Теоретичні засади побудови систем керування перетворювачами на базі ентропійної дивергенції
Вантажиться...
Дата
2025
Автори
Науковий керівник
Назва журналу
Номер ISSN
Назва тому
Видавець
КПІ ім. Ігоря Сікорського
Анотація
Клен К.С. Теоретичні засади побудови систем керування перетворювачами на базі ентропійної дивергенції. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.09.12 «Напівпровідникові перетворювачі електроенергії». – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2025.
У дисертаційній роботі отримала подальший розвиток теорія керування напівпровідниковими перетворювачами, які є невід’ємною частиною сучасних локальних систем електроживлення, побудована на основі застосування аналогу принципу невизначеності Гейзенберга, розрахунку ентропійної дивергенції та врахування особливостей потоків енергії генерації та споживання. Доведено , шо врахування вказаних особливостей при побудові систем керування перетворювачами дозволяє підвищити загальну ефективність локальних систем електроживлення. Отримані результати у сукупності є теоретичним узагальненням та новим вирішенням важливої науково-прикладної проблеми підвищення ефективності використання енергії первинного потоку у локальних системах електроживлення з напівпровідниковими перетворювачами. У першому розділі проаналізовано умови підвищення ефективності використання електроенергії у локальних системах електроживлення з установками на основі відновлюваних джерел енергії засобами перетворювальної техніки. Показано, що для підвищення ефективності необхідно впроваджувати інтелектуальні механізми керування розподіленими енергетичними ресурсами та їх систему інтеграцію з використанням накопичувачів електричної енергії, що дозволить зменшити частку нерегульованого навантаження в системі. При цьому важливою задачею є реалізація керування напівпровідниковими перетворювачами у локальних системах електроживлення з установками на основі відновлюваних джерелам енергії та накопичувачами з врахуванням значної розмірності простору даних, різнорідності їх потоків, а також – забезпеченням гарантованого електроживлення навантаження протягом наперед визначеного інтервалу часу. Показано, що реалізація ефективного керування перетворювачами у локальних системах електроживленням обумовлює необхідність створення відповідного математичного базису, який включає: 1) застосування аналогу принципу невизначеності Гейзенберга; 2) залучення положень теорії ентропійного та фрактального аналізу; 3) розвиток теорії моментних перетворень та теорії мартингалів, та створення на його основі ефективних алгоритмів і систем керування. У другому розділі проведено математичне моделювання структури потоку первинної енергії. Показано, що на основі врахування аналогу принципу невизначеності Гейзенберга для ефективного керування локальною системою електроживлення необхідно мати два канали керування: за базовим інтервалом для забезпечення необхідного рівня енергії для заряду накопичувача та за мінімальною тривалістю інтервалу спостереження для забезпечення необхідного рівня максимально можливої енергії, що отримується від відновлюваних джерел. Показано, що при випадковому характері підключення навантаження або зміни потужності джерела енергії на інтервалі спостереження флуктуації електромагнітних процесів у локальній системі електроживлення відповідають Вінеровському процесу, що переводить систему до режиму нестійкої роботи. Для підтримання стійкої роботи таких систем необхідно мати деякий заздалегідь відомий додатковий запас величини енергії, що визначається відповідно до закону повторного логарифму, і використовується при підключенні навантаження або зміні потужності вхідного джерела енергії. Обґрунтовано застосування інтегральних оцінок зміни параметрів системи, що не потребують значної кількості обчислень для зниження розмірності простору даних зі збереженням корисної інформації про систему. Однією з таких інтегральних оцінок потужності сонячного випромінювання на поверхні сонячних батарей є віртуальна щільність хмарного покриву, що розраховується на основі методу зворотного перетворення та перетворення Фур’є. Крім того, параметри потоків первинної енергії, такі як інтенсивність випромінювання та швидкість вітру, можна визначати опосередковано на основі супровідних даних про температуру повітря, тиск та вологість, за допомогою кореляційного аналізу. Показано, що врахування фрактальної природи процесів генерації та споживання енергії дозволяє підвищити точність прогнозування потужності у локальних системах електроживлення. Третій розділ присвячений особливостям керування перетворювачами на основі розрахунку ентропійної дивергенції. Показано, що реалізація прогнозного керування локальною системою електроживлення з використанням першої вибіркової ентропії, як інтегральної характеристики стану системи, дозволяє оцінювати та порівнювати випадкові процеси генерації, споживання та накопичення енергії, не знаходячи законів їх розподілу. Наведено формули теорії моментів для побудови відновлюючого та прогнозуючого поліному, які дозволяють з похибкою, що не перевищує 23% виконувати прогнозування часового розподілу ентропії Шеннона для потужності споживання. Підвищення точності прогнозування на 11% досягається шляхом врахування фрактальної природи процесу споживання енергії та використання при розрахунках ентропії Реньї. Для прогнозування потужності на виході сонячних батарей запропоновано новий метод об’єднання найближчих сусідів та кластеризації k-середніх, який дозволяє досягти більшої точності порівняно з класичним методом найближчих сусідів, і в середньому на 25% зменшити похибку прогнозування. Запропоновано спосіб керування зарядно-розрядним пристроєм накопичувача на основі використання функції ентропійної дивергенції, який дозволив на 3% підвищити ефективність використання накопичувача за рахунок зменшення тривалостей інтервалів часу, коли накопичувач повністю заряджений та повністю розряджений. У четвертому розділі проаналізовано вплив подвійної структури потоків енергії генерації та споживання на розрахунок ентропійної дивергенції. Показано, що застосування додаткового накопичувача, який забезпечує детерміноване значення енергії споживання, зменшує величину довірчого інтервалу та дозволяє підвищити мінімальну необхідну енергію заряду, що дозволяє обирати меншу ємність основного накопичувача. Врахування статистичної залежності функцій зміни енергії на виході відновлюваного джерела енергії та навантаження вказує на необхідність використання для розрахунку ентропійної дивергенції, замість ентропії Больцмана чи Шеннона, умовної ентропії для поточних розподілів потоків енергії генерації та споживання. Показано, що для забезпечення ефективної роботи накопичувача, в якому ширина зона керованої роботи визначається величиною похибки прогнозування швидкості вітру, необхідно отримувати дані з меншою дискретністю та обирати метод прогнозування швидкості вітру, що забезпечує мінімальну похибку прогнозування. Наведено формули для розрахунку імовірностей перезаряду та надмірного розряду накопичувача з використанням теорії мартингалів, що дозволяють для формування сигналів керування при розрахунку ентропійної дивергенції враховувати ентропії перезаряду та надмірного розряду накопичувача. У п’ятому розділі описано новий спосіб керування зарядно-розрядним пристроєм накопичувача електроенергії у локальній системі електроживлення, заснований на визначенні різниці ентропійних дивергенцій зі сторони джерела та навантаження, що дозволяє зменшити тривалості інтервалів часу, коли накопичувач є некерованим. Сигнал керування ключем, що комутує накопичувач, формується відповідно до алгебраїчної різниці між значеннями ентропійної дивергенції потоку енергії на виході відновлюваного джерела та значеннями ентропійної дивергенції потоку енергії, що споживає навантаження. Якщо значення ентропійної дивергенції джерела перевищує значення ентропійної дивергенції навантаження, накопичувач заряджається, виступаючи в ролі додаткового навантаження. Якщо значення ентропійної дивергенції джерела менше за значення ентропійної дивергенції навантаження, накопичувач розряджається, виступаючи в ролі додаткового джерела. У випадку, коли ключ завжди замкнутий, накопичувач завжди підключений до системи, і працює у буферному режимі, забезпечуючи роботу відновлюваного джерела енергії в режимі відбору максимальної енергії. У випадку, коли ключ завжди розімкнутий, накопичувач відключений від системи. Для реалізації вказаних особливостей керування розроблено програмне забезпечення, що дозволяє реалізовувати прогнозне керування локальною системою електроживлення на основі розрахунку ентропійної дивергенції. Шостий розділ містить інформацію щодо особливостей керування процесами генерації, накопичення та споживання енергії у локальних системах електроживлення. Врахування аналогу принципу невизначеності Гейзенберга, принципу синергетичного розвитку та когнітивності керування вказує на необхідність створення нового найвищого рівня ієрархії керування, який реалізує принцип преемптивного керування, який реалізує випереджуючим чином усунення загрози руйнування системи і локалізацію технічних об’єктів, що породжують загрозу, тобто відбувається перезавантаження системи після деякого часу тривалої роботи, під час якої реалізується прогнозне контекстнозалежне керування системою. Показано, що інтеграція в контекст інформації, що надходить від різнотипних відновлюваних джерел енергії, накопичувачів та споживачів, дозволяє отримати модель поточного стану реальної локальної системи електроживлення, на підставі якої системою керування може бути згенеровано необхідне керуюче рішення для перетворювачів параметрів електричної енергії з множини можливих рішень. У роботі вирішена наукова технічна проблема підвищення ефективності використання енергії у локальних системах електроживлення з установками на основі відновлюваних джерел енергії за рахунок розробки теоретичних засад керування напівпровідниковими перетворювачами, заснованих на аналогові принципу невизначеності Гейзенберга, ентропійному аналізі потоків енергії генерації та споживання з врахуванням їх подвійної структури та фрактальної природи. Уперше розроблено спосіб керування зарядно-розрядним пристроєм накопичувача на основі визначення різниці ентропійних дивергенцій потоків енергії на виході установки на основі відновлюваного джерела енергії та навантаження, що дозволяє зменшити тривалості інтервалів часу, коли накопичувач є некерованим: повністю зарядженим або повністю розрядженим. Результати роботи впроваджено: при вдосконаленні програми прогнозування генерації електричної енергії сонячними фотоелектричними станціями ТОВ «Пролог Соларінвест», ТОВ «Енерджилайн» та ТОВ «Енрегосервісплюс»; для створення методик і рекомендацій щодо підвищення ефективності використання електроенергії в системах з установками на основі відновлюваних джерел енергії громадською організацією «Асоціація науковців України»; в учбовий процес в Національному технічному університеті України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» при викладанні дисциплін «Теорія інформації», «Пристрої перетворювальної техніки», «Електронні системи керування та регулювання».
Опис
Ключові слова
аналог принципу невизначеності Гейзенберга, Вінеровський процес, ентропійний аналіз, локальні системи електроживлення, перетворювачі електроенергії, фрактальний аналіз, entropy analysis, fractal analysis, Heisenberg uncertainty principle, local power supply systems, semiconductor power converters, Wiener process
Бібліографічний опис
Клен, К. С. Теоретичні засади побудови систем керування перетворювачами на базі ентропійної дивергенції : дис. … д-ра техн. наук : 05.09.12 – Напівпровідникові перетворювачі електроенергії / Клен Катерина Сергіївна. – Київ, 2025. – 395 с.