Керування електромеханічними системами електричних транспортних засобів з гібридним акумуляторно-суперконденсаторним джерелом живлення
Вантажиться...
Дата
2023
Автори
Науковий керівник
Назва журналу
Номер ISSN
Назва тому
Видавець
КПІ ім. Ігоря Сікорського
Анотація
исертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю
141 – Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка. – Національний
технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря
Сікорського», Національний технічний університет України «Київський
політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2023.
У дисертаційній роботі вирішується задача розвитку методів синтезу та
аналізу тягових електромеханічних систем (ЕМС) на базі векторно-керованих
асинхронних двигунів (АД) і синхронних двигунів з постійними магнітами (СДПМ)
з гібридними джерелами живлення (ГДЖ) на основі акумуляторних батарей (АКБ) і
блоку суперконденсаторів (СК), спрямована на підвищення їх статичних,
динамічних та енергетичних характеристик за рахунок розробки і впровадження
методів нелінійного і адаптивного керування.
У першому розділі проведено аналіз існуючих методів керування тяговими
електромеханічними системами з ГДЖ з метою обґрунтування необхідності
вирішення науково-прикладної задачі, яка розглядається в роботі. За результатами
аналітичного огляду встановлено, що системи ослаблення поля АД не забезпечують
повне використання потужності джерела; для живлення типових ЕТЗ
використовуються тільки АКБ, що спричиняє їх прискорене старіння. Типові
системи керування ГДЖ на основі лінійних пропорційно-інтегральних регуляторів
(ПІ-регуляторів) струмів і напруги з фільтром низьких частот (ФНЧ) не мають
строгого теоретичного обґрунтування, стійкість суттєво нелінійних систем не
доведено. Як наслідок, підсистеми керування ГДЖ і тяговим електроприводом (ЕП)
є взаємозв’язаними і чутливими до координатних і параметричних збурень,
основними з яких є варіації активного опору ротора АД, електричних параметрів
СДПМ і параметрів DC-DC перетворювачів. Вказані збурення в існуючих системах
призводять до деградації динамічних показників якості керування і зниження
енергетичної ефективності процесів електромеханічного перетворення енергії.У другому розділі розроблено нові алгоритми ослаблення поля в системах
векторного керування АД, які забезпечують більш повне використання потужності
джерела, а також синтезовано з використанням другого методу Ляпунова
адаптивний спостерігач активного опору ротора АД і алгоритми ідентифікації
параметрів СДПМ, які забезпечують глобально стійкий процес оцінювання і є
простішими у використанні, ніж існуючі аналоги.
У третьому розділі виконано теоретичний аналіз та дослідження властивостей
стійкості і характеристик систем керування класом реверсивних DC-DC
перетворювачів як нелінійних немінімально-фазових об’єктів керування в
стандартній конфігурації з лінійними ПІ-регуляторами струму та напруги.
Розроблений метод синтезу і аналізу систем керування DC-DC перетворювачами
базується на використанні часткової лінеаризації зворотним зв’язком.
В результаті теоретичного аналізу встановлено, що: результуюча структура
системи керування має вигляд послідовного з’єднання двох лінійних асимптотично
стійких підсистем у контурі нелінійного зворотного зв’язку з білінійними
властивостями; структура системи керування вперше дозволяє лінеаризацію
відносно фізично обумовленої множини рішень, яка представляє собою рівняння
балансу потужностей; лінеаризована система набуває форми, яка дозволяє
використовувати теорію каскадних систем з розділенням у часі процесів у контурах
регулювання так, що процеси у внутрішньому контурі (струму) у декілька разів
більш швидкі у порівнянні із зовнішнім (напруги); налаштування регуляторів з
оптимізацією за «симетричним» оптимумом дозволяє формувати показники якості
керування.
Вперше показано яким чином струм навантаження впливає на структуру
систем керування DC-DC перетворювачами та їх параметри, що дозволяє
здійснювати робастне налаштування регуляторів для підвищення навантажувальної
здатності перетворювачів. Показано, що завдяки компенсації струму навантаження
забезпечується підвищення динамічної точності стабілізації напруги.
Теоретично, за допомогою другого методу Ляпунова, обґрунтовано структуру
коригуючих зворотних зв’язків алгоритму ідентифікації параметрів DC-DC
перетворювачів, який, на відміну від існуючих, має прозорі умови персистності збудження, що гарантує властивості глобальної експоненційної стійкості, не
потребує інформації про їх початкові значення, а також має простішу форму.
У четвертому розділі вперше теоретично обґрунтовано структуру композитної
системи керування ГДЖ, що складається зі зв’язаних підсистем регулювання
вихідної напруги, струмів АКБ і СК, фільтру розподілу частот (ФРЧ) і підсистеми
регулювання напруги СК. Доведено, шляхом розгляду динаміки системи зниженого
порядку, що масштабування завдання струму СК у функції співвідношення напруг
АКБ і СК у складі ФРЧ (лінеаризація зворотним зв’язком), а також формування
розділення у часі динаміки у контурах регулювання забезпечують асимптотичне
регулювання напруги ланки постійного струму і розподіл динамічних складових
струмів АКБ і СК. Показано, що компенсація струму навантаження підвищує
динамічні показники якості регулювання напруги. Розроблено новий алгоритм
регулювання напруги (заряду) блоку СК і надано рекомендації з його налаштування,
яке гарантує, що процес заряду не впливає на регулювання вихідної напруги ГДЖ.
У п’ятому розділі обґрунтовано концепцію експериментальних досліджень
тягових ЕМС з ГДЖ, яка дозволяє розробляти уніфіковані експериментальні
установки для повномасштабних тестувань широкого спектру алгоритмів керування
в умовах, які наближені до існуючих в реальних ЕТЗ. Розроблено структуру,
виготовлено і налагоджено станцію швидкого прототипного тестування для
дослідження тягових ЕМС, яка складається з АД потужністю 0.7 кВт, СДПМ 3 кВт,
літій-іонних і свинцево-кислотних АКБ і блоку СК з DC-DC перетворювачами, яка
дозволила провести повномасштабні експериментальні тестування розроблених
структур керування з метою підтвердження теоретичних висновків роботи та
виявлення ефектів, які не враховуються при синтезі та моделюванні. Керування
установкою здійснюється з використанням контролера на основі цифрового
сигнального процесора TMS320F28335 та розробленого для нього програмного
забезпечення, що в реальному часі реалізує розроблені алгоритми керування.
Розроблено методику дослідження динамічних процесів енергообміну між
джерелами живлення і тяговим ЕП, яка дозволяє формувати струми навантаження,
які відповідають типовим діаграмам руху ЕТЗ і дають можливість оцінювати
ефективність розподілу струмів між АКБ і СК на кожній з ділянок руху ЕТЗ. З результатів верифікації параметрів АКБ і блоку СК і дослідження
динамічних режимів DC-DC перетворювачів встановлено, що стандартні моделі
АКБ та СК на основі обґрунтованих припущень поєднують простоту та достатню
точність для дослідження процесів енергообміну в тягових ЕМС.
Проведено цикл повномасштабних досліджень ГДЖ тягових ЕМС, який
включає відпрацювання навантажень сформованих діаграмами руху ЕТЗ.
Результати експериментальних досліджень співпадають з результатами
математичного моделювання з достатньою точністю для комплексних тягових ЕМС.
З порівняльного тестування встановлено, що розроблений алгоритм керування
повністю керованими ГДЖ забезпечує зменшення інтегральних середньоквадратичних
значень
струму
елементу
АКБ
і
його
похідної,
порівняно
з
живленням
від
АКБ і типових топологій ГДЖ, що сприяє зниженню втрат і подовженню
терміну експлуатації АКБ. Встановлено, що серед розглянутих топологій повністю
керовані ГДЖ мають найкращі властивості регулювання напруги, розподілу струмів
між АКБ і СК та обмеження струму АКБ.
Результати роботи впроваджено: в ТОВ «Політехносервіс» (м. Бровари) та в
освітній процес у Київському політехнічному інституті імені Ігоря Сікорського для
вдосконалення лекційних курсів та оновлення циклів лабораторних робіт дисциплін
«Електромеханічні системи електричних транспортних засобів» і «Керування
перетворенням енергії в відновлюваних джерелах та електромобілях».
Подальше впровадження результатів дисертації рекомендується на
підприємствах електротехнічного профілю України.
Опис
Ключові слова
електромеханічна система, електричний транспортний засіб, асинхронний двигун, синхронний двигун з постійними магнітами, векторне керування, синтез, стійкість, гібридне джерело живлення, реверсивний DC-DC перетворювач, акумуляторна батарея, суперконденсатор, ідентифікація, electromechanical system, electric vehicle, induction motor, permanent magnet synchronous motor, vector control, design, stability, hybrid energy storage system, bidirectional DC-DC boost converter, battery, supercapacitor, identification
Бібліографічний опис
Ніконенко, Є. О. Керування електромеханічними системами електричних транспортних засобів з гібридним акумуляторно-суперконденсаторним джерелом живлення : дис. … д-ра філософії : 141 – Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка / Ніконенко Євген Олексійович. – Київ, 2023. – 189 с.