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洛杉磯地鐵在紅線（Red Line）西湖/麥克阿瑟公園站的牽引變電站（TPSS）實施了一個基于飛輪物理儲能技術(shù)的Wayside Energy Storage Substation儲能變電站（WESS）項目，聯(lián)邦運(yùn)輸管理局（FTA）根據(jù)2009年“美國復(fù)蘇與再投資法”（ARRA）為該項目提供資金，由LAMETRO和VYCONInc.簽約并合作開展。自2014年8月安裝完成后，WESS一直處于穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)，每天能節(jié)省10%至18%的牽引電力能源。
一、摘要
洛杉磯大都會交通運(yùn)輸局（LAMETRO）成立于1993年，負(fù)責(zé)維護(hù)及營運(yùn)洛杉磯地區(qū)的軌道交通路線，洛杉磯地鐵擁有包括紅線、紫線、藍(lán)線、綠線、金線、橙線、銀線及博覽線共計8條不同的運(yùn)行線路。在未來的20年，洛杉磯地鐵面臨著增加地鐵系統(tǒng)容量以及尋找減少污染的替代能源解決方案的任務(wù)，為了減少能源消耗及溫室氣體排放，洛杉磯地鐵在紅線（Red Line）西湖/麥克阿瑟公園站的牽引變電站（TPSS）實施了一個基于飛輪物理儲能技術(shù)的WaysideEnergyStorageSubstation儲能變電站（WESS）項目，聯(lián)邦運(yùn)輸管理局（FTA）根據(jù)2009年“美國復(fù)蘇與再投資法”（ARRA）為該項目提供資金，由LAMETRO和VYCONInc.簽約并合作開展。自2014年8月安裝完成后，WESS一直處于穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)，每天能節(jié)省10%至18%的牽引電力能源。
二、WESS系統(tǒng)的選擇
洛杉磯地鐵在節(jié)能設(shè)備選擇時曾論證了飛輪、電池及超級電容方案的可行性。電池具有更高的能量密度和快速放電速率，但是具有較慢的充電速率和有限的循環(huán)壽命，慢速充電會降低捕獲再生能量的效率，并需要定期檢查泄露、裂縫、腐蝕及容量，隨著使用年限和充放電循環(huán)次數(shù)的增加，電池性能會下降。超級電容具有更快的充電和放電速率，但容量和使用壽命有限，當(dāng)超級電容發(fā)生故障時，它們會釋放有毒氣體，這對于地鐵列車的員工和乘客是比較危險的，因此使用超級電容必須采取安全預(yù)防措施。飛輪具有優(yōu)越的循環(huán)使用壽命，快速的充放電速率，性能不會隨著使用年限和充放電次數(shù)增加而下降，與電池和超級電容相比，飛輪僅需要較少的維護(hù)，因為使用的磁懸浮軸承而不是機(jī)械軸承，占地面積更小，超過20年使用壽命，無需溫度調(diào)節(jié)，無化學(xué)泄露，更適合在地鐵中應(yīng)用。
三、WESS項目概況
紅線（metro red line）是洛杉磯最早的正式地鐵，開通了聯(lián)合車站到好萊塢方向，每列列車由六輛動車組成，時速高達(dá)每小時65英里。最初WESS部署了2MW的系統(tǒng)，具有15秒的充電/放電時間及8.33kwh的容量，每個飛輪以120秒重復(fù)和連續(xù)地進(jìn)行完整的充電和放電循環(huán)。WESS由四個飛輪模塊（FWM）組成，每個飛輪模塊功率為500KW，2.08kwh的容量，每個飛輪模塊由4個獨立的飛輪單元（FWU）組成，每個FWU有125KW，15S的容量，這16個FWU通過并聯(lián)的方式連接，要求同時充電和放電。
西湖/麥克阿瑟公園站的牽引變電站直流母線由兩個斷路器（CB）D01和D06供電，由兩個整流器R01和R02組成，直流母線連接四個饋線直流斷路器D02-D05，分別為東行（AL）和西行（AR）軌道列車供電。如圖1所示：
圖1 VYCONREGEN接線圖
WESS安裝在牽引變電站中，通過一個獨立的斷路器D07連接至DC總線上，斷路器提供就地和遠(yuǎn)程控制以及過流和故障保護(hù)，WESS通過由線路電感組成的EMI濾波器和每個FWU中的電容確保電路具有足夠的電磁*保護(hù)。FWM由WESS實時控制器（RTC）控制，RTC由工業(yè)處理器，模擬和數(shù)字輸入和輸出、網(wǎng)絡(luò)通信以及用戶界面的觸摸面板顯示器組成，RTC提供對WESS的控制、監(jiān)測及記錄。RTC監(jiān)測列車的制動和加速情況，然后命令FWM進(jìn)行充電和放電。WESS性能和狀態(tài)如圖2所示：
四、WESS節(jié)約能源
WESS不斷監(jiān)測西湖/麥克阿瑟公園站牽引變電站的電壓、饋線斷路器電流以及附近列車的位置，WESS利用電壓、電流和列車位置來控制其運(yùn)行、監(jiān)控能源節(jié)約和能源使用情況，并根據(jù)需要調(diào)整最佳的節(jié)能效果。
WESS每天節(jié)省1.3到1.7MWh，平均節(jié)省1.5MWh，節(jié)省的能量可按方程式計算：
節(jié)省能源%=節(jié)省能源/（節(jié)省能源+整流器提供的能量）
地鐵每天運(yùn)行20小時，高峰期行車間隔為5分鐘，平峰期行車間隔為10分鐘，低峰期運(yùn)行時間為10-20分鐘，周末行車間隔為5-20分鐘。工作日WESS每天平均節(jié)省1.6MWh電量，周末平均每天節(jié)約1.5MWh電量。
根據(jù)行車間隔總結(jié)WESS每周節(jié)省電量，如圖3所示：
根據(jù)列車時刻表總結(jié)WESS每天節(jié)省電量，如圖4所示：
5分鐘的行車間隔內(nèi)，WESS平均每天節(jié)省0.45MWh或10%的電量，5-10分鐘的行車間隔內(nèi)，WESS平均每天節(jié)省0.73MWh或11%的電量，10-20分鐘行車間隔內(nèi)，WESS平均每天節(jié)省0.27MWh或14%的電量。通過以上數(shù)據(jù)可以分析得出，列車之間的再生制動能量吸收再利用影響了WESS捕獲制動能量的能力，列車之間的再生制動程度取決于列車進(jìn)出站的同步順序。比如，在一個特定的車站內(nèi)，一列列車減速進(jìn)站，同時一列列車加速出站，這個同步順序最大限度的增加接車之間的再生制動能力，相反，當(dāng)兩列列車幾乎同時進(jìn)站并同時駛出車站，這種條件減少了列車間的自然再生，最大限度的提高了WESS捕獲制動能量的能力。
在地鐵車站中，列車的時序的變化的，有時穩(wěn)定同步，有時穩(wěn)定異步，有時會變化。WESS會通過分析計算處理所有這些情況，在自然再生與能量捕獲之間合理調(diào)整，達(dá)到節(jié)能效果的最大化。
五、按用電計費區(qū)段分析節(jié)約能源
美國電力公用事業(yè)日計費區(qū)段分為高峰、低峰和基峰，能源和電力成本分別為高、中、低三個階段。洛杉磯地鐵列車調(diào)度間隔時間區(qū)段和電力公用事業(yè)日計費區(qū)段并不一致，例如，當(dāng)電力成本最高時，跨越了洛杉磯地鐵5至10分鐘的行車間隔和5分鐘的行車間隔。圖5顯示了每個計費區(qū)段節(jié)省的能源使用量，WESS在基礎(chǔ)部分節(jié)能最多，為0.7WMh或12%，基礎(chǔ)部分占據(jù)了大部分時間，并為大多數(shù)列車提供電力。
圖6顯示了WESS節(jié)能效果的每日變化，按電力公用事業(yè)日計費區(qū)段劃分，基峰區(qū)段日常波動最高，因為基段包括早晨5分鐘的峰值間隔，在這段時間里，能源節(jié)約的變化更大。
六、降低峰值功率需求
對于地鐵的供電能力要求，電力需求是15分鐘間隔內(nèi)的平均功率，峰值功率需求是在任何15分鐘間隔內(nèi)最高的平均功率使用。WESS節(jié)能了能源的使用，也意味著降低了平均功率和峰值功率需求。圖7比較了安裝WESS前后的峰值功率需求，WESS將電力需求降低了約350KW。
從以上的分析可以看出，WESS節(jié)約成本是以千瓦時為單位的能源使用量和以千瓦為單位的峰值功率需求。洛杉磯地鐵對這個高科技項目所實現(xiàn)的運(yùn)營業(yè)績和節(jié)能效果感到非常滿意，這將有助于創(chuàng)造更環(huán)保的環(huán)境，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)，同時減少公用事業(yè)費用。
一、摘要
洛杉磯大都會交通運(yùn)輸局（LAMETRO）成立于1993年，負(fù)責(zé)維護(hù)及營運(yùn)洛杉磯地區(qū)的軌道交通路線，洛杉磯地鐵擁有包括紅線、紫線、藍(lán)線、綠線、金線、橙線、銀線及博覽線共計8條不同的運(yùn)行線路。在未來的20年，洛杉磯地鐵面臨著增加地鐵系統(tǒng)容量以及尋找減少污染的替代能源解決方案的任務(wù)，為了減少能源消耗及溫室氣體排放，洛杉磯地鐵在紅線（Red Line）西湖/麥克阿瑟公園站的牽引變電站（TPSS）實施了一個基于飛輪物理儲能技術(shù)的WaysideEnergyStorageSubstation儲能變電站（WESS）項目，聯(lián)邦運(yùn)輸管理局（FTA）根據(jù)2009年“美國復(fù)蘇與再投資法”（ARRA）為該項目提供資金，由LAMETRO和VYCONInc.簽約并合作開展。自2014年8月安裝完成后，WESS一直處于穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)，每天能節(jié)省10%至18%的牽引電力能源。
二、WESS系統(tǒng)的選擇
洛杉磯地鐵在節(jié)能設(shè)備選擇時曾論證了飛輪、電池及超級電容方案的可行性。電池具有更高的能量密度和快速放電速率，但是具有較慢的充電速率和有限的循環(huán)壽命，慢速充電會降低捕獲再生能量的效率，并需要定期檢查泄露、裂縫、腐蝕及容量，隨著使用年限和充放電循環(huán)次數(shù)的增加，電池性能會下降。超級電容具有更快的充電和放電速率，但容量和使用壽命有限，當(dāng)超級電容發(fā)生故障時，它們會釋放有毒氣體，這對于地鐵列車的員工和乘客是比較危險的，因此使用超級電容必須采取安全預(yù)防措施。飛輪具有優(yōu)越的循環(huán)使用壽命，快速的充放電速率，性能不會隨著使用年限和充放電次數(shù)增加而下降，與電池和超級電容相比，飛輪僅需要較少的維護(hù)，因為使用的磁懸浮軸承而不是機(jī)械軸承，占地面積更小，超過20年使用壽命，無需溫度調(diào)節(jié)，無化學(xué)泄露，更適合在地鐵中應(yīng)用。
三、WESS項目概況
紅線（metro red line）是洛杉磯最早的正式地鐵，開通了聯(lián)合車站到好萊塢方向，每列列車由六輛動車組成，時速高達(dá)每小時65英里。最初WESS部署了2MW的系統(tǒng)，具有15秒的充電/放電時間及8.33kwh的容量，每個飛輪以120秒重復(fù)和連續(xù)地進(jìn)行完整的充電和放電循環(huán)。WESS由四個飛輪模塊（FWM）組成，每個飛輪模塊功率為500KW，2.08kwh的容量，每個飛輪模塊由4個獨立的飛輪單元（FWU）組成，每個FWU有125KW，15S的容量，這16個FWU通過并聯(lián)的方式連接，要求同時充電和放電。
西湖/麥克阿瑟公園站的牽引變電站直流母線由兩個斷路器（CB）D01和D06供電，由兩個整流器R01和R02組成，直流母線連接四個饋線直流斷路器D02-D05，分別為東行（AL）和西行（AR）軌道列車供電。如圖1所示：
圖1 VYCONREGEN接線圖
WESS安裝在牽引變電站中，通過一個獨立的斷路器D07連接至DC總線上，斷路器提供就地和遠(yuǎn)程控制以及過流和故障保護(hù)，WESS通過由線路電感組成的EMI濾波器和每個FWU中的電容確保電路具有足夠的電磁*保護(hù)。FWM由WESS實時控制器（RTC）控制，RTC由工業(yè)處理器，模擬和數(shù)字輸入和輸出、網(wǎng)絡(luò)通信以及用戶界面的觸摸面板顯示器組成，RTC提供對WESS的控制、監(jiān)測及記錄。RTC監(jiān)測列車的制動和加速情況，然后命令FWM進(jìn)行充電和放電。WESS性能和狀態(tài)如圖2所示：
四、WESS節(jié)約能源
WESS不斷監(jiān)測西湖/麥克阿瑟公園站牽引變電站的電壓、饋線斷路器電流以及附近列車的位置，WESS利用電壓、電流和列車位置來控制其運(yùn)行、監(jiān)控能源節(jié)約和能源使用情況，并根據(jù)需要調(diào)整最佳的節(jié)能效果。
WESS每天節(jié)省1.3到1.7MWh，平均節(jié)省1.5MWh，節(jié)省的能量可按方程式計算：
節(jié)省能源%=節(jié)省能源/（節(jié)省能源+整流器提供的能量）
地鐵每天運(yùn)行20小時，高峰期行車間隔為5分鐘，平峰期行車間隔為10分鐘，低峰期運(yùn)行時間為10-20分鐘，周末行車間隔為5-20分鐘。工作日WESS每天平均節(jié)省1.6MWh電量，周末平均每天節(jié)約1.5MWh電量。
根據(jù)行車間隔總結(jié)WESS每周節(jié)省電量，如圖3所示：
根據(jù)列車時刻表總結(jié)WESS每天節(jié)省電量，如圖4所示：
5分鐘的行車間隔內(nèi)，WESS平均每天節(jié)省0.45MWh或10%的電量，5-10分鐘的行車間隔內(nèi)，WESS平均每天節(jié)省0.73MWh或11%的電量，10-20分鐘行車間隔內(nèi)，WESS平均每天節(jié)省0.27MWh或14%的電量。通過以上數(shù)據(jù)可以分析得出，列車之間的再生制動能量吸收再利用影響了WESS捕獲制動能量的能力，列車之間的再生制動程度取決于列車進(jìn)出站的同步順序。比如，在一個特定的車站內(nèi)，一列列車減速進(jìn)站，同時一列列車加速出站，這個同步順序最大限度的增加接車之間的再生制動能力，相反，當(dāng)兩列列車幾乎同時進(jìn)站并同時駛出車站，這種條件減少了列車間的自然再生，最大限度的提高了WESS捕獲制動能量的能力。
在地鐵車站中，列車的時序的變化的，有時穩(wěn)定同步，有時穩(wěn)定異步，有時會變化。WESS會通過分析計算處理所有這些情況，在自然再生與能量捕獲之間合理調(diào)整，達(dá)到節(jié)能效果的最大化。
五、按用電計費區(qū)段分析節(jié)約能源
美國電力公用事業(yè)日計費區(qū)段分為高峰、低峰和基峰，能源和電力成本分別為高、中、低三個階段。洛杉磯地鐵列車調(diào)度間隔時間區(qū)段和電力公用事業(yè)日計費區(qū)段并不一致，例如，當(dāng)電力成本最高時，跨越了洛杉磯地鐵5至10分鐘的行車間隔和5分鐘的行車間隔。圖5顯示了每個計費區(qū)段節(jié)省的能源使用量，WESS在基礎(chǔ)部分節(jié)能最多，為0.7WMh或12%，基礎(chǔ)部分占據(jù)了大部分時間，并為大多數(shù)列車提供電力。
圖6顯示了WESS節(jié)能效果的每日變化，按電力公用事業(yè)日計費區(qū)段劃分，基峰區(qū)段日常波動最高，因為基段包括早晨5分鐘的峰值間隔，在這段時間里，能源節(jié)約的變化更大。
六、降低峰值功率需求
對于地鐵的供電能力要求，電力需求是15分鐘間隔內(nèi)的平均功率，峰值功率需求是在任何15分鐘間隔內(nèi)最高的平均功率使用。WESS節(jié)能了能源的使用，也意味著降低了平均功率和峰值功率需求。圖7比較了安裝WESS前后的峰值功率需求，WESS將電力需求降低了約350KW。
從以上的分析可以看出，WESS節(jié)約成本是以千瓦時為單位的能源使用量和以千瓦為單位的峰值功率需求。洛杉磯地鐵對這個高科技項目所實現(xiàn)的運(yùn)營業(yè)績和節(jié)能效果感到非常滿意，這將有助于創(chuàng)造更環(huán)保的環(huán)境，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)，同時減少公用事業(yè)費用。
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