Теоретичні засади побудови систем керування перетворювачами на базі ентропійної дивергенції
| dc.contributor.author | Клен, Катерина Сергіївна | |
| dc.date.accessioned | 2025-05-02T12:30:02Z | |
| dc.date.available | 2025-05-02T12:30:02Z | |
| dc.date.issued | 2025 | |
| dc.description.abstract | 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». | |
| dc.description.abstractother | Klen K.S. Theoretical principles of construction of converter control systems based on entropy divergence. – Manuscript. The dissertation of doctor of technical sciences on a specialty 05.09.12 “Semiconductor power converters”. – National Technical University of Ukraine “Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute”, Kyiv, 2025. In the dissertation work, the theory of semiconductor power converters control, which are an integral part of modern local power supply systems, is further developed. The theory is built on the basis of the application of the Heisenberg uncertainty principle, the calculation of entropy divergence and taking into account the characteristics of energy generation and consumption flows. It has been proven that taking into account the specified features when building converter control systems allows to increase the overall efficiency of local power supply systems. The obtained results as a whole are a theoretical generalization and a new solution to an important scientific and applied problem of increasing the efficiency of primary flow energy use in local power supply systems with semiconductor power converters. The first chapter analyzes the conditions for increasing the efficiency of electricity use in local power supply systems with installations based on renewable energy sources by means of converter technology. It is shown that in order to increase efficiency, it is necessary to implement intelligent mechanisms for managing distributed energy resources and their system integration using electric energy storage, which will reduce the share of unregulated load in the system. At the same time, an important task is the implementation of control of semiconductor converters in local power supply systems with installations based on renewable energy sources and storage devices, taking into account the significant size of the data space, the heterogeneity of their flows, as well as ensuring the guaranteed power supply of the load during a predetermined time interval. It is shown that the implementation of effective control of converters in local power supply system’s necessitates the creation of an appropriate mathematical basis, which includes: 1) application of Heisenberg uncertainty principle's analogue; 2) involving the provisions of the theory of entropy and fractal analysis; 3) the development of the theory of moment transformations and the theory of martingales, and the creation of effective algorithms and control systems based on it. In the second chapter, mathematical modeling of the primary energy flow structure is carried out. It is shown that, on the basis of taking into account the Heisenberg uncertainty principle's analogue, for effective control of the local power supply system, it is necessary to have two control channels: for the basic interval to ensure the necessary level of energy for the battery charge and for the minimum duration of the observation interval to ensure the necessary level of the maximum possible energy obtained from renewable sources. It has been shown that with the random nature of the load connection or power source power change during the observation interval, the fluctuations of electromagnetic processes in the local power supply system correspond to the Wiener process, which brings the system to the mode of unstable operation. To maintain the stable operation of such systems, it is necessary to have some previously known additional reserve of the amount of energy, which is determined according to the law of the repeated logarithm, and is used when connecting the load or changing the power of the input energy source. The use of integral estimates of changes in system parameters, which do not require a significant number of calculations to reduce the dimensionality of the data space while preserving useful information about the system, is substantiated. One such integral estimate of solar radiation power on the surface of solar panels is the virtual density of cloud cover, which is calculated based on the inverse and Fourier transform methods. In addition, parameters of primary energy fluxes, such as radiation intensity and wind speed, can be determined indirectly from the accompanying data on air temperature, pressure and humidity, using correlation analysis. It is shown that taking into account the fractal nature of energy generation and consumption processes allows to increase the accuracy of power forecasting in local power supply systems. The third chapter is devoted to the features of converter control based on entropy divergence calculation. It is shown that the implementation of predictive control of the distributed generation system using the first sample entropy as an integral characteristic of the system state allows to evaluate and compare the random processes of energy generation, consumption and storage without finding the laws of their distribution. Formulas of the theory of moments for the construction of the restoring and forecasting polynomial are given, which allow with an error not exceeding 23% to forecast the time distribution of the Shannon entropy for the consumption power. An 11% increase in forecasting accuracy is achieved by taking into account the fractal nature of the energy consumption process and using it in the Renyi entropy calculations. For forecasting the output power of solar panels, a new method of combining nearest neighbors and k-means clustering is proposed, which allows to achieve greater accuracy compared to the classical method of nearest neighbors, and to reduce the prediction error by 25% on average. Control method for the charge-discharge device of the storage device based on the use of the entropy divergence function is proposed, which allowed to increase the efficiency of the use of the storage device by 3% due to the reduction of the time intervals when the storage device is fully charged and fully discharged. In the fourth chapter, the influence of the dual structure of energy flows of generation and consumption on the calculation of entropy divergence is analyzed. It is shown that the use of an additional storage device, which provides a deterministic value of energy consumption, reduces the value of the confidence interval and allows to increase the minimum necessary charge energy, which allows choosing a smaller capacity of the main storage device. Taking into account the statistical dependence of the energy change functions at the output of the renewable energy source and the load indicates the need to use for the calculation of entropy divergence, instead of Boltzmann or Shannon entropy, conditional entropy for the current distributions of energy flows of generation and consumption. It is shown that in order to ensure the efficient operation of the accumulator, in which the width of the zone of controlled operation is determined by the magnitude of the wind speed forecasting error, it is necessary to obtain data with a lower discreteness and choose a wind speed forecasting method that provides a minimum forecasting error. Formulas for calculating the probabilities of overcharging and excessive discharge of the storage device using the theory of martingales are presented, which allow for the formation of control signals when calculating the entropy divergence to take into account the entropies of overcharging and excessive discharge of the storage device. The fifth chapter describes a new way of controlling the charge-discharge device of the electricity storage in the local power supply system, based on the determination of the difference in entropy divergences from the source and load side, which allows to reduce the duration of the time intervals when the storage is uncontrolled. The key control signal that switches the storage is formed according to the algebraic difference between the values of the entropy divergence of the energy flow at the output of the renewable source and the values of the entropy divergence of the energy flow consuming the load. If the value of the entropy divergence of the source exceeds the value of the entropy divergence of the load, the accumulator is charged, acting as an additional load. If the value of the entropy divergence of the source is less than the value of the entropy divergence of the load, the accumulator is discharged, acting as an additional source. In the event that the key is always closed, the storage device is always connected to the system, and works in buffer mode, ensuring the operation of the renewable energy source in the mode of maximum energy extraction. If the key is always unlocked, the drive is disconnected from the system. To implement the specified control features, software was developed that allows you to implement predictive control of the local power supply system based on entropy divergence calculation. The sixth chapter contains information on the features of managing the processes of generation, storage and consumption of energy in local power supply systems. Taking into account the Heisenberg uncertainty principle's analogue, principle of synergistic development and cognitive control indicates the need to create a new highest level of the control hierarchy, which implements the principle of preemptive control, which implements in an anticipatory manner the elimination of the threat of system destruction and the localization of technical objects that generate the threat, that is, the system is restarted after some time of long work, during which predictive context-dependent control of the system is implemented. It is shown that integration into the context of information coming from various types of renewable energy sources, accumulators and consumers allows to obtain a model of the current state of a real local power supply system, on the basis of which the control system can generate the necessary control solution for converters of electric energy parameters from a set of possible solutions. The manuscript solves the scientific and technical problem of increasing the efficiency of the use of primary flow energy in local power supply systems based on the construction of a theory of control of semiconductor converters based on the Heisenberg uncertainty principle, entropy analysis of primary energy flows and consumption energy, taking into account their dual structure and fractal nature. For the first time, a method of controlling the charging-discharging device of the storage device has been developed based on the determination of the difference in entropy divergences of the energy flows at the output of the renewable energy source and the load, which allows to reduce the duration of time intervals when the storage device is uncontrolled: fully charged or fully discharged. The results of the work were implemented: when improving the program for forecasting the generation of electrical energy by solar photovoltaic stations of Prolog Solarinvest LLC and Energyline LLC; to create methods and recommendations for increasing the efficiency of electricity use in systems with renewable energy sources by the public organization «Association of Scientists of Ukraine»; in the educational process at the National Technical University of Ukraine “Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute” while teaching the disciplines “Theory of Information”, “Power Converters”, “Electronic systems for operation and control”. | |
| dc.format.extent | 395 с. | |
| dc.identifier.citation | 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. | |
| dc.identifier.uri | https://ela.kpi.ua/handle/123456789/73648 | |
| dc.language.iso | uk | |
| dc.publisher | КПІ ім. Ігоря Сікорського | |
| dc.publisher.place | Київ | |
| dc.subject | аналог принципу невизначеності Гейзенберга | |
| dc.subject | Вінеровський процес | |
| dc.subject | ентропійний аналіз | |
| dc.subject | локальні системи електроживлення | |
| dc.subject | перетворювачі електроенергії | |
| dc.subject | фрактальний аналіз | |
| dc.subject | entropy analysis | |
| dc.subject | fractal analysis | |
| dc.subject | Heisenberg uncertainty principle | |
| dc.subject | local power supply systems | |
| dc.subject | semiconductor power converters | |
| dc.subject | Wiener process | |
| dc.subject.udc | 621.314 | |
| dc.title | Теоретичні засади побудови систем керування перетворювачами на базі ентропійної дивергенції | |
| dc.type | Thesis Doctoral |
Файли
Контейнер файлів
1 - 1 з 1
Ліцензійна угода
1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
- Назва:
- license.txt
- Розмір:
- 8.98 KB
- Формат:
- Item-specific license agreed upon to submission
- Опис: