Оцінювання узгодженості режимів мікромереж з локальною генерацією електричної енергії

Скорочена інформація про документ
dc.contributor.advisorБориченко, Олена Володимирівна
dc.contributor.advisorКалінчик, Василь Прокопович
dc.contributor.authorГілевич, Катерина Миколаївна
dc.date.accessioned2026-07-07T13:39:27Z
dc.date.available2026-07-07T13:39:27Z
dc.date.issued2026
dc.description.abstractГілевич К.М. Оцінювання узгодженості режимів мікромереж з локальною генерацією електричної енергії. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії у галузі знань 14 Електрична інженерія за спеціальністю 141 Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка. Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2026. Сучасний розвиток електроенергетики характеризується активним залученням відновлюваних джерел енергії, впровадженням цифрових технологій керування та розвитком децентралізованих енергетичних систем. Зростання частки розосереджених джерел генерації, таких як сонячні та вітрові електростанції, установки зберігання електроенергії та інші гнучкі енергетичні ресурси, зумовлює суттєві зміни у структурі електроенергетичних систем та принципів їх функціонування. Особливої актуальності ці процеси набувають у межах концепції розвитку мікромереж, які розглядаються як важливий елемент забезпечення енергетичної стійкості, підвищення надійності електропостачання та ефективного використання локальних енергетичних ресурсів. У межах європейського енергетичного переходу, визначеного пакетом законодавчих ініціатив «Чиста енергія для всіх європейців» та директивою RED II, суттєво зростає роль активних споживачів, локальних енергетичних спільнот і механізмів гнучкого балансування попиту та пропозиції електроенергії. Внаслідок цього традиційна централізована модель функціонування електроенергетичних систем поступово трансформується у більш децентралізовану структуру, у якій значна частина генерації та керування режимами здійснюється на локальному рівні. Такі зміни супроводжуються зростанням кількості змін режимів роботи системи та підвищенням динамічності процесів, що необхідно враховувати при формуванні умов балансування електроспоживання та генерування електричної енергії. В період активного розвитку мікромереж особливої важливості набуває питання забезпечення узгодженості режимів роботи їх основних елементів – джерел локальної генерації, установок зберігання електроенергії та споживачів. Наявність нестабільної генерації від відновлюваних джерел енергії, нерівномірного електроспоживання та широкого використання силових електронних перетворювачів призводить до виникнення значної кількості перехідних режимів, що можуть супроводжуватися зміною співвідношень між напругою та струмом, появою додаткових реактивних складових та зміною напрямків потоків потужності у мережі. Разом із тим існуючі підходи до аналізу режимів роботи електроенергетичних систем здебільшого ґрунтуються на оцінюванні окремих електромагнітних параметрів лише у фіксованих часових перерізах. Такі підходи дозволяють оцінювати значення напруги, струму, потужності або показників якості електроенергії у певний момент часу, проте не враховують структурних відмінностей між різними режимами функціонування системи та характеру їх змін у часі. У результаті цього ускладнюється можливість своєчасного виявлення зниження узгодженості режимів, що виникають у процесі переходів між різними станами роботи мікромережі. Особливої актуальності ця проблема набуває для низьковольтних мікромереж з локальною генерацією, де зміни режимів можуть відбуватися з високою частотою внаслідок коливань генерації від відновлюваних джерел енергії, зміни навантаження або режимів роботи систем накопичення електроенергії. За таких умов виникає необхідність розроблення нових підходів до аналізу режимів, які дозволяють враховувати не лише значення окремих їх параметрів але й взаємозв’язок та динаміку змін між ними на послідовних часових інтервалах. Дисертаційна робота спрямована на розв’язання науково-прикладної задачі розроблення підходу до оцінювання узгодженості режимів роботи мікромережі в умовах нестабільної генерації та нерівномірного споживання електричної енергії. Основною ідеєю дослідження є використання структурного аналізу динамічних змін електромагнітних параметрів мережі для кількісного опису відмінностей між характерними режимами функціонування мікромережі. Для досягнення поставленої мети у роботі сформовано узагальнену математичну модель динаміки процесів формування режимів роботи мікромережі, яка ґрунтується на аналізі змін напруги та струму на послідовних часових інтервалах. Такий підхід дозволяє описувати структуру режимів функціонування системи через нормовані відхилення основних електромагнітних параметрів та встановлювати взаємозв’язки між ними. У межах запропонованої моделі визначено інтегральний показник структурних відхилень зазначених режимів, що дозволяє кількісно характеризувати ступінь їх узгодженості. Наукова новизна отриманих результатів полягає у розробці принципово нового інтегрального показника структурних відхилень режимів мікромережі, пов’язаних з високим рівнем нестабільності генерування та споживання електричної енергії, який, на відміну від традиційних, враховує не лише величину окремих відхилень електромагнітних параметрів, а й взаємозв’язок та динаміку переходів між окремими режимами. Такий підхід дозволяє більш повно описувати перехідні процеси формування режимів роботи мікромережі та виявляти характерні особливості їх змін у часі. Показано, що підвищені значення інтегрального показника структурних відхилень відповідають умовам, для яких характерні інтенсивні перехідні процеси, значні зміни співвідношень між напругою та струмом, поява додаткових реактивних складових та зміна напрямків потоків потужності у мережі. Це дозволяє використовувати запропонований показник як індикатор виникнення потенційно проблемних режимів функціонування мікромережі. У межах дослідження здійснено алгоритмічну та програмну реалізацію запропонованого підходу у програмних середовищах Python та Excel. Це дозволило виконати чисельне моделювання режимів роботи мікромережі й динаміки їх змін та провести порівняльний аналіз різних форм представлення інтегрального показника при структурних відхилень. Зокрема, було досліджено лінійну та квадратичну форми подання показника, що відрізняються рівнем чутливості до змін режимних параметрів. Встановлено, що лінійна форма інтегрального показника є зручною для загальної інженерної оцінки режимних відхилень та дозволяє швидко ідентифікувати періоди найбільшої зміни режимних параметрів. У свою чергу квадратична форма показника забезпечує підвищену чутливість до критичних режимів функціонування системи та дозволяє більш чітко виявляти потенційно проблемні сценарії роботи мікромережі. Практичне значення отриманих результатів полягає у можливості застосування запропонованого аналітичного підходу для аналізу режимів роботи мікромереж із локальною генерацією. Зокрема, використання інтегрального показника узгодженості режимів дозволяє ідентифікувати проблемні часові інтервали у добовому профілі роботи мікромережі, що може бути використано для обґрунтування керуючих дій щодо оптимізації режимів роботи установок зберігання електроенергії та вибору стратегій керування джерелами з інверторним інтерфейсом з метою запобігання виникненню небажаних збурень. Отримані результати можуть бути у подальшому використані при вирішенні широкого кола завдань, пов’язаних із дослідженням та оптимізацією стаціонарних і перехідних режимів функціонування мікромереж, розробленням алгоритмів керування локальними енергетичними ресурсами та підвищенням загальної ефективності процесів забезпечення споживачів електричною енергією.
dc.description.abstractotherHilevych K.M. Evaluation of operating mode coordination of microgrids with local electrical energy generation. – Qualification scientific work as a manuscript. Dissertation submitted for the degree of Doctor of Philosophy (PhD) in the field of knowledge 14 Electrical Engineering, specialty 141 Electric Power Engineering, Electrical Engineering and Electromechanics. National Technical University of Ukraine “Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute”, Kyiv, 2026. The modern development of the electric power industry is characterized by the active integration of renewable energy sources, the implementation of digital control technologies, and the advancement of decentralized energy systems. The increasing share of distributed generation sources, such as solar and wind power plants, energy storage systems, and other flexible energy resources, leads to significant changes in the structure of electric power systems and the principles of their operation. These processes become particularly relevant within the framework of microgrid development, which is considered a key element in ensuring energy resilience, improving power supply reliability, and enabling efficient utilization of local energy resources. Within the European energy transition, defined by the legislative package “Clean Energy for All Europeans” and the RED II Directive, the role of active consumers, local energy communities, and flexible demand–supply balancing mechanisms is significantly increasing. As a result, the traditional centralized model of electric power system operation is gradually transforming into a more decentralized structure, where a substantial portion of generation and operational control is performed at the local level. These transformations are accompanied by an increasing number of operating mode changes and higher process dynamics, which must be taken into account when forming conditions for balancing electricity consumption and generation. During the active development of microgrids, ensuring the coordination of operating modes of their main elements local generation sources, energy storage systems, and consumers becomes particularly important. The presence of unstable generation from renewable energy sources, uneven electricity consumption, and the widespread use of power electronic converters leads to a significant number of transient modes, which may be accompanied by changes in the relationship between voltage and current, the appearance of additional reactive components, and changes in power flow directions within the network. At the same time, existing approaches to analyzing operating conditions of electric power systems are predominantly based on the evaluation of individual electromagnetic parameters at fixed time instants. Such approaches make it possible to assess voltage, current, power, or power quality indicators at a specific moment in time; however, they do not account for structural differences between various operating modes and the nature of their temporal evolution. As a result, the timely detection of a decrease in the consistency of operating modes occurring during transitions between different states of microgrid operation becomes significantly more difficult. This issue is particularly critical for low-voltage microgrids with local generation, where operating mode changes may occur at high frequency due to fluctuations in renewable generation, load variations, or changes in the operating modes of energy storage systems. Under such conditions, there is a need to develop new approaches to operating mode analysis that consider not only the values of individual parameters but also their interrelationships and the dynamics of their variation over successive time intervals. The dissertation is aimed at solving a scientific and applied problem of developing an approach for evaluating the consistency of microgrid operating modes under conditions of unstable generation and non-uniform electricity consumption. The main idea of the study is to apply structural analysis of dynamic changes in the electromagnetic parameters of the network to quantitatively describe differences between characteristic operating modes of the microgrid. To achieve this goal, a generalized mathematical model of the dynamics of microgrid operating mode formation processes has been developed. This model is based on the analysis of voltage and current variations over successive time intervals. Such an approach enables the description of the structure of system operating modes through normalized deviations of key electromagnetic parameters and the establishment of relationships between them. Within the framework of the proposed model, an integral indicator of structural deviations of operating modes has been defined, which allows a quantitative characterization of their degree of consistency. The scientific novelty of the obtained results lies in the development of a fundamentally new integral indicator of structural deviations of microgrid operating modes associated with a high level of variability in generation and consumption. In contrast to traditional approaches, the proposed indicator accounts not only for the magnitude of individual deviations of electromagnetic parameters but also for their interrelationships and the dynamics of transitions between operating modes. This approach enables a more comprehensive description of transient processes involved in the formation of microgrid operating modes and allows the identification of characteristic features of their temporal evolution. It has been demonstrated that increased values of the integral indicator of structural deviations correspond to conditions characterized by intensive transient processes, significant changes in the voltage–current relationship, the appearance of additional reactive components, and variations in power flow directions within the network. This makes it possible to use the proposed indicator as an indicator of the occurrence of potentially problematic operating modes of a microgrid. Within the study, the proposed approach has been implemented algorithmically and programmatically in Python and Excel environments. This enabled numerical simulation of microgrid operating modes and their dynamic behavior, as well as a comparative analysis of different forms of representation of the integral indicator of structural deviations. In particular, linear and quadratic forms of the indicator were investigated, differing in their sensitivity to changes in operating parameters. It has been established that the linear form of the integral indicator is convenient for general engineering assessment of operating deviations and allows rapid identification of periods with the most significant changes in operating parameters. In turn, the quadratic form provides increased sensitivity to critical operating conditions and enables more accurate detection of potentially problematic microgrid operating scenarios. The practical significance of the obtained results lies in the possibility of applying the proposed analytical approach to the analysis of operating modes of microgrids with local generation. In particular, the use of the integral indicator of operating mode consistency makes it possible to identify problematic time intervals in the daily operating profile of a microgrid. This can be used to justify control actions aimed at optimizing the operating modes of energy storage systems and selecting control strategies for inverter-interfaced sources in order to prevent undesirable disturbances. The obtained results can be further applied to a wide range of tasks related to the analysis and optimization of steady-state and transient operating modes of microgrids, the development of control algorithms for local energy resources, and the improvement of overall efficiency of electricity supply processes.
dc.format.extent178 с.
dc.identifier.citationГілевич, К. М. Оцінювання узгодженості режимів мікромереж з локальною генерацією електричної енергії : дис. … д-ра філософії : 141 Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка / Гілевич Катерина Миколаївна. – Київ, 2026. – 178 с.
dc.identifier.urihttps://ela.kpi.ua/handle/123456789/82154
dc.language.isouk
dc.publisherКПІ ім. Ігоря Сікорського
dc.publisher.placeКиїв
dc.subjectмікромережа
dc.subjectустановки зберігання енергії
dc.subjectузгодженість режимів
dc.subjectпоказники динаміки зміни режимів
dc.subjectінтегральний показник
dc.subjectенергетичні спільноти
dc.subjectзмінна генерація
dc.subjectнерівномірне електроспоживання
dc.subjectякість електричної енергії
dc.subjectвідновлювані джерела енергії
dc.subjectвтрати енергії
dc.subjectmicrogrid
dc.subjectenergy storage systems
dc.subjectoperating mode consistency
dc.subjectindicators of operating mode dynamics
dc.subjectintegral indicator
dc.subjectenergy communities
dc.subjectvariable generation
dc.subjectnon-uniform electricity consumption
dc.subjectpower quality
dc.subjectrenewable energy sources
dc.subjectenergy losses
dc.subject.udc621.314
dc.titleОцінювання узгодженості режимів мікромереж з локальною генерацією електричної енергії
dc.title.alternativeEvaluation of operating mode coordination of microgrids with local electrical energy generation
dc.typeThesis Doctoral

Файли

Контейнер файлів
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз
Назва:
Hilevych_dys.pdf
Розмір:
3.8 MB
Формат:
Adobe Portable Document Format
Завантажити
Ліцензійна угода
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
Назва:
license.txt
Розмір:
8.98 KB
Формат:
Item-specific license agreed upon to submission
Опис:
Завантажити

Зібрання

Дисертації (ЕП)
Дисертації (вільний доступ)