应用于飞轮储能的BLDC电机功率双向流动策略设计

在“碳中和，碳达峰”时代背景下，大规模新能源例如太阳能、风能等逐渐替代传统化石能源进行发电并网。新能源并网虽然能够有效解决环境污染问题，但同时由于其自身存在的间歇性与并网过程中引入的大量电力电子设备也使得电力系统运行稳定性降低

。为了解决新能源并网带来的稳定性问题，新型储能技术逐渐引起人们关注。在目前可以规模化商业运行的储能方式中，飞轮储能作为一种物理储能方式，将电能转化为转子的动能，凭借其充放电效率高、无环境污染、使用寿命长等优点，在未来以环保绿色为前提的能源市场环境下具有广阔的发展前景

。

煤炭在我国社会经济发展中一直占有非常重要的地位，在一次能源结构中的比列达到70%左右。从国内来看，未来相当长的时期内，煤炭作为主体能源的地位不会改变。加强煤炭建设项目的投资控制，可以确保资金得到有效运用，达到最佳的投资效益。

目前，国内外企业对飞轮储能进行了大量研究，飞轮储能技术正不断得到提高

。美国Beacon Power 公司于2011 年将飞轮储能技术应用于电网调频并能够商业化运行，Active Power公司生产的飞轮UPS产品于2017年也被数据中心、电信运营商等广泛使用，纽约地铁利用飞轮储能技术实现了机车制动能量的回收利用

。德国IPP研究所的托卡马克装置采用了飞轮储能作为脉冲功率电源应用于高科技领域。国内泓慧能源企业致力于大功率真空磁悬浮飞轮储能的研发，搭建MW级飞轮储能应用并进行示范应用，同时将飞轮技术应用于电网调频、军事、新能源等领域，打破了国外垄断，实现了飞轮储能关键技术的自主可控

。贝肯新能源企业致力于提供成熟可靠的超大功率飞轮储能电网调节技术，并已生产出用于商业应用的250 kWh和500 kWh规格飞轮产品。奇峰聚能企业主要从事于大规模分布式储能装置等高新产品技术的研制

。2022年1 月由二重储能参与研发的国内首台国产化200 kW 飞轮储能不间断电源车研制成功。同年2 月以飞轮储能技术为核心的氢能源发电车也在冬奥会投入使用为场馆提供应急电力保障。从以上飞轮应用情况可以看出，飞轮产品还未在国内进行大规模商业化运行，飞轮电机成本较高是制约飞轮技术商业化发展的重要因素。飞轮电机一般采用永磁电机

，此种电机转子为永磁体，作电动机使用定子绕组产生旋转磁场带动转子旋转，作发电机使用转子产生旋转磁场，定子绕组切割磁感线产生电流。选择BLDC电机作为飞轮储能电机，相比于永磁同步电机与异步电机，其功率密度更大，扭矩大，体积小，还能够减小飞轮产品的重量，提高飞轮产品的经济性。

将BLDC电机应用于飞轮储能，需要考虑能否通过电机的充放电控制实现电能与飞轮动能的相互转化。文献[10]提出使用半桥斩波方式，利用反电势与电感电势之和大于电源电压，从而实现BLDC电机放电功能，此种方式会使第三相绕组导通，产生大的转矩脉动。文献[11]在半桥斩波方式基础上提出的全桥制动方式能够降低绕组损耗，但存在电源输出功率与转子动能共同转化为磁场能量输入电感的工况，造成绕组损耗。文献[12]使用BLDC 电机实现充放电功能，但放电过程需要采用升压斩波电路维持输出电压稳定。文献[13]提出BLDC 电机放电过程中电机侧逆变器6个开关管全部关断，感应电流经过续流二极管流出，需要再外接Boost升压电路以提供稳定的直流电源。文献[14]提出的飞轮电机充放电稳压拓扑结构与逆变策略虽然能够实现充放电，但仅适用于开关磁阻电机。文献[15]分析了充电模式下飞轮电机控制器的设计，并未对电机放电策略的设计进行分析。文献[16]对飞轮电机调速控制策略中加入了双级降压斩波电路拓扑结构并进行了仿真验证，虽然提高了电机转速控制精度，但依旧引入附加电路增加电机成本。

综上，本文基于BLDC电机工作原理，搭建应用于飞轮储能的BLDC电机模型，由于BLDC电机是采用传统的二二导通方式进行驱动，所以考虑在不增加额外辅助电路的方式基础上，通过改变晶闸管导通关断顺序实现电机的充放电功能。当电机处于充电状态时，电能转换为飞轮转子动能，电机吸收功率，当电机处于放电状态时，飞轮转子动能转换为电能，电机发出功率，从而实现功率的双向流动过程，并且在所制定的控制策略基础上，电机充放电状态能通过外界指令进行正确切换，为后续飞轮产品的实现提供理论基础。

春夏之交是采摘柳蒿芽的最隹之际，妇女们成群结队来到江河边采摘柳蒿芽，休息之余还要边歌边舞，抒发对美好生活和大自然的爱恋情怀。采摘柳蒿芽除了尝鲜之外，其余大部分要晒干或用开水焯了以后，放入冰箱储存起来，待日后食用。过去灾荒年青黄不接时，是柳蒿芽采添饱了达斡尔人饥肠辘辘的肠胃，拯救了达斡尔人的生命，从此，达斡尔人同柳蒿芽—库木勒结下了难以割舍的情缘。远居他乡的达斡尔人，总是把家乡带回或其它方式捎来的柳蒿芽视为珍品隹肴，每每品尝都会增添思念家乡的情愫，拉近同家乡的距离。

1.1 定子绕组模块

高中政治教材中收录了很多经典文章，并涉及方方面面的知识。对此，教师在组织教学活动时，应该深入挖掘有效的教学资源，让课堂教学内容更加丰富，这样可以帮助学生增长见识，在潜移默化中提升学生的政治综合素养。教师尤其要注重在课堂上运用微课，为学生带来新奇的体验，让学生尽情徜徉在知识的海洋中，从而开阔学生的视野，提升学生的政治学习能力。

要培育和发展壮大社会组织,推动社会组织成为政府环境治理的参谋助手、监督员以及充分发挥生态文明建设的民众主体。环境组织在环境管理方面具有得天独厚的优势。一是利益无关、相对公正;二是层级简单,效率高;三是增加群众参与感,提高群众环保意识。相比于政府和企业之间监督与被监督的关系,环境组织在调节政府与企业之间的关系上发挥着桥梁作用。另外,生态文明建设本身事关我们每一个人,必须充分调动民众参与的积极性,提供平台、畅通渠道,引导、鼓励民众积极参与生态文明市场机制建设。

每相定子绕组电压

与电流

关系为

式中，

为定子绕组等效电阻值；

为电机角速度；

为定子绕组等效电感值；

E

为反电势值。实验搭建的BLDC电机定子绕组模型如图1所示。

此外，我们强化了科研对教学的支撑，成立了“马克思主义理论创新研究室”“红色文化研究室”“思想政治工作研究室”3个研究团队，仅2018年上半年就成功立项4个校级课题。

图1 中

、

、

表示每相绕组反电势值，三相绕组呈星形连接，每相绕组的电阻、电感，与反电势串联连接。BLDC电机运行过程中每次只导通其中两相，电流从一相流入，一相流出，所以总的反电势为导通两相反电势之和。

1.2 反电势生成模块

BLDC 电机参数中

=

表示输入电压每增加1 V，转速每增加

转，由于BLDC 电机反电势为梯形波，所以将转子转过的相位做单位正弦，添加滞环环节，输出与

值相乘即可得反电势。考虑到电机每60°电角度换相一次，实验中设置的初始时刻是C 相反电势值为0，所以需要对另外两相作相位补偿，以产生正确的梯形波。电机的反电势输出波形如图2所示。

BLDC电机转子结构为永磁体，定子结构为三相绕组，每相定子绕组可由电感电阻代替。

图2中三相反电势均为梯形波且依次循环导通。反电势生成模块输入量为电机角速度，输出量为三相反电势梯形波，且反电势幅值与角速度成正比例关系。

1.3 霍尔信号生成模块

本次BLDC电机驱动模拟采用的是有霍尔驱动，为得到霍尔信号，同样将转子转过相位做单位正弦，函数幅值大于等于零时霍尔信号输出为1，幅值小于零时霍尔信号输出为0，以此方法模拟霍尔信号变化，由于三相霍尔信号状态不同，所以需对每相相位进行补偿。电机霍尔信号输出波形如图3所示。由于BLDC电机一周期内存在6种状态，6种状态导通相分别是

、

、

、

、

、

，所以霍尔值对应输出也为6个值，每种值对应一种电机状态。

将飞轮转子结构与电机转子轴承相连，通过控制电机转速实现对飞轮的转速控制。电机在充电控制策略下反电势与电流同向，此时电机处于电动机模式，电机吸收功率，转速增加，由转子带动飞轮旋转，将电能转换为飞轮动能，飞轮进入充能状态。电机在放电控制策略下，飞轮转速方向不变，飞轮带动电机转子旋转产生旋转磁场，定子绕组切割磁感线产生感应电流，此时电机处于发电机模式，感应电流通过放电控制策略下的晶闸管导通顺序实现向外界供电，电机发出功率，转速降低，从而使飞轮动能转化为电能，飞轮进入释能状态。

通过对承灾体危险性、暴露性、脆弱性和应急保障能力进行分析，构建城市灾害综合风险评价指标体系。基于已知的部分权重信息，采用TOPSIS方法计算指标权重，构建基于云模型的城市综合灾害风险评价模型，对城市灾害风险划分等级，得到城市综合灾害风险的云图，以确定城市的风险级别并为城市防灾规划提供决策依据。

1.4 转速生成模块

BLDC电机转矩生成来自扭矩方程：

式中，

为电机扭矩，

为负载转矩，

为电机转动惯量。

从表1可以看出，6个霍尔值与电机6种开关状态呈现一一对应关系，所以可令每相桥臂上桥臂导通时输出幅值为1，下桥臂导通时输出幅值为-1，上下桥臂均不导通时输出幅值为0。由霍尔码可写出充电过程每相桥臂导通关断逻辑表达式：

1.5 扭矩生成模块

电机的扭矩生成来自电磁功率

：

通过调查，我们也发现，泰国留学生虽然已经在目的语环境生活学习了一段时间，但语用上和本土人仍有差异。如情景2、4、8中，社会关系较近，相对社会地位高于或等于听话人，请求行为开展难度较小，50%以上的中国人使用直接策略，而留学生并非如此，甚至有留学生在采访中问笔者为何自己的事要让别人做？中国属儒家文化圈，长期以来受文化因素影响，长者对晚辈直接诉求。受人情关系影响，对和自己社会地位相等，社会关系较密切的朋友，也直接请求。由此发现，即使在目的语环境，汉语水平较高的留学生语用过程中也还是会和本土民族不相一致。

式中，

为各相绕组反电势；

为各相绕组流过电流。电机扭矩生成模型如图5所示，扭矩模型输入为三相电磁功率之和，三相功率之和除以角速度即为输出扭矩。电机充电过程中输出扭矩为正，表示电机吸收功率，电机放电过程中输出扭矩为负，表示电机发出功率。

1.6 电机整体模型

实验搭建的BLDC 电机整体模型如图6 所示，电机输入为直流稳压电源，直流电源经过逆变器驱动电机旋转，根据电机输出的霍尔信号作为晶闸管的换相使能信号，从而改变晶闸管的导通顺序，实现电机的充放电过程。通过PWM 调制方式实现电机转速电流控制。

飞轮主要有充电、放电、维持3种状态。在充电控制策略下，电机处于充电状态，电机反电势与电流方向同向，电机作为负载消耗功率。当电机转速达到额定转速时，电机转速维持恒定，电机进入维持状态，此时电机保持低功率运行。在放电控制策略下，电机切换成放电状态，即电机反电势与电流方向反向，电机作为电源发出功率。在充放电过程中，实现功率的双向流动。

2.1 充电控制策略设计

BLDC 电机换相驱动由判断霍尔元件值进行，通过读取霍尔值判断出导通相顺序，再与使能端进行逻辑与运算，即可实现BLDC电机六步驱动。

在放电控制策略下，电机运行过程中霍尔值依次输出为100、110、010、011、001、101共6种状态，对应桥臂导通相更改为CA、CB、AB、AC、BC、BA，此时电机每相绕组反动势与流经电流反向，飞轮转子带动电机转子旋转，飞轮发出功率，电机电源侧吸收功率，电机将飞轮动能转换为电能。

表1中霍尔码3个霍尔值依次表示

相、

相、

相三相霍尔值读出状态。反电势值表示电机旋转过程中实时感应电势正负情况，例如：

正

负指此时

相反电势恒定状态，幅值为正，

相反电势也处于恒定状态，幅值为负。导通相表示电机处于当前状态下应导通的其中两相桥臂。桥臂导通表示对应相应导通上桥臂还是下桥臂。

电机的角速度生成模型如图4所示，由图可知电机角速度与电磁转矩、负载转矩、电机转动惯量相关。

其中

、

、

的值表示每相霍尔测量值。通过判断

、

、

的真值来控制各相桥臂的导通与关断，此充电策略能够实现电机每相绕组反电势方向与该相电流流入方向同向。

2.2 放电控制策略设计

放电策略的制定要求电机的反电势与电流方向相反，即电机释放功率。实验中根据电机旋转情况，制定的晶闸管导通策略见表2，放电策略与充电策略处于相反状态。

同理分析可知，放电状态下每种霍尔值对应另外一种桥臂导通情况，由制定的放电策略可写出每相桥臂导通关断逻辑表达式：

式中,m表示帧号,n表示离散时间点,xm(n)表示第m帧纯净语音信号,nm(n)表示第m帧加性噪声信号,xm(n)和nm(n)都是短时平稳信号,且两者互不相关。对式(1)进行离散傅里叶变换,可得到

此放电策略能够实现电机每相绕组反电势方向与该相电流流入方向反向。

霍尔信号生成模块输入量为电机角速度，输出量为三相霍尔值，每相霍尔值状态在0、1 之间切换。从图3可以看出，每相霍尔值半个周期内切换一次，电机根据输出霍尔值实现逆变器换相导通。

实验设定的电机参数如下：定子绕组每相电阻值1.38 Ω，电感1×10

H，

值71.7，负载扭矩0.2 N·m，电机输入电压350 V，控制器设计电机额定转速15000 r/min。通过转速外环，电流内环控制电机转速。

在MATLAB/Simulink环境下，通过对BLDC电机数学模型进行分析，搭建BLDC电机模型与相应控制系统，该控制系统采用转速电流双闭环控制方案，通过PI控制方式产生PWM波调节逆变器晶闸管导通占空比实现调速。在建模之前作以下假定：①换相过程和电枢反应对电机性能影响忽略不计；
②磁滞和涡流损耗影响忽略，磁路处于不饱和状态；
③三相绕组、定子电流、转子磁场分布完全对称，气隙磁场为方波；
④外加直流电源输出理想直流波形

。

3.1 充电控制策略验证

在充电控制策略下，电机运行过程中霍尔值依次输出为100、110、010、011、001、101共6种状态，对应桥臂导通相为AC、BC、BA、CA、CB、AB，此时电机电源侧发出功率，电机转子旋转，电机吸收功率，电机将电能转换为飞轮动能。

3.1.1 电机充电状态转速输出

电机充电过程中转速变化如图7所示，电机转速从零时刻静止开始启动并加速，当电机转速上升到额定转速15000 r/min 时，电机进入维持状态保持当前转速，由转子带动的飞轮转速维持恒定，飞轮充能结束，进入低功率维持模式。

3.1.2 电机充电状态反电势与电流方向

刚上小学一年级就被布置如此大体量、高难度的假期作业，显然是当前我国中小学校“题海战术”“疲劳战术”教育模式的缩影。联想到此前有男家长见孩子深夜12点都做不完家庭作业，发微信质问老师“睡了吗”，而被老师踢出群的事件，只让我们对教育感到一种悲哀，并生出一种对孩子牵肠割肚的疼痛。

电机在充电状态下反电势与电流关系如图8所示，从图中可以看出反电势与电流处于同向状态，电机电磁功率为正，说明电机吸收功率，电机将电能转化为飞轮转子的动能，飞轮实现充电的功能。

3.2 放电控制策略验证

充电策略制定晶闸管导通方式见表1。

3.2.1 电机放电状态转速输出

设置电机在1 s 时进入放电状态，电机放电状态下转速输出如图9所示，从图中可以看出电机在进入放电模式下转速逐渐降低，表明此时飞轮转子的转速也逐渐降低。

3.2.2 电机放电状态反电势与电流方向

电机在放电状态下反电势与电流输出关系如图10所示，从图10可以看出电机反电势与电流方向相反，电磁功率为负，说明电机发出功率，飞轮转子的动能转化为电能。

华为公司的名字来自于“心系中华，有所作为”。虽然是任正非先生随便选取的名字，但是正是名字来源于这句话，给华为塑造了一个爱国的形象，吸引了越来越多的消费群体。品牌命名若是加入情感，也会带来意想不到的结果。1993年7月建立的润之酒家取名就充满命名的艺术性，采用我们开国领袖毛泽东的字，使得这家店一开张就得到意想不到的关注。单看酒店名字便会让人觉得这个品牌充满感情，也会在潜意识里认为这个酒店用这个名字命名，定是个值得信任的酒店。润之酒店的命名体现了民族名义。就像消费者会对华为公司，娃哈哈有一定信任的原因，在遇到选择时会偏向于这些更富有情感的品牌。这说明企业品牌的命名应该考虑情感因素。

3.2.3 电机放电状态扭矩输出

电机放电状态扭矩输出如图11 所示，图像截取是1 s前后电机扭矩输出波形，由图像可知，1 s之前电机处于维持状态时电机转速保持不变，扭矩在正负之间来回切换，1 s之后电机处于放电状态，电机扭矩恒为负值，也可验证电机放电状态输出功率，电机转速降低，转子动能转化为电能，飞轮实现放电的功能。

通过以上分析可知，电机处于充电状态时，单相绕组反电势与电流同向，电机进入电动机模式，转速增加，实现电能到飞轮动能的转换。电机处于放电状态时，单相绕组反电势与电流反向，电机进入发电机模式，飞轮转速降低，实现飞轮动能到电能的转换。同时，电机电流在两种模式运行情况下均可控制并且电机输入电流方向不变，证明制订的电机充放电策略有效，应用于飞轮储能能够实现功率双向流动过程。

本文提出应用于飞轮储能的BLDC电机功率双向流动策略的设计，结合仿真实验得到如下结论。

在使用BIM技术对施工现场进行模拟时，分别对施工材料的运输路线以及存放位置进行了合理的规划，并针对施工方案进行了全面的指导，施工现场布置如图1所示。

（1）实验搭建的BLDC电机模型能够正确地模拟电机运行特性。电机模型能够通过转子转过的相位进行霍尔信号生成，并根据生成的霍尔信号值进行正确换相，驱动电机运行。电机在充电状态实现加速过程，放电状态实现减速过程。

牟泽雄：针对当前大家批评最多的当前书法创作中文化缺失的问题，这当然不仅仅是对书法传统风格、技法的继承问题，还应该是书法内在精神理解、把握的问题，还有另外一些显在的又往往被忽视的问题。比如说书法作品内容以抄录古代诗文为主，繁简字、古今字混用，错字问题也比较突出，以及草书作品书写不规范等状况。你认为一个成长中的书家，应该如何加强自身的文化素养。你是怎么做的？

（2）实验提出的功率双向流动策略，不需添加额外电路拓扑结构，通过改变晶闸管导通顺序实现充放电状态切换。在充电状态下，电能转换为飞轮动能，在放电状态下，飞轮动能转换为电能，实现功率双向流动，同时在运行过程中相关电气参数均处于可控状态。此控制策略为后续飞轮机电一体化产品的设计实现提供了理论基础。

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