的电源引自 DC12kV高压直流W3-A，分别经DC12kV/DC1.5kV直流变压器T3-3、和 DC12kV/DC750V直流变压器T3-4为综掘工作面DC1.5kV直流配电点 W3-E、DC750V直流配电点W3-F提供电能；综采工作面直流配电点的电源引自DC12kV高压直流母线W3-B，经DC12kV/DC4.5kV直流变压器 T3-5、DC12kV/DC1.5kV直流变压器T3-6和DC12kV/DC750V直流变压器 T3-7分别为综采工作面DC4.5kV直流配电点W3-G、DC1.5kV直流配电点 W3-H、DC750V直流配电点W3-I提供电能。
盘区水泵房直流变电站包括：两路直流电源S5-4和S6-4、DC12kV高压直流母线W4-A和W4-B、盘区局部通风1和盘区局部通风2、DC-AC变频8和DC-AC变频9、盘区排水泵1和盘区排水泵2、DC12kV/DC750V直流变压器T4-1和T4-2、DC750V直流母线W4-C和W4-D以及分段直流断路器QFD4-1和QFD4-2；两路直流电源S5-4和S6-4接入DC12kV高压直流母线W4-A和W4-B分别盘区局部通风1和盘区局部通风2、经DC-AC 变频8及DC-AC变频9驱动的盘区排水泵1和盘区排水泵2提供电源，同时DC12kV直流电经直流变压器T4-1和T4-2降压至DC750V，为直流母线 W4-C和W4-D供电，其中W4-A与W4-B、W4-C与W4-D分别由分段直流断路器QFD4-1和QFD4-2连接。
与大型煤矿现行交流供电系统相比，本实用新型提出的一种大型煤矿直流供电拓扑结构的技术经济优势在于：
1)直流供电不存在无功补偿及铁磁谐振问题，相关供电辅助设备明显减少，接线得到了简化，拓扑相对简单，更利于系统的设计与维护。
2)电缆芯线由3根变为2根，同样供电距离下，电缆金属消耗量将减少1/3，线路电能损耗也随之下降，同时还简化了接线，降低了线路故障率，提高了供电可靠性。
3)DC12kV高压直流供电能力是交流10kV的两倍，更适应煤矿用电负荷容量、供电距离不断增长的供电需求。
4)直流供电方便变频器负载及直流负载的接入，较交流系统，更能适应煤矿负荷直流化的发展趋势。
5)MMC换流器采用最近电平逼近的调制方法，当其HBSM子模块数量越多、电平数越高时，其交流侧输出越接近正弦，对交流系统谐波污染很小，同时MMC换流器既能吸收也能发出无功功率。因此，采用直流供电不仅不会对交流电网产生谐波污染，同时还能有效的改善交流系统的电压质量。
6)直流系统线路损耗低于交流，当变频器负载以DC-AC接入直流系统时，比以AC-DC-AC交流系统时，少了一级的传输损耗，直流供电更利于系统的经济运行。
附图说明
图1为本实用新型所述的一种大型煤矿直流供电拓扑结构框图。
图2为本实用新型所述的地面换流站拓扑结构图。
图3为本实用新型所述的地面直流供电系统拓扑结构图。
图4为本实用新型所述的井下直流供电系统拓扑结构图。
图5为本实用新型所述MMC换流器拓扑结构及接地方式电路图。
图6为本实用新型所述MMC换流器单极接地故障仿真模型。
图7为图6所示系统正极接地故障时MMC1、MMC2极间电压仿真波形。
图8为图6所示系统正极接地故障时单极对地电压仿真波形。
图9为图6所示系统正极接地故障时直流电流仿真波形。
图10为图6所示系统MMC1和MMC2有功功率仿真模型。
图11为图6所示系统MMC1中子模块电容电压波形。
图12为本实用新型实施例所述某大型煤矿交、直流供电系统总投资费用曲线示意图。
具体实施方式
下面结合附图，进一步阐明本实用新型。
图1为本实用新型所述的一种大型煤矿直流供电拓扑结构框图。与大型煤矿现行交流供电系统不同，一种大型煤矿直流供电拓扑结构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三大部分，地面换流站为一种大型煤矿直流供电拓扑结构的总直流电源，主要为煤矿地面直流供电系统和井下直流供电系统提供直流电源。
图2为本实用新型所述的地面换流站拓扑结构图。地面换流站拓扑结构中包括：交流进线1、交流进线2、换流变压器T1、换流变压器T2、MMC-1 和MMC-2、DC12kV高压直流母线WI、WII、分段直流断路器QFD1、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S5-1、S5-2、S5-3、S5-4和井下直流供电电源S6-1、S6-2、S6-3、S6-4；其中：交流进线1和交流进线2的两路交流电源us1和us2经换流变压器T1和换流变压器T2变换至于直流电压 DC12kV相匹配的交流电压uv1和uv2，并分别由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S5-1、S5-2、 S5-3、S5-4和井下直流供电电源S6-1、S6-2、S6-3、S6-4提供直流电能。
图3为本实用新型所述的地面直流供电系统拓扑示意图。煤矿地面直流供电系统包含第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，两类地面直流变电站均采用双直流供电电源，其中第I类地面直流配变电站的两路电源取自地面直流供电电源S1和地面直流供电电源2，第II类地面直流变电站的两路电源取自地面直流供电电源S3和地面直流供电电源 4。第I类地面直流配变电站包括：直流供电电源S1、地面直流供电电源S2、DC12kV高压直流母线WI-A、WI-B、分段直流断路器QFDI-1、DC-AC 变频1、DC-AC变频2、地面高压电动机类负载1和地面高压电动机类负载 2、DC12kV/DC400V直流变压器TI-1、DC12kV/DC400V直流变压器TI-2、 DC400V低压直流母线WI-C、低压直流母线WI-D和分段直流断路器 QFDI-2；两路电源进线分别接于高压直流母线WI-A和WI-B，分别经DC-AC 变频1、DC-AC变频2、DC12kV/DC400V直流变压器TI-1和 DC12kV/DC400V直流变压器TI-2给地面高压电动机类负载1和地面高压电动机类负载2、DC400V低压直流母线WI-C、低压直流母线WI-D供电，其中WI-A与WI-B、WI-C与WI-D分别由分段直流断路器QFDI-1和QFDI-2 连接。第II类地面直流变电站采用双回线直流供电，包括：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的两路DC12kV的高压直流电源、DC12kV/DC400V的直流变压器TII-1、TII-2、DC400低压直流母线WII-A和WII-B以及分段直流断路器QFDII。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的两路电源直接由直流变压器TII-1、直流变压器TII-2降压至DC400V，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。
图4为本实用新型所述的井下直流供电拓扑结构图。煤矿井下直流供电系统包括：井下主直流变电站、盘区水泵房直流变电站、盘区直流变电站、大巷带式输送机机头直流变电站、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、盘区水泵房直流变电站、盘区直流变电站、大巷带式输送机机头直流变电站的两路电源分别自取地面换流站井下直流供电电源S-1、S5-2、S5-3、S5-4和井下直流供电电源S6-1、 S6-2、S6-3、S6-4，而综放工作面直流变配电点和综掘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-I和W3-II。井下主直流变电站包括两路直流电源进线S1-1和S1-2、DC12kV高压直流母线W1-A 和W1-B、DC-AC驱动3、DC-AC驱动4、主排水泵1、主排水泵2、DC12kV/DC750V直流变压器T1-1和T1-2、DC750V直流母线W1-C和 W1-D以及分段直流断路器QDF1-1和分段直流断路器QFD1-2；引自地面换流站井下直流供电电源S5和井下直流供电电源S6两路直流电源进线 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DC-AC驱动3、DC-AC驱动4、DC12kV/DC750V直流变压器 T1-1和T1-2分别为主排水泵1、主排水泵2、DC750V直流母线W1-C和 W1-D提供电源，其中W1-A与W1-B、W1-C与W1-D分别由分段直流断路器QFD1-1和QFD1-2连接。盘区水泵房直流变电站包括：两路直流电源S2-1和S2-2、DC12kV高压直流母线W2-A和W2-B、区局部通风1和判据局部通风2、DC-AC变频5和DC-AC变频6、盘区排水泵1和盘区排水泵 2、DC12kV/DC750V直流变压器T21和T2-2、DC750V直流母线W2-C和 W2-D以及分段直流断路器QFD2-1和QFD2-2；两路直流电源S2-1和S2-2 接入DC12kV高压直流母线W2-A和W2-B分别盘区局部通风1和判据局部通风2、经DC-AC变频5及DC-AC变频6驱动的盘区排水泵1和盘区排水泵2提供电源，同时DC12kV直流电经直流变压器T21和T2-2降压至 DC750V，为直流母线W2-C和W2-D供电，其中W2-A与W2-B、W2-C与W2-D分别由分段直流断路器QFD2-1和QFD2-2连接。盘区直流变电站的两路直流进线S3-1和S3-2接于DC12kV高压直流母线W3-A和W3-B分别为综采工作面直流配电点、综掘工作面直流配电点、综采工作面局部通风、综掘工作面局部通风提供DC12kV高压直流电源，同时经直流变压器 T3-1和T3-2降压至750kV，分别750kV直流母线W3-C和W3-D提供电源，其中W3-A与W3-B、W3-C与W3-D分别由分段直流断路器QFD3-1和 QFD3-2相连；综采工作面直流配电点的电源引自DC12kV高压直流母线 W3-A，分别经DC12kV/DC4.5kV直流变压器T3-3、DC12kV/DC1.5kV直流变压器T3-4和DC12kV/DC750V直流变压器T3-4为综采工作面DC4.5kV 直流配电点W3-E、DC1.5kV直流配电点W3-F、DC750V直流配电点W3-G 提供电能；综掘工作面直流配电点的电源引自DC12kV高压直流W3-B，分别经DC12kV/DC1.5kV直流变压器T3-6、和DC12kV/DC750V直流变压器 T3-7为综掘工作面DC1.5kV直流配电点W3-H、DC750V直流配电点W3-I提供电能。大巷带式输送机机头直流变电站包括：两路直流电源S4-1和 S4-2、DC12kV高压直流母线W4-A和W4-B、DC-AC变频7、DC-AC变频8、DC-AC变频9、大巷带式输送机主电机1、大巷带式输送机主电机2、配舱刮板机、DC12kV/DC750V直流变压器T4-1和T4-2、DC750kV直流母线W4-C和W4-D以及分段直流断路器QFD4-1和QFD4-2；两路直流电源 S4-1和S4-2接于DC12kV高压直流母线W4-A和W4-B，并经DC-AC变频7、DC-AC变频8、DC-AC变频9及DC12kV/DC750V直流变压器T4-1 和T4-2分别为带大巷带式输送机主电机1、大巷带式输送机主电机2、配舱刮板机及DC750kV直流母线W4-C和W4-D供电，其中W4-A与W4-B、 W4-C与W4-D分别由分段直流断路器QFD4-1和QFD4-2相连。
图5为本实用新型所述MMC换流器拓扑结构及接地方式电路图。其中MMC桥臂串联子模块为HBSM拓扑，接地方式为直流侧经钳位电阻接地。由于钳位电阻阻值很大，当直流线路发生单极接地故障后，理论上HBSM中的电容与接地点不能构成有效的放电回路，故电容电压不变、短路电流很小(仅为故障线路对地电容经故障点的放电电流)；虽然各极直流电位参考点位置发生了改变，但极间电压将保持不变，仍可正常输送功率，因此在该种接地方式下发生单级接地故障，理论上系统可以继续运行，与交流系统中性点非有效接地系统极为相似，能够适应煤矿安全供电要求。此外，MMC采用最近电平逼近调制，当HBSM数量越多、电平数越高，交流侧输出越接近正弦，同时MMC还可吸收或发出无功功率，改善交流电压，因此煤矿直流供电系统采用MMC换流器，对交流系统无谐波污染，同时还可改善交流电压质量。
图6为本实用新型所述MMC换流器单极接地故障仿真模型，本实用新型利用PSCAD电磁暂态仿真软件搭建了一个11电平的两端MMC直流供电系统模型，模型参数如表1所示；图7-图11为图6所示系统正极接地故障时MMC1、MMC2极间直流电压Udc的波形、单极对地电压波形、直流电流波形、MMC1和MMC2有功功率波形、MMC1子模块电容电压波形，其中仿真步长100us，故障时刻为1s，故障持续时间为0.1s。根据仿真模型及仿真波形验证了本实用新型所提MMC直流侧经大钳位电阻接地方式在煤矿供电系统中的适应性。
表1 MMC双端直流系统仿真模型参数
图12为本实用新型实施例所述某大型煤矿交、直流供电系统总投资费用曲线示意图。本实用新型从设备投资及运行费用两个方面对实施例中的某大型煤矿交流供电系统和本实用新型提出的一种大型煤矿直流供电拓扑结构的总投资进行了估算，证明本实用新型提出的一种大型煤矿直流拓扑结构方案的经济可行性。
实施例
某大型煤矿年产原煤800t，用电负荷总计算功率为38356kW，该煤矿现行交流供电系统中的地面变电站采用3台25MVA的变压器为全矿所有负荷供电；整个供电系统共有10kV断路器124台以及10kV降压变压器22 台，其总容量大约为28MVA；10kV电缆总长为82km，井下10kV最长供电距离L约7km。
结合文献《电网技术》2013年第37卷第12期“交流配电网与直流配电网的经济性比较”、文献《电力系统自动化》2015年第39卷第9期“直流配电网电压等级序列研究”及国家电网公司颁布的《典型造价110kV变电站分册》中交、直流配电网中变压器(换流站)及相关电气设备的造价，以某大型煤矿为实施例，对该煤矿交、直流两种不同供电模式下的设备投资费用进行了估算，具体数值如表2所示。
表2 煤矿交流供电与直流供电设备投资成本估算*
*表中估算数据未考虑井下设备的防爆费用。
从表2中的估算数据来看，鉴于目前电力电子技术发展水平，直流设备的造价较高，导致煤矿直流供电系统的总体综合造价高于交流系统。随着电力电子技术及储能技术的进一步发展与成熟，直流供电系统设备造价存在很大的降价空间，从而大大的削弱交流供电系统设备造价方面的优势。结合文献《电网技术》2013年第37卷第12期“交流配电网与直流配电网的经济性比较”以及文献《电力系统自动化》2015年第39卷第9期“直流配电网电压等级序列研究”中的相关数据，柔性直流换流器、直流变压器的传输效率与交流变压器传输效率均按照98％计算；而对于变频器 (AC-DC-AC)环节中的整流与逆变，其效率分别为95％和97％。由此计算所得电能传变损耗如表3所示。
表3 煤矿交、直流系统电能传变损耗
显然，变频驱动电动机负载接入直流供电系统时，少了大量的AC-DC 整流环节，因此直流系统电能传变损耗小于交流，直流供电更适应煤矿大量变频驱动电动机负载的接入。
对于实施例中某煤矿的交流线路及直流线路的损耗率可通过式(6)和式(7)分别计算，其中ΔPL.AC，ΔPL.DC分别为交流和直流电缆线路的损耗率； PAC.loss、PDC.loss分别为交、直流电缆线路的有功功率损耗；Po、P′o分别为交、直流电缆线路末端输出有功功率；J为电流密度(A/mm)，其值取1；K为交流电缆除电阻损耗外的额外损耗系数，其值取1；L为电缆长度，单位km； UAC、UDC分别为交流线路线电压有效值及直流极间电压(kV)。
结合实施例中的相关数据，利用式(6)和式(7)计算所得结果分别为12.34％和4.2％。
结合表3中计算数据以及由式(6)和式(7)计算结果，可得实施例中某大型煤矿交供电系统及直流供电系统的总传输损耗率ε如表4所示。
表4 煤矿交、直流系统总传输损耗率
| 供电方式 | 传变损耗率 | 线路损耗率 | 总损耗率ε |
| 交流 | 11.5％ | 12.34％ | 23.84％ |
| 直流 | 8.7％ | 4.2％ | 12.9％ |
由于系统运行维护费用构成较为复杂，计算困难，本实用新型仅从设备投资成本(未考虑井下设备防爆附加费用)与传输损耗率两方面，对煤矿交、直流供电系统的总投资费用进行计算，其计算公式如式(8)所示。
C＝F+εnPavSh (8)
其中：F为设备投资成本(万元)；ε为传输总损耗率；n为运行年数； Pav为年平均负荷功率(kW)，即38356kW；S为电价，取0.65元/kWh；h为一年小时数，该煤矿工作天数为330天，故年小时数为7920h，其结果如表 5所示。
表5 煤矿交、直流供电系统总投资费用
| 供电方式 | 设备投资成本F(万元) | 总损耗率ε | 总费用C(万元) |
| 交流 | 8260万 | 23.84％ | 8260+4707n |
| 直流 | 17334万 | 12.9％ | 17334+2547n |
根据表5中的总费用C的表达式，则可绘制出图7所示的实施例某大型煤矿交流供电系统和直流供电系统总费用曲线。
由上述计算及曲线可以看出：
(1)直流供电设备造价相对较高，前4年的总资费用大于交流系统；
(2)由于年运行费用省，第五年后直流总费用均低于交流系统；
(3)而大型煤矿的开采年限一般为50年，故直流供电在经济性可行；
(4)随着直流设备造价的下降，直流供电具有绝对的优势。
因此，本实用新型提出的一种大型煤矿直流供电拓扑结构在经济性上可行。
综上所述，以上仅为证明本实用新型经济可行的实施例而已，并非用于限定本实用新型的保护范围。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种大型煤矿直流供电拓扑结构，其特征在于：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，其中，地面换流站、地面直流供电系统和井下直流供电系统的连接关系和结构组成具体如下：
1)地面换流站为一种大型煤矿直流供电拓扑结构的总直流电源，包括：交流进线1和交流进线2、换流变压器T1和换流变压器T2、模块化多电平换流器MMC-1和MMC-2、DC12kV高压直流母线WI和WII以及地面直流供电电源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S5-1、S5-2、S5-3、S5-4和井下直流供电电源S6-1、S6-2、S6-3、S6-4；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，并以双极供电方式接于DC12kV高压直流母线WI和WII，分别接于高压直流母线WI和WII的地面直流供电电源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S5-1、S5-2、S5-3、S5-4和井下直流供电电源S6-1、S6-2、S6-3、S6-4则从高压直流母线WI和WII上取电，其中：地面直流供电电源S1、地面直流供电电源S2作为地面直流供电系统中的第I类直流变电站的电源进线，地面直流供电电源S3、地面直流供电电源S4作为地面直流供电系统中的第II类直流变电站的电源进线，井下直流供电电源S5-1与S6-1分别为井下直流供电系统中井下主直流变电站的电源进线，井下直流供电电源S5-2与S6-2分别为井下供电系统中大巷带式输送机机头直流变电站电源进线，井下直流供电电源S5-3与S6-3分别为井下直流供电系统中盘区直流变电站的电源进线，井下直流供电电源S5-4与S6-4分别为井下直流供电系统中盘区水泵房直流变电站的电源进线；
地面换流站中的模块化多电平换流器MMC-1和MMC-2，其桥臂串联子模块为半桥子模块HBSM拓扑结构，其接地方式为MMC直流侧经钳位电阻R接地的接地方式；
2)地面直流供电系统包含第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，分别引自地面换流站高压直流母线WI和WII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；
3)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S5-1和S6-1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T1-2分别为主排水泵1、主排水泵2以及DC750V直流母线W1-C和W1-D提供电源，其中W1-A与W1-B通过分段直流断路器QFD1-1连接、W1-C与W1-D由分段直流断路器和QFD1-2连接；
大巷带式输送机机头直流变电站的两路直流电源S5-2和S6-2接于DC12kV高压直流母线W2-A和W2-B，经DC-AC变频5、DC-AC变频6、DC-AC变频7以及DC12kV/DC750V直流变压器T2-1和T2-2分别为大巷带式输送机主电机1和主电机2、配舱刮板机以及DC750kV直流母线W2-C、W2-D供电，其中W2-A与W2-B由分段断路器QFD2-1连接、W2-C与W2-D由分段直流断路器QFD2-2连接；
盘区直流变电站的两路直流进线S5-3和S6-3分别接于DC12kV高压直流母线W3-A和W3-B，为综掘工作面局部通风、综采工作面局部通风、综掘工作面直流变配电点、综采工作面直流变配电点提供DC12kV高压直流电源，同时经直流变压器T3-1和T3-2降压至750kV，为直流母线W3-C和W3-D提供电源，其中W3-A与W3-B由分段断路器QFD3-1连接、W3-C与W3-D由分段直流断路器QFD3-2连接；综掘工作面直流变配电点的电源引自DC12kV高压直流W3-A，经DC12kV/DC1.5kV直流变压器T3-3和DC12kV/DC750V直流变压器T3-4分别为综掘工作面DC1.5kV直流配电点W3-E、DC750V直流配电点W3-F提供电能；综采工作面直流变配电点的电源引自DC12kV高压直流母线W3-B，经DC12kV/DC4.5kV直流变压器T3-5、DC12kV/DC1.5kV直流变压器T3-6和DC12kV/DC750V直流变压器T3-7分别为综采工作面DC4.5kV直流配电点W3-G、DC1.5kV直流配电点W3-H、DC750V直流配电点W3-I提供电能；
盘区水泵房直流变电站的两路直流电源S5-4和S6-4接入DC12kV高压直流母线W4-A和W4-B，分别为盘区局部通风1、盘区局部通风2、经DC-AC变频8及DC-AC变频9驱动的盘区排水泵1和盘区排水泵2提供电源，同时DC12kV直流电经直流变压器T4-1和T4-2降压至DC750V，为直流母线W4-C和W4-D供电，其中W4-A与W4-B由分段直流断路器QFD4-1连接、W4-C与W4-D由分段直流断路器QFD4-2连接。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20180123 Termination date: 20181022 |