摘要
持续的城市增长正在推动对地铁轨道系统的需求增加。为满足这一需求，铁路部门每班增加车辆数量，每小时列车次数和每天的营业时间。这些变化导致更高的电能消耗和更高的运行能量成本。铁路部门正在越来越多地调查如何通过现有基础设施提高能源效率和降低运营能源成本。现代地铁列车具有再生制动，有助于降低电能消耗。电能消耗的减少取决于制动系附近的轨道部分使用或存储再生制动能量的瞬时能力。本文介绍了轨道路边储能系统，提出了路边储能系统的规格，并调查了最适用于寻求低重置成本和高投资回报的项目的地铁轨道能量储存技术，同时满足大功率密度要求和改善能源效率。本文介绍了三大领先的储能选项：飞轮，超级电容器和电池。它比较了使用寿命，循环性，成本，能源特性，易于安装和环境影响，如温度。它描述了用于高功率密度储能应用的飞轮和超级电容器储能系统，并比较了寿命，成本和投资回报。对于高功率，高周期环境，如地铁客运站，本文显示，飞轮路边储能系统拥有较低的拥有成本和最快的投资回报。
1、再生制动技术介绍
1.1再生制动
在美国和世界各地，新的电力推进直流牵引电力地铁列车和轻轨车辆采用交流推进，带有感应牵引电机和可变电压，变频驱动。这些交流推进火车在老火车上的一个好处是它们的再生制动能力。当这些列车中的一个制动时，其牵引电动机用作发电机，提供能够反馈到第三轨道或架空接触系统的电力。来自制动列车（“Regen Train”）的再生电力可以为其他列车（“加载列车”）供电。
传统上，为了再生制动工作，一个或多个负载列车必须在Regen Train制动器同时加速，负载列车必须在物理上靠近Regen Train。图1显示了这个“关闭足够”的场景，其中Regen火车正在制动，同时负载列车正在加速。如果没有负载列车对Regen火车“关闭”，再生列车的再生能量通过通常安装在每列火车上的制动电阻器作为热量消散。
图1：“关闭足够”的情景：在Regen Train制动和负载列车正在加速的同时发生再生制动。[1]
这些再生事件通常发生在列车在同一地区制动和加速的客运站。 即使在客运站，“关闭足够”的再生事件取决于交通状况。 每个乘客站每年损失千瓦时。 这种损失再生制动能量是铁路当局有机会大幅降低运营成本，提高能源利用效率。
1.2路边储能系统
Wayside储能系统（WESS）通过捕获和存储来自Regen Train的制动能量，节省了再生制动能量。 WESS然后将捕获的能量传递到负载列车，而负载列车在时间或位置靠近Regen火车，并且没有负载列车具有匹配的加速和制动配置文件。
图2：铁路元件WESS
WESS由3个元素组成，如图2所示：
•存储元件 - 用于存储再生能量的机构，最常见的电池，飞轮或电容器
•电源转换 - 通常是具有开关柜的双向DC-DC或DC-AC电力电子转换器 - 功率转换组件和开关柜在WESS应用中是常见的。
•测量和控制 - 硬件和软件通常与电源转换柜集成，对WESS维护和功能的保证至关重要
图3示出了在乘客站附近的牵引变电站（TPSS）处的WESS的框图。 WESS与TPSS中的第三根轨道总线并联连接到两个牵引电力整流器。当一列火车停在客运站时，再生能量通过第三条铁路从Regen火车发往WESS。 WESS充电并储存再生能量。当负载列车从车站加速时，WESS放电，像牵引电力整流器一样，通过第三条铁路将能量发送到加速列车。
图3:在牵引变电站（TPSS）安装WESS
1.3 WESS的应用和优点
电气与电子工程师协会（IEEE）车辆技术学会铁路运输标准委员会正在制定“直流牵引应用的路边能量指南”[2]。“IEEE指南”是三年以上工作的产物来自20个运输运营商和铁路工程设备公司的31名参赛者。 IEEE草案指南识别WESS应用程序。
WESS可以专注于几个应用程序，并具有次要好处。
能源回收。 WESS可以减少牵引电力系统的能量消耗，并减少通过制动电阻器消耗的能量。它也允许同一列车成为Regen火车和负载火车。
电压调节。 WESS可以稳定牵引电力系统的电压。当由于加速列车引起的第三轨上存在电压骤降时，WESS会放电并提升牵引电压。当第三个导轨上有一个电压峰值时，由减速列车引起，WESS充电并降低牵引电压。 这样可以将牵引电力系统的电压保持在正常工作范围内，防止电压骤降引起的过电压或延迟造成设备损坏。 WESS可以替代TPSS和与TPSS相关的公用事业连接成本。
紧急备份WESS。 WESS可以在正常情况下以及在停电的情况下以满负荷的形式存储能量，或者如果公用事业不稳定，则WESS可以将列车运送到乘客可以安全地离开火车的下一个客运站。
调峰。 WESS可以减少火车加速引起的牵引电力系统电力需求的短期波动。当牵引电力系统的电力需求大时，通常在火车正在加速时，WESS会放电，降低峰值功率需求和电力需求成本。这样可以使功率输送设备的尺寸最小化。
负载移位。在非常高的时间，电费便宜的WESS收费。当电力昂贵时，在高峰时段，WESS会释放能量。这节省了能源成本，有助于公用事业管理鸭曲线。
频率调节。 WESS作为按需实用程序负载。当发送频率增加时，WESS充电作为负载并恢复发送频率。当传输频率增加时，WESS向牵引电力系统提供能量，从而降低公用事业负荷。一些公用设施支付频率调节，频率调节可以为运输经营者创造收入。
2、铁路部门对WESS的需求
WESS的优点取决于其与轨道系统应用的需求的匹配。
本节讨论影响WESS设计规范的轨道系统要求。
2.1进场时间和运行时间
WESS运行状况在整个一天和整个季节不断变化。高峰时段的高速公路可达2分钟，非高峰时段可达20分钟或更长时间。火车加速15 - 60秒，并可能在短短15秒内刹车。典型的高峰时段为3分钟，半高峰和非高峰时段为5至8分钟，平均距离约5分钟。铁路局正在减少进入现有铁路基础设施的更多乘客，更多的铁路部门正在朝着2.5分钟的时间迈进。随着车道的减速，起停数量在给定的时间内增加。另外，一个典型的地铁每天运行20小时，但许多大型地铁正在进行24小时运营。增加的操作时间导致WESS使用量增加。成功的WESS必须以高占空比循环和大量循环运行。
图4显示了每年WESS周期与前进时间的关系。图4还显示了预期的WESS寿命与前进时间的关系。 WESS生命是基于能量储存行业的目标，即循环存储元件的可用周期为1,000,000次。
图4:每年的循环周期和WESS寿命vs .间隔时间。
WESS大小必须考虑进度，系统的预期寿命和投资回报率（ROI）。 尺寸过小的WESS将会表现不佳，使用寿命缩短。 超大型WESS将具有更长的投资回报率。
2.2电压，功率和能量容量
WESS的目标是以成本效益的方式捕获并将捕获的能量提供给火车。 WESS功率和能量大小是优化性能和ROI的关键考虑因素。 图5显示了来自庞巴迪[3]的WESS安装的典型地铁列车的能量曲线。 0至30秒，火车正在加速，WESS正在放电。 在30到50秒火车正在保持其速度。 在50至70秒，火车重新制动，WESS正在充电。
图5：使用WESS的地铁列车的能量曲线
列车制动事件通常很短，在这个例子中为20秒。 WESS可以捕获的大多数制动能量在制动事件的前15到18秒内可用。 在这个例子中，红色框显示了理想的WESS尺寸，在15到18秒钟内显示了500 kW。红色虚线显示了第三个轨道电压，当列车加速和减速时电压变化了多少。 典型的750 V直流轨道总线可以从650 V摆动到900 V。WESS必须在完整的第三轨电压范围内安全工作。每个WESS安装尺寸可能不同，应根据具体情况进行评估。
2.3控制，能源管理和诊断
直接从雷根火车转运能量时，再生能源是最有效的
到负荷列车 WESS测量和控制系统必须从TPSS获取数据，以促进并不阻止直接Regen火车加载火车能量转移。 WESS控制应允许操作员调整和调整充放电阈值，以优化直接能量传输。WESS不能通过消耗TPSS整流器的电力来充电。 此外，WESS应尽快排放到负荷列车，以尽量减少泄漏损失。WESS应执行远程诊断并采取远程纠正措施。 此外，应该可以离线或在线切换WESS，而无需地铁人员进行现场操作或中断铁路服务。WESS必须与火车控制和通信系统保持电磁兼容性（EMC）。
2.4位置，环境条件和辅助设备
WESS可以典型地安装在现有的TPSS中，并与现有的牵引力设备集成，安装在新的TPSS作为线路扩展的一部分，或者安装在乘客站附近的新的或现有的结构中。现有的TPSS通常对新设备的空间有限，或者可能在地下。 WESS需要模块化以适应现有空间，并留下维护空间。 WESS可能需要新的导管和电缆导管。
WESS设计必须考虑将要安装的操作环境。 TPSS通常是多尘的。灰尘可能会渗透电气设备，从而缩短其使用寿命。 TPSS通常不受温度控制，温度根据季节和位置而广泛变化。 WESS应设计为EN 50155-2规定的温度范围之间的无限操作铁路应用 - 设备的环境条件 - 第2部分：固定电气安装。温度，必须考虑到寿命受温度影响的WESS技术的控制。由于淹水或下雨，TPSS可能会遇到水入侵。
2.5 可靠性和维护
运输经营者的主要任务是将人们列入火车。 WESS是帮助运输经营者节省运营成本的工具，因此它们不直接与运输运营商主要任务相结合。 WESS必须可靠，不会影响日常铁路运营，铁路可靠性或安全性。 运输运营商如果延迟或中断运输操作，可能永久关闭WESS。
WESS必须是可靠的，需要很少的维护，因为它们是非任务关键型系统。 运输运营商运营和维护（O＆M）的工作人员通常忙于维护服务关键的铁路设备，这比WESS更为优先。运输经营者可能会永久关闭WESS，如果它对运维维护成为滋扰，或维护成本超过利益。运输经营者通常期望新设备（包括WESS）的最短设计寿命为20年。
2.6投资回报率（ROI）
运输经营者要求使用经过验证的产品和技术的WESS安装5至8年的投资回报率。 大功率，高可再生能源WESS的回报主要来自减少总能耗并降低峰值功率需求。 每个公用事业都有不同的能源使用率和峰值功率需求。铁路部门的能源使用量和峰值功率需求越多，WESS回报就越快。
3、能源储存技术
所有WESS的功率转换和控制部分及其相关成本大致相似。 WESS存储技术通常决定了WESS的资本投入，维护成本，效率，寿命和重置成本。 用于各种应用和环境的常见储能技术有：
- 电池（锂离子，尼姆，锂聚合物）
- 电容（超级）
- 飞轮
本节介绍这些储能技术，并讨论其应用和能力，以满足第2节所述的轨道系统规格。
3.1电池
电池可以在紧凑的空间内容纳大量的能量，但与其他技术相比，电池的充电和放电能量相对较慢。 图6显示了Ragone Plot，每单位重量（能量密度）的可储存能量与每单位重量输送能量的速率（功率密度）的曲线图。 电池通常占据左上角，具有高能量密度和低功率密度。
图6：Ragone图：各种存储技术的能量密度和功率密度之间的关系。 右上角显示了能量存储设备的最大能量曲线，考虑到能量泄漏和内部损耗。 最大能量随着功率的降低而降低[4]。
能量密度与功率密度的比率对应于充电或放电存储技术所需的时间。 对角线是充电和放电时间。 同一线上的存储技术具有充放电时间。 例如，电池充电和放电时间大多在100秒线上。
对于轨道应用，锂离子电池是最接近应用的化学物质。 然而，即使是现有技术的钛酸锂（LTO）电池，如在2.2节中讨论的轨道要求所确定的，在2分钟的占空比下，不能重复地重复15至18秒的充电或放电持续时间， 而不会因应用的功率和电流等级而大幅度增加。
电池更适合于不需要高功率密度和高周期运行的负载变换和紧急备份。 因此，本文不考虑电池的WESS尺寸分析。
3.2超级电容器
电解双层电容器（EDLCS）或超级电容器可以在10秒内进行重复的充放电循环。 因此，超级电容器更适合于WESS在2分钟占空比下重复充电或放电持续时间为15至18秒的要求。
像所有典型的电容器一样，超级电容器受限于放电水平以保持使用寿命，并且具有可以限制其功率传输的内部电阻。 如果电容下降到初始值的80％，或者如果内部电阻（或等效串联电阻（ESR））从初始值增加一倍，则认为典型的电容器已经达到寿命终止。 制造商关于电容器寿命的数据如图7和图8所示[5,6]。
图7：超级电容的电容寿命
图8：超级电容的ESR寿命
3.3飞轮
飞轮WESS将能量存储在旋转质量的旋转能量中。 具有完全密封的真空壳体和悬挂在磁性轴承上的转子的飞轮将摩擦损失降低到较低水平。 这种飞轮已经运行了二十多年，可以被认为是高占空比储存的成熟技术。 作为机械系统，飞轮被很好地研究和分析了机械，性能和寿命特性。
飞轮可以以非常高的速率加速和减速，因此可以在几秒钟内对能量进行充放电。 典型的飞轮可以工作一百万次的深度放电循环，而不会对存储元件的性能或寿命产生任何影响。 与超级封装相比，它们具有较高的能量密度（见图5）。 低损耗，高功率密度和高可靠性使其成为高要求的占空比应用的理想选择。飞轮系统可以在广泛的环境中运行。
4、电容VS 飞轮
由于WESS中存储元件的性质，组成和特性不同，不可能直接比较不同的技术。 例如，制造商要求的电容器寿命在25oC和2.7V时可能为10年，因为各种原因，独立实验室测试通常不能达到该值 - 降解特性，温度。 表1显示了来自各实验室的Maxwell Boostcap终生预期的差异。
表1：不同测试下Maxwell Boostcap的寿命估计[7]
为了比较WESS存储技术，WESS的大小根据相同的要求和规格而定。 这允许WESS存储技术在相同的设计和操作条件下并排进行比较。
表2列出了基于第2节讨论的要求的WESS的规范。
表2：铁路WESS的要求规格
4.1、基于超级电容器的WESS指标
表3显示了满足表2中规格的超级电容WESS的尺寸计算。计算的超级电容寿命为2.84年或更换前的235,789次循环。
表3：系统寿命计算 - 电容器
超大尺寸计算使用制造商的数据表，成熟的行业测试和已发表文献的生活规范。 图7和图8显示，超级电容器的基体寿命在25℃时为88,000小时或1,000,000次循环。基础寿命随着温度和ESR的增加而降低。 电容的减小成为第一个限制因素，因为ESR需要更长时间才能达到100％的增加值。
表4显示了超级制造商发布的系统数据表[7]。 表4验证了表3中计算出的超级电容系统尺寸。表4中安装的额定容量为0.5 * 94 * 750 * 750 = 7.3kWh。 这大约是所需2.5 kWh尺寸可用能源应用的三倍。 一个7.3 kWh WESS可以最大限度地利用其34％的容量。
表4：制造商的数据表详细信息[8]
4.2基于飞轮的WESS指标
表5显示了符合表2中规格的飞轮WESS的尺寸计算。计算出的飞轮寿命在重新认证之前为4.49年。
飞轮尺寸基于已发表的文献，为0.5 kWh的飞轮[9]。 该计算适用于外推和降额的行业标准。
5、商业评估：电容器VS. 飞轮
表6比较了使用第4节的寿命系统尺寸值的0.5兆瓦，2.5千瓦时的飞轮WESS和0.5兆瓦，2.5千瓦时超大型WESS的基本所有权成本。
2种 WESS具有类似的初始存储元件成本。超过10年的飞轮WESS重新认证成本为111,359美元，而超级电容WESS重置成本为84.5万美元。 在同等尺寸的飞轮和Supercap WESS的10年寿命期间，飞轮WESS将比Supercap WESS的成本大约减少757,000美元。成本分析突出说明优点和缺点，适用于选择高功率，高周期性WESS的存储技术。
参考文献
[1] L. Romo, R. Krishna, D. Turner, “Assessing and Measuring Benefits of Wayside Energy Storage Substations for the LACMTA Metro Gold Line,” APTA Rail Conference, June 2009
[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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