摘要

持續的城市增長正在推動對地鐵軌道系統的需求增加。為滿足這一需求，鐵路部門每班增加車輛數量，每小時列車次數和每天的營業時間。這些變化導致更高的電能消耗和更高的運行能量成本。鐵路部門正在越來越多地調查如何通過現有基礎設施提高能源效率和降低運營能源成本。現代地鐵列車具有再生制動，有助于降低電能消耗。電能消耗的減少取決于制動系附近的軌道部分使用或存儲再生制動能量的瞬時能力。本文介紹了軌道路邊儲能系統，提出了路邊儲能系統的規格，并調查了最適用于尋求低重置成本和高投資回報的項目的地鐵軌道能量儲存技術，同時滿足大功率密度要求和改善能源效率。本文介紹了三大領先的儲能選項：飛輪，超級電容器和電池。它比較了使用壽命，循環性，成本，能源特性，易于安裝和環境影響，如溫度。它描述了用于高功率密度儲能應用的飛輪和超級電容器儲能系統，并比較了壽命，成本和投資回報。對于高功率，高周期環境，如地鐵客運站，本文顯示，飛輪路邊儲能系統擁有較低的擁有成本和最快的投資回報。

1、再生制動技術介紹

1.1再生制動

在美國和世界各地，新的電力推進直流牽引電力地鐵列車和輕軌車輛采用交流推進，帶有感應牽引電機和可變電壓，變頻驅動。這些交流推進火車在老火車上的一個好處是它們的再生制動能力。當這些列車中的一個制動時，其牽引電動機用作發電機，提供能夠反饋到第三軌道或架空接觸系統的電力。來自制動列車（“Regen Train”）的再生電力可以為其他列車（“加載列車”）供電。

傳統上，為了再生制動工作，一個或多個負載列車必須在Regen Train制動器同時加速，負載列車必須在物理上靠近Regen Train。圖1顯示了這個“關閉足夠”的場景，其中Regen火車正在制動，同時負載列車正在加速。如果沒有負載列車對Regen火車“關閉”，再生列車的再生能量通過通常安裝在每列火車上的制動電阻器作為熱量消散。

圖1：“關閉足夠”的情景：在Regen Train制動和負載列車正在加速的同時發生再生制動。[1]

這些再生事件通常發生在列車在同一地區制動和加速的客運站。 即使在客運站，“關閉足夠”的再生事件取決于交通狀況。 每個乘客站每年損失千瓦時。 這種損失再生制動能量是鐵路當局有機會大幅降低運營成本，提高能源利用效率。

1.2路邊儲能系統

Wayside儲能系統（WESS）通過捕獲和存儲來自Regen Train的制動能量，節省了再生制動能量。 WESS然后將捕獲的能量傳遞到負載列車，而負載列車在時間或位置靠近Regen火車，并且沒有負載列車具有匹配的加速和制動配置文件。

圖2：鐵路元件WESS

WESS由3個元素組成，如圖2所示：

?存儲元件 - 用于存儲再生能量的機構，最常見的電池，飛輪或電容器

?電源轉換 - 通常是具有開關柜的雙向DC-DC或DC-AC電力電子轉換器 - 功率轉換組件和開關柜在WESS應用中是常見的。

?測量和控制 - 硬件和軟件通常與電源轉換柜集成，對WESS維護和功能的保證至關重要

圖3示出了在乘客站附近的牽引變電站（TPSS）處的WESS的框圖。 WESS與TPSS中的第三根軌道總線并聯連接到兩個牽引電力整流器。當一列火車停在客運站時，再生能量通過第三條鐵路從Regen火車發往WESS。 WESS充電并儲存再生能量。當負載列車從車站加速時，WESS放電，像牽引電力整流器一樣，通過第三條鐵路將能量發送到加速列車。

圖3:在牽引變電站（TPSS）安裝WESS

1.3 WESS的應用和優點

電氣與電子工程師協會（IEEE）車輛技術學會鐵路運輸標準委員會正在制定“直流牽引應用的路邊能量指南”[2]。“IEEE指南”是三年以上工作的產物來自20個運輸運營商和鐵路工程設備公司的31名參賽者。 IEEE草案指南識別WESS應用程序。

WESS可以專注于幾個應用程序，并具有次要好處。

能源回收。 WESS可以減少牽引電力系統的能量消耗，并減少通過制動電阻器消耗的能量。它也允許同一列車成為Regen火車和負載火車。

電壓調節。 WESS可以穩定牽引電力系統的電壓。當由于加速列車引起的第三軌上存在電壓驟降時，WESS會放電并提升牽引電壓。當第三個導軌上有一個電壓峰值時，由減速列車引起，WESS充電并降低牽引電壓。 這樣可以將牽引電力系統的電壓保持在正常工作范圍內，防止電壓驟降引起的過電壓或延遲造成設備損壞。 WESS可以替代TPSS和與TPSS相關的公用事業連接成本。

緊急備份WESS。 WESS可以在正常情況下以及在停電的情況下以滿負荷的形式存儲能量，或者如果公用事業不穩定，則WESS可以將列車運送到乘客可以安全地離開火車的下一個客運站。

調峰。 WESS可以減少火車加速引起的牽引電力系統電力需求的短期波動。當牽引電力系統的電力需求大時，通常在火車正在加速時，WESS會放電，降低峰值功率需求和電力需求成本。這樣可以使功率輸送設備的尺寸最小化。

負載移位。在非常高的時間，電費便宜的WESS收費。當電力昂貴時，在高峰時段，WESS會釋放能量。這節省了能源成本，有助于公用事業管理鴨曲線。

頻率調節。 WESS作為按需實用程序負載。當發送頻率增加時，WESS充電作為負載并恢復發送頻率。當傳輸頻率增加時，WESS向牽引電力系統提供能量，從而降低公用事業負荷。一些公用設施支付頻率調節，頻率調節可以為運輸經營者創造收入。

2、鐵路部門對WESS的需求

WESS的優點取決于其與軌道系統應用的需求的匹配。

本節討論影響WESS設計規范的軌道系統要求。

2.1進場時間和運行時間

WESS運行狀況在整個一天和整個季節不斷變化。高峰時段的高速公路可達2分鐘，非高峰時段可達20分鐘或更長時間。火車加速15 - 60秒，并可能在短短15秒內剎車。典型的高峰時段為3分鐘，半高峰和非高峰時段為5至8分鐘，平均距離約5分鐘。鐵路局正在減少進入現有鐵路基礎設施的更多乘客，更多的鐵路部門正在朝著2.5分鐘的時間邁進。隨著車道的減速，起停數量在給定的時間內增加。另外，一個典型的地鐵每天運行20小時，但許多大型地鐵正在進行24小時運營。增加的操作時間導致WESS使用量增加。成功的WESS必須以高占空比循環和大量循環運行。

圖4顯示了每年WESS周期與前進時間的關系。圖4還顯示了預期的WESS壽命與前進時間的關系。 WESS生命是基于能量儲存行業的目標，即循環存儲元件的可用周期為1,000,000次。

圖4:每年的循環周期和WESS壽命vs .間隔時間。

WESS大小必須考慮進度，系統的預期壽命和投資回報率（ROI）。 尺寸過小的WESS將會表現不佳，使用壽命縮短。 超大型WESS將具有更長的投資回報率。

2.2電壓，功率和能量容量

WESS的目標是以成本效益的方式捕獲并將捕獲的能量提供給火車。 WESS功率和能量大小是優化性能和ROI的關鍵考慮因素。 圖5顯示了來自龐巴迪[3]的WESS安裝的典型地鐵列車的能量曲線。 0至30秒，火車正在加速，WESS正在放電。 在30到50秒火車正在保持其速度。 在50至70秒，火車重新制動，WESS正在充電。

圖5：使用WESS的地鐵列車的能量曲線

列車制動事件通常很短，在這個例子中為20秒。 WESS可以捕獲的大多數制動能量在制動事件的前15到18秒內可用。 在這個例子中，紅色框顯示了理想的WESS尺寸，在15到18秒鐘內顯示了500 kW。紅色虛線顯示了第三個軌道電壓，當列車加速和減速時電壓變化了多少。 典型的750 V直流軌道總線可以從650 V擺動到900 V。WESS必須在完整的第三軌電壓范圍內安全工作。每個WESS安裝尺寸可能不同，應根據具體情況進行評估。

2.3控制，能源管理和診斷

直接從雷根火車轉運能量時，再生能源是最有效的

到負荷列車 WESS測量和控制系統必須從TPSS獲取數據，以促進并不阻止直接Regen火車加載火車能量轉移。 WESS控制應允許操作員調整和調整充放電閾值，以優化直接能量傳輸。WESS不能通過消耗TPSS整流器的電力來充電。 此外，WESS應盡快排放到負荷列車，以盡量減少泄漏損失。WESS應執行遠程診斷并采取遠程糾正措施。 此外，應該可以離線或在線切換WESS，而無需地鐵人員進行現場操作或中斷鐵路服務。WESS必須與火車控制和通信系統保持電磁兼容性（EMC）。

2.4位置，環境條件和輔助設備

WESS可以典型地安裝在現有的TPSS中，并與現有的牽引力設備集成，安裝在新的TPSS作為線路擴展的一部分，或者安裝在乘客站附近的新的或現有的結構中。現有的TPSS通常對新設備的空間有限，或者可能在地下。 WESS需要模塊化以適應現有空間，并留下維護空間。 WESS可能需要新的導管和電纜導管。

WESS設計必須考慮將要安裝的操作環境。 TPSS通常是多塵的。灰塵可能會滲透電氣設備，從而縮短其使用壽命。 TPSS通常不受溫度控制，溫度根據季節和位置而廣泛變化。 WESS應設計為EN 50155-2規定的溫度范圍之間的無限操作鐵路應用 - 設備的環境條件 - 第2部分：固定電氣安裝。溫度，必須考慮到壽命受溫度影響的WESS技術的控制。由于淹水或下雨，TPSS可能會遇到水入侵。

2.5 可靠性和維護

運輸經營者的主要任務是將人們列入火車。 WESS是幫助運輸經營者節省運營成本的工具，因此它們不直接與運輸運營商主要任務相結合。 WESS必須可靠，不會影響日常鐵路運營，鐵路可靠性或安全性。 運輸運營商如果延遲或中斷運輸操作，可能永久關閉WESS。

WESS必須是可靠的，需要很少的維護，因為它們是非任務關鍵型系統。 運輸運營商運營和維護（O＆M）的工作人員通常忙于維護服務關鍵的鐵路設備，這比WESS更為優先。運輸經營者可能會永久關閉WESS，如果它對運維維護成為滋擾，或維護成本超過利益。運輸經營者通常期望新設備（包括WESS）的最短設計壽命為20年。

2.6投資回報率（ROI）

運輸經營者要求使用經過驗證的產品和技術的WESS安裝5至8年的投資回報率。 大功率，高可再生能源WESS的回報主要來自減少總能耗并降低峰值功率需求。 每個公用事業都有不同的能源使用率和峰值功率需求。鐵路部門的能源使用量和峰值功率需求越多，WESS回報就越快。

3、能源儲存技術

所有WESS的功率轉換和控制部分及其相關成本大致相似。 WESS存儲技術通常決定了WESS的資本投入，維護成本，效率，壽命和重置成本。 用于各種應用和環境的常見儲能技術有：

- 電池（鋰離子，尼姆，鋰聚合物）

- 電容（超級）

- 飛輪

本節介紹這些儲能技術，并討論其應用和能力，以滿足第2節所述的軌道系統規格。

3.1電池

電池可以在緊湊的空間內容納大量的能量，但與其他技術相比，電池的充電和放電能量相對較慢。 圖6顯示了Ragone Plot，每單位重量（能量密度）的可儲存能量與每單位重量輸送能量的速率（功率密度）的曲線圖。 電池通常占據左上角，具有高能量密度和低功率密度。

圖6：Ragone圖：各種存儲技術的能量密度和功率密度之間的關系。 右上角顯示了能量存儲設備的最大能量曲線，考慮到能量泄漏和內部損耗。 最大能量隨著功率的降低而降低[4]。

能量密度與功率密度的比率對應于充電或放電存儲技術所需的時間。 對角線是充電和放電時間。 同一線上的存儲技術具有充放電時間。 例如，電池充電和放電時間大多在100秒線上。

對于軌道應用，鋰離子電池是最接近應用的化學物質。 然而，即使是現有技術的鈦酸鋰（LTO）電池，如在2.2節中討論的軌道要求所確定的，在2分鐘的占空比下，不能重復地重復15至18秒的充電或放電持續時間， 而不會因應用的功率和電流等級而大幅度增加。

電池更適合于不需要高功率密度和高周期運行的負載變換和緊急備份。 因此，本文不考慮電池的WESS尺寸分析。

3.2超級電容器

電解雙層電容器（EDLCS）或超級電容器可以在10秒內進行重復的充放電循環。 因此，超級電容器更適合于WESS在2分鐘占空比下重復充電或放電持續時間為15至18秒的要求。

像所有典型的電容器一樣，超級電容器受限于放電水平以保持使用壽命，并且具有可以限制其功率傳輸的內部電阻。 如果電容下降到初始值的80％，或者如果內部電阻（或等效串聯電阻（ESR））從初始值增加一倍，則認為典型的電容器已經達到壽命終止。 制造商關于電容器壽命的數據如圖7和圖8所示[5,6]。

圖7：超級電容的電容壽命

圖8：超級電容的ESR壽命

3.3飛輪

飛輪WESS將能量存儲在旋轉質量的旋轉能量中。 具有完全密封的真空殼體和懸掛在磁性軸承上的轉子的飛輪將摩擦損失降低到較低水平。 這種飛輪已經運行了二十多年，可以被認為是高占空比儲存的成熟技術。 作為機械系統，飛輪被很好地研究和分析了機械，性能和壽命特性。

飛輪可以以非常高的速率加速和減速，因此可以在幾秒鐘內對能量進行充放電。 典型的飛輪可以工作一百萬次的深度放電循環，而不會對存儲元件的性能或壽命產生任何影響。 與超級封裝相比，它們具有較高的能量密度（見圖5）。 低損耗，高功率密度和高可靠性使其成為高要求的占空比應用的理想選擇。飛輪系統可以在廣泛的環境中運行。

4、電容VS 飛輪

由于WESS中存儲元件的性質，組成和特性不同，不可能直接比較不同的技術。 例如，制造商要求的電容器壽命在25oC和2.7V時可能為10年，因為各種原因，獨立實驗室測試通常不能達到該值 - 降解特性，溫度。 表1顯示了來自各實驗室的Maxwell Boostcap終生預期的差異。

表1：不同測試下Maxwell Boostcap的壽命估計[7]

為了比較WESS存儲技術，WESS的大小根據相同的要求和規格而定。 這允許WESS存儲技術在相同的設計和操作條件下并排進行比較。

表2列出了基于第2節討論的要求的WESS的規范。

表2：鐵路WESS的要求規格

4.1、基于超級電容器的WESS指標

表3顯示了滿足表2中規格的超級電容WESS的尺寸計算。計算的超級電容壽命為2.84年或更換前的235,789次循環。

表3：系統壽命計算 - 電容器

超大尺寸計算使用制造商的數據表，成熟的行業測試和已發表文獻的生活規范。 圖7和圖8顯示，超級電容器的基體壽命在25℃時為88,000小時或1,000,000次循環。基礎壽命隨著溫度和ESR的增加而降低。 電容的減小成為第一個限制因素，因為ESR需要更長時間才能達到100％的增加值。

表4顯示了超級制造商發布的系統數據表[7]。 表4驗證了表3中計算出的超級電容系統尺寸。表4中安裝的額定容量為0.5 * 94 * 750 * 750 = 7.3kWh。 這大約是所需2.5 kWh尺寸可用能源應用的三倍。 一個7.3 kWh WESS可以最大限度地利用其34％的容量。

表4：制造商的數據表詳細信息[8]

4.2基于飛輪的WESS指標

表5顯示了符合表2中規格的飛輪WESS的尺寸計算。計算出的飛輪壽命在重新認證之前為4.49年。

飛輪尺寸基于已發表的文獻，為0.5 kWh的飛輪[9]。 該計算適用于外推和降額的行業標準。

5、商業評估：電容器VS. 飛輪

表6比較了使用第4節的壽命系統尺寸值的0.5兆瓦，2.5千瓦時的飛輪WESS和0.5兆瓦，2.5千瓦時超大型WESS的基本所有權成本。

2種 WESS具有類似的初始存儲元件成本。超過10年的飛輪WESS重新認證成本為111,359美元，而超級電容WESS重置成本為84.5萬美元。 在同等尺寸的飛輪和Supercap WESS的10年壽命期間，飛輪WESS將比Supercap WESS的成本大約減少757,000美元。成本分析突出說明優點和缺點，適用于選擇高功率，高周期性WESS的存儲技術。

參考文獻

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[2] “Draft Guide for Wayside Energy Storage for DC Traction Applications,” Wayside Energy Storage Systems Working Group, Rail Transportation Standards Committee of the IEEE Vehicular Technology Society

[3] T. Hollet, S. Fowda, “Wayside Energy Storage System Modeling,” Bombardier Publications

[4] T. Christen, M. Carlen, “Theory of Ragone Plots,” Journal of Power Sources, 2000, 91 pp. 211

[5] Product Guide – Maxwell Technologies BOOSTCAP Ultracapacitor modules –Doc # 1014627.1

[6] Product Guide – Maxwell Technologies BOOSTCAP Ultracapacitor modules –Doc # 1009363.7

[7] T. Kovalchuk et al., Enhanced Aging Model for Supercapacitors taking into account Power Cycling: IEEE transactions on Industry Applications, 2015, 51 (3) pp. 2405-2414

[8] SITRAS ESM Energy Storage Module for DC Traction Supply – Siemens datasheet. Siemens.com/mobility.

[9] Vycon Energy, Flywheel Energy Storage System Regen 125S datasheet V 1.1.0

II. SUPPLEMENTARY SOURCES

MacCurdy, Dwight, Sacramento Municipal Utility District, Sitras? Static Energy Storage (SES) System Demonstration Program, California Energy Commission, Publication number: CEC-500-2012-068

Advanced Wayside Energy Storage Systems for Rail Transit – Final Report for Transit IDEA Project 66 – Navigant Consulting Inc. Burlington, MA, April 2013

Stryzhakova N., Maletin Y., Zelinskyi, S, - Testing Methodology Manual for Supercapacitors – FP7-IAPP Energy Caps – Grant No. 286210 – Mar 2012

Impact of Calendar Life and Cycling Ageing on Supercapacitor Performance – IEEE

Transactions on Vehicular Technology – Nov 2009.

www.researchgate.net/publication/22456823

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