Підвищення енергоефективності та надійності гібридної фотоелектричної насосної системи з використанням методів інтелектуального керування
Вантажиться...
Дата
2026
Автори
Науковий керівник
Назва журналу
Номер ISSN
Назва тому
Видавець
КПІ ім. Ігоря Сікорського
Анотація
Боднарук О.Ю. Підвищення енергоефективності та надійності гібридної фотоелектричної насосної системи з використанням методів інтелектуального керування. - Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 141 «Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка» (14 - Електрична інженерія). - Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського”, Київ, 2026. В сучасних умовах функціонування об’єднаної енергетичної системи України, що характеризуються дефіцитом генеруючих потужностей, руйнуванням розподільчих мереж та застосуванням графіків аварійних відключень, питання забезпечення енергетичної автономності об’єктів критичної інфраструктури набуває статусу стратегічного пріоритету національної безпеки. Особливу гостроту ця проблема має для сектору житлово-комунального господарства, зокрема систем централізованого водопостачання багатоповерхових будівель, де перерви в електропостачанні призводять не лише до погіршення якості життя населення, але й до ризиків виникнення техногенних аварій в інженерних мережах. Дисертаційне дослідження акцентує увагу на актуальному науково-прикладному виклику – підвищенні енергоефективності, автономності та експлуатаційної надійності гібридних фотоелектричних насосних систем. Такі системи розглядаються як найбільш перспективне рішення для децентралізації енергозабезпечення, оскільки вони дозволяють інтегрувати відновлювані джерела енергії, установки зберігання та зовнішню мережу в єдиний енергетичний вузол. Однак, просте поєднання цих компонентів не гарантує ефективної роботи без застосування спеціалізованих алгоритмів керування. Робота спрямована на вирішення фундаментального науково-технічного протиріччя, яке виникає при спробі живити відповідне електромеханічне навантаження від нестабільних природних джерел. З одного боку, генерація фотоелектричних станцій має яскраво виражений стохастичний характер, що залежить від непередбачуваних погодних умов, часу доби та сезонності. Швидкі зміни рівня інсоляції викликають флуктуації вихідної напруги та потужності, що є неприпустимим для прямого живлення промислових електроприводів. З іншого боку, насосні агрегати як об’єкти керування висувають жорсткі вимоги до стабільності параметрів електроживлення. Технологічний процес водопостачання вимагає підтримання постійного тиску в магістралі, що досягається точним регулюванням швидкості обертання двигунів. Будь-які провали напруги, викликані «хмарністю» або відключенням мережі, можуть призвести до зриву напору, гідравлічних ударів, аварійної зупинки інверторів або навіть пошкодження обладнання внаслідок виникнення перехідних струмів комутації. Особливу складність становить режим каскадного керування, коли підключення додаткових потужних насосних агрегатів супроводжується значними пусковими струмами. В умовах обмеженої потужності автономного джерела це може призвести до колапсу напруги в шині постійного струму. Класичні детерміновані системи керування не здатні ефективно компенсувати такі динамічні збурення в реальному часі. Таким чином, виникає необхідність у розробці комплексної багаторівневої системи інтелектуального керування, яка б забезпечувала синергію між усіма елементами гібридної установки. Вона повинна одночасно вирішувати задачі максимізації відбору енергії від сонця (незалежно від його активності), миттєвого балансування потужності за рахунок накопичувача енергії та адаптивного керування навантаженням для стабілізації технологічного процесу. Вирішення цього комплексу задач дозволить перетворити насосну станцію з пасивного споживача енергії на активний, енергоефективний та стійкий до зовнішніх збурень об'єкт. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел (60 найменувань) та 4 додатків. Загальний обсяг роботи — 149 сторінок. Основний зміст викладено на 111 сторінках, робота містить 49 рисунків і 7 таблиць. Для підвищення енергетичної ефективності та експлуатаційної надійності автономних систем водопостачання в роботі розроблено та досліджено комплекс методів багаторівневого інтелектуального керування. Структура системи керування декомпозована на три функціональні рівні. На нижньому рівні, що відповідає за максимізацію видобутку енергії від фотоелектричного масиву, проведено порівняльний аналіз класичних алгоритмів відстеження точки максимальної потужності (MPPT) - Perturb & Observe (P&O) та Incremental Conductance (INC), а також методів на основі штучного інтелекту (Artificial Neural Network - ANN). Для усунення недоліків класичних підходів, таких як втрата орієнтації при швидкій зміні інсоляції та автоколивання в усталеному режимі, запропоновано та реалізовано модифікований алгоритм інкрементної провідності, адаптований до динаміки підвищувального перетворювача (Boost Converter). На середньому рівні реалізовано децентралізовану стратегію керування потоками потужності для установок зберігання енергії. Розроблено алгоритм керування двонаправленим перетворювачем, який базується на зонному регулюванні напруги шини DC. Це забезпечує автоматичне балансування системи: рекуперацію надлишкової енергії в режимі заряду та миттєву компенсацію дефіциту потужності в режимі розряду. На верхньому рівні, що відповідає за стабілізацію технологічного параметра (тиску), синтезовано астатичний нечіткий регулятор. Цей регулятор, на відміну від класичного ПІД-закону, забезпечує аперіодичний характер перехідних процесів, мінімізуючи перепади тиску та гідравлічні удари при каскадній комутації насосних агрегатів. Комплексне імітаційне моделювання в середовищі MATLAB/Simulink підтвердило, що запропонований підхід забезпечує гарантоване та якісне енергопостачання критичних навантажень навіть в умовах аварійного знеструмлення мережі та стохастичної генерації. У першому розділі проведено комплексний аналіз проблеми підвищення ефективності та надійності гібридних фотоелектричних насосних систем. Обґрунтовано актуальність дослідження в контексті забезпечення енергетичної безпеки об'єктів критичної інфраструктури України. Систематизовано ключові фактори, що впливають на продуктивність таких систем, та проаналізовано сучасні архітектури, на основі чого обґрунтовано вибір топології зі спільною шиною постійного струму у конфігурації ФЕС–УЗЕ–Мережа. Виконано критичний огляд існуючих методів керування, який виявив суттєві недоліки класичних алгоритмів MPPT (низька швидкодія P&O) та ПІД-регуляторів тиску (нездатність компенсувати збурення від пуску двигунів). За результатами аналізу виявлено наукове протиріччя між потребою у надійних автономних системах та обмеженнями існуючих методів керування, що дозволило сформулювати мету та завдання дослідження, спрямовані на розробку комплексної багаторівневої системи керування. У другому розділі описано розробку комплексної математичної та імітаційної моделі гібридної енергетичної системи, яка є основним інструментом досліджень. Наведено математичний опис ключових компонентів: нелінійної моделі фотоелектричного масиву, електрохімічної моделі акумуляторної батареї та електромеханічної моделі насосних агрегатів. Представлено реалізацію моделі в середовищі MATLAB/Simulink із використанням дискретного вирішувача, що дозволяє досліджувати як швидкі електромагнітні процеси в силових перетворювачах, так і повільні процеси енергетичного балансу. Обґрунтовано вибір тестових сценаріїв, що включають роботу за реальними профілями інсоляції та імітацію аварійних режимів (блекауту). У третьому розділі проведено дослідження та розробку методів керування нижнього ієрархічного рівня (генерація та накопичення). На основі детального моделювання виконано порівняльний аналіз динамічної ефективності алгоритмів MPPT. Кількісно доведено переваги методу Incremental Conductance (INC) над Perturb & Observe (P&O) та методами на базі нейромереж (ANN) за показниками точності та стабільності. Запропоновано модифікацію методу INC з інверсною логікою керування та фільтрацією шумів, що дозволило підвищити ефективність відбору енергії в динамічних режимах. Також у цьому розділі розроблено алгоритм керування системою накопичення енергії (BESS), який забезпечує підтримку напруги шини DC та компенсацію пікових навантажень. У четвертому розділі розроблено та досліджено систему керування верхнього рівня, відповідальну за стабілізацію тиску води. На основі математичного опису динаміки насосної станції синтезовано астатичний нечіткий регулятор, спрямований на усунення гідравлічних ударів при підключенні додаткових агрегатів. Результати комплексного моделювання роботи системи (включаючи сценарій знеструмлення мережі під час пікового навантаження) довели, що запропонована система забезпечує «безшовне» перемикання джерел живлення та високу якість стабілізації тиску, перевершуючи традиційні системи на базі ПІД-регуляторів за критеріями швидкодії та відсутності перерегулювання.
Опис
Ключові слова
гібридна фотоелектрична система, багаторівневе інтелектуальне керування, алгоритми MPPT, нечітка логіка, насосна станція, системи розподілу та використання електроенергі, динамічна стабільність, hybrid photovoltaic system, multi-level intelligent control, MPPT algorithms, fuzzy logic, pumping station, power distribution and utilization systems, dynamic stability
Бібліографічний опис
Боднарук, О. Ю. Підвищення енергоефективності та надійності гібридної фотоелектричної насосної системи з використанням методів інтелектуального керування : дис. … д-ра філософії : 141 Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка / Боднарук Олексій Юрійович. - Київ, 2026. - 149 с.