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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(shí)施了一個(gè)基于飛輪物理儲(chǔ)能技術(shù)的Wayside Energy Storage Substation儲(chǔ)能變電站（WESS）項(xiàng)目，聯(lián)邦運(yùn)輸管理局（FTA）根據(jù)2009年“美國(guó)復(fù)蘇與再投資法”（ARRA）為該項(xiàng)目提供資金，由LAMETRO和VYCONInc.簽約并合作開(kāi)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(huì)交通運(yùn)輸局（LAMETRO）成立于1993年，負(fù)責(zé)維護(hù)及營(yíng)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(jì)8條不同的運(yùn)行線路。在未來(lái)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(shí)施了一個(gè)基于飛輪物理儲(chǔ)能技術(shù)的WaysideEnergyStorageSubstation儲(chǔ)能變電站（WESS）項(xiàng)目，聯(lián)邦運(yùn)輸管理局（FTA）根據(jù)2009年“美國(guó)復(fù)蘇與再投資法”（ARRA）為該項(xiàng)目提供資金，由LAMETRO和VYCONInc.簽約并合作開(kāi)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(shí)曾論證了飛輪、電池及超級(jí)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(huì)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(huì)下降。超級(jí)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(jí)電容發(fā)生故障時(shí)，它們會(huì)釋放有毒氣體，這對(duì)于地鐵列車(chē)的員工和乘客是比較危險(xiǎn)的，因此使用超級(jí)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(huì)隨著使用年限和充放電次數(shù)增加而下降，與電池和超級(jí)電容相比，飛輪僅需要較少的維護(hù)，因?yàn)槭褂玫拇艖腋≥S承而不是機(jī)械軸承，占地面積更小，超過(guò)20年使用壽命，無(wú)需溫度調(diào)節(jié)，無(wú)化學(xué)泄露，更適合在地鐵中應(yīng)用。
三、WESS項(xiàng)目概況
紅線（metro red line）是洛杉磯最早的正式地鐵，開(kāi)通了聯(lián)合車(chē)站到好萊塢方向，每列列車(chē)由六輛動(dòng)車(chē)組成，時(shí)速高達(dá)每小時(shí)65英里。最初WESS部署了2MW的系統(tǒng)，具有15秒的充電/放電時(shí)間及8.33kwh的容量，每個(gè)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(gè)飛輪模塊（FWM）組成，每個(gè)飛輪模塊功率為500KW，2.08kwh的容量，每個(gè)飛輪模塊由4個(gè)獨(dú)立的飛輪單元（FWU）組成，每個(gè)FWU有125KW，15S的容量，這16個(gè)FWU通過(guò)并聯(lián)的方式連接，要求同時(shí)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(gè)斷路器（CB）D01和D06供電，由兩個(gè)整流器R01和R02組成，直流母線連接四個(gè)饋線直流斷路器D02-D05，分別為東行（AL）和西行（AR）軌道列車(chē)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(guò)一個(gè)獨(dú)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(guò)流和故障保護(hù)，WESS通過(guò)由線路電感組成的EMI濾波器和每個(gè)FWU中的電容確保電路具有足夠的電磁*保護(hù)。FWM由WESS實(shí)時(shí)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(duì)WESS的控制、監(jiān)測(cè)及記錄。RTC監(jiān)測(cè)列車(chē)的制動(dòng)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(cè)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(chē)的位置，WESS利用電壓、電流和列車(chē)位置來(lái)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(jì)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(shí)，高峰期行車(chē)間隔為5分鐘，平峰期行車(chē)間隔為10分鐘，低峰期運(yùn)行時(shí)間為10-20分鐘，周末行車(chē)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(chē)間隔總結(jié)WESS每周節(jié)省電量，如圖3所示：
根據(jù)列車(chē)時(shí)刻表總結(jié)WESS每天節(jié)省電量，如圖4所示：
5分鐘的行車(chē)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(chē)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(chē)間隔內(nèi)，WESS平均每天節(jié)省0.27MWh或14%的電量。通過(guò)以上數(shù)據(jù)可以分析得出，列車(chē)之間的再生制動(dòng)能量吸收再利用影響了WESS捕獲制動(dòng)能量的能力，列車(chē)之間的再生制動(dòng)程度取決于列車(chē)進(jìn)出站的同步順序。比如，在一個(gè)特定的車(chē)站內(nèi)，一列列車(chē)減速進(jìn)站，同時(shí)一列列車(chē)加速出站，這個(gè)同步順序最大限度的增加接車(chē)之間的再生制動(dòng)能力，相反，當(dāng)兩列列車(chē)幾乎同時(shí)進(jìn)站并同時(shí)駛出車(chē)站，這種條件減少了列車(chē)間的自然再生，最大限度的提高了WESS捕獲制動(dòng)能量的能力。
在地鐵車(chē)站中，列車(chē)的時(shí)序的變化的，有時(shí)穩(wěn)定同步，有時(shí)穩(wěn)定異步，有時(shí)會(huì)變化。WESS會(huì)通過(guò)分析計(jì)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(jì)費(fèi)區(qū)段分析節(jié)約能源
美國(guó)電力公用事業(yè)日計(jì)費(fèi)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(gè)階段。洛杉磯地鐵列車(chē)調(diào)度間隔時(shí)間區(qū)段和電力公用事業(yè)日計(jì)費(fèi)區(qū)段并不一致，例如，當(dāng)電力成本最高時(shí)，跨越了洛杉磯地鐵5至10分鐘的行車(chē)間隔和5分鐘的行車(chē)間隔。圖5顯示了每個(gè)計(jì)費(fèi)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(shí)間，并為大多數(shù)列車(chē)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(jì)費(fèi)區(qū)段劃分，基峰區(qū)段日常波動(dòng)最高，因?yàn)榛伟ㄔ绯?分鐘的峰值間隔，在這段時(shí)間里，能源節(jié)約的變化更大。
六、降低峰值功率需求
對(duì)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(shí)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(duì)這個(gè)高科技項(xiàng)目所實(shí)現(xiàn)的運(yùn)營(yíng)業(yè)績(jī)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(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)，同時(shí)減少公用事業(yè)費(fèi)用。
一、摘要
洛杉磯大都會(huì)交通運(yùn)輸局（LAMETRO）成立于1993年，負(fù)責(zé)維護(hù)及營(yíng)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(jì)8條不同的運(yùn)行線路。在未來(lái)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(shí)施了一個(gè)基于飛輪物理儲(chǔ)能技術(shù)的WaysideEnergyStorageSubstation儲(chǔ)能變電站（WESS）項(xiàng)目，聯(lián)邦運(yùn)輸管理局（FTA）根據(jù)2009年“美國(guó)復(fù)蘇與再投資法”（ARRA）為該項(xiàng)目提供資金，由LAMETRO和VYCONInc.簽約并合作開(kāi)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(shí)曾論證了飛輪、電池及超級(jí)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(huì)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(huì)下降。超級(jí)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(jí)電容發(fā)生故障時(shí)，它們會(huì)釋放有毒氣體，這對(duì)于地鐵列車(chē)的員工和乘客是比較危險(xiǎn)的，因此使用超級(jí)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(huì)隨著使用年限和充放電次數(shù)增加而下降，與電池和超級(jí)電容相比，飛輪僅需要較少的維護(hù)，因?yàn)槭褂玫拇艖腋≥S承而不是機(jī)械軸承，占地面積更小，超過(guò)20年使用壽命，無(wú)需溫度調(diào)節(jié)，無(wú)化學(xué)泄露，更適合在地鐵中應(yīng)用。
三、WESS項(xiàng)目概況
紅線（metro red line）是洛杉磯最早的正式地鐵，開(kāi)通了聯(lián)合車(chē)站到好萊塢方向，每列列車(chē)由六輛動(dòng)車(chē)組成，時(shí)速高達(dá)每小時(shí)65英里。最初WESS部署了2MW的系統(tǒng)，具有15秒的充電/放電時(shí)間及8.33kwh的容量，每個(gè)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(gè)飛輪模塊（FWM）組成，每個(gè)飛輪模塊功率為500KW，2.08kwh的容量，每個(gè)飛輪模塊由4個(gè)獨(dú)立的飛輪單元（FWU）組成，每個(gè)FWU有125KW，15S的容量，這16個(gè)FWU通過(guò)并聯(lián)的方式連接，要求同時(shí)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(gè)斷路器（CB）D01和D06供電，由兩個(gè)整流器R01和R02組成，直流母線連接四個(gè)饋線直流斷路器D02-D05，分別為東行（AL）和西行（AR）軌道列車(chē)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(guò)一個(gè)獨(dú)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(guò)流和故障保護(hù)，WESS通過(guò)由線路電感組成的EMI濾波器和每個(gè)FWU中的電容確保電路具有足夠的電磁*保護(hù)。FWM由WESS實(shí)時(shí)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(duì)WESS的控制、監(jiān)測(cè)及記錄。RTC監(jiān)測(cè)列車(chē)的制動(dòng)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(cè)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(chē)的位置，WESS利用電壓、電流和列車(chē)位置來(lái)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(jì)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(shí)，高峰期行車(chē)間隔為5分鐘，平峰期行車(chē)間隔為10分鐘，低峰期運(yùn)行時(shí)間為10-20分鐘，周末行車(chē)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(chē)間隔總結(jié)WESS每周節(jié)省電量，如圖3所示：
根據(jù)列車(chē)時(shí)刻表總結(jié)WESS每天節(jié)省電量，如圖4所示：
5分鐘的行車(chē)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(chē)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(chē)間隔內(nèi)，WESS平均每天節(jié)省0.27MWh或14%的電量。通過(guò)以上數(shù)據(jù)可以分析得出，列車(chē)之間的再生制動(dòng)能量吸收再利用影響了WESS捕獲制動(dòng)能量的能力，列車(chē)之間的再生制動(dòng)程度取決于列車(chē)進(jìn)出站的同步順序。比如，在一個(gè)特定的車(chē)站內(nèi)，一列列車(chē)減速進(jìn)站，同時(shí)一列列車(chē)加速出站，這個(gè)同步順序最大限度的增加接車(chē)之間的再生制動(dòng)能力，相反，當(dāng)兩列列車(chē)幾乎同時(shí)進(jìn)站并同時(shí)駛出車(chē)站，這種條件減少了列車(chē)間的自然再生，最大限度的提高了WESS捕獲制動(dòng)能量的能力。
在地鐵車(chē)站中，列車(chē)的時(shí)序的變化的，有時(shí)穩(wěn)定同步，有時(shí)穩(wěn)定異步，有時(shí)會(huì)變化。WESS會(huì)通過(guò)分析計(jì)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(jì)費(fèi)區(qū)段分析節(jié)約能源
美國(guó)電力公用事業(yè)日計(jì)費(fèi)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(gè)階段。洛杉磯地鐵列車(chē)調(diào)度間隔時(shí)間區(qū)段和電力公用事業(yè)日計(jì)費(fèi)區(qū)段并不一致，例如，當(dāng)電力成本最高時(shí)，跨越了洛杉磯地鐵5至10分鐘的行車(chē)間隔和5分鐘的行車(chē)間隔。圖5顯示了每個(gè)計(jì)費(fèi)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(shí)間，并為大多數(shù)列車(chē)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(jì)費(fèi)區(qū)段劃分，基峰區(qū)段日常波動(dòng)最高，因?yàn)榛伟ㄔ绯?分鐘的峰值間隔，在這段時(shí)間里，能源節(jié)約的變化更大。
六、降低峰值功率需求
對(duì)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(shí)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(duì)這個(gè)高科技項(xiàng)目所實(shí)現(xiàn)的運(yùn)營(yíng)業(yè)績(jī)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(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)，同時(shí)減少公用事業(yè)費(fèi)用。
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