Підвищення енергоефективності та надійності гібридної фотоелектричної насосної системи з використанням методів інтелектуального керування
| dc.contributor.advisor | Босак, Алла Василівна | |
| dc.contributor.author | Боднарук, Олексій Юрійович | |
| dc.date.accessioned | 2026-05-14T07:53:58Z | |
| dc.date.available | 2026-05-14T07:53:58Z | |
| dc.date.issued | 2026 | |
| dc.description.abstract | 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. | |
| dc.description.abstractother | Bodnaruk, O. Yu. Enhancing Energy Efficiency and Reliability of Hybrid Photovoltaic Pumping Systems Using Intelligent Control Methods. - Qualifying scientific work as a manuscript. Dissertation for the degree of Doctor of Philosophy in specialty 141 "Electric Power Engineering, Electrical Engineering and Electromechanics" (14 - Electrical Engineering). - National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute", Kyiv, 2026. Under the current operating conditions of the Integrated Power System of Ukraine, characterized by generation capacity shortages, destruction of distribution networks, and the implementation of emergency power outage schedules, ensuring the energy autonomy of critical infrastructure has become a strategic national security priority. This problem is particularly acute for the housing and communal services sector, specifically centralized water supply systems for multi-story buildings, where power interruptions lead not only to a decline in the population's quality of life but also to risks of technological accidents in engineering networks. The dissertation research focuses on a pressing scientific and applied challenge: enhancing energy efficiency, autonomy, and operational reliability of hybrid photovoltaic (PV) pumping systems. Such systems are regarded as the most promising solution for decentralized power supply, as they allow for the integration of renewable energy sources, energy storage systems (ESS), and the external grid into a single power hub. However, the simple combination of these components does not guarantee efficient operation without the application of specialized control algorithms. The work aims to resolve a fundamental scientific and technical contradiction that arises when attempting to power a critical electromechanical load from unstable natural sources. On one hand, the generation of PV plants is inherently stochastic, depending on unpredictable weather conditions, time of day, and seasonality. Rapid changes in solar irradiance levels cause fluctuations in output voltage and power, which is unacceptable for the direct supply of industrial electric drives. On the other hand, pumping units, as control objects, impose stringent requirements on power supply stability. The water supply technological process requires maintaining constant pressure in the main pipeline, achieved through precise motor speed regulation. Any voltage dips caused by cloud cover or grid disconnection can lead to loss of head, water hammer effects, emergency inverter shutdowns, or even equipment damage due to switching transients. A particular challenge is the cascade control mode, where the activation of additional high-power pumping units is accompanied by significant inrush currents. In conditions of limited autonomous source capacity, this can lead to a DC bus voltage collapse. Classical deterministic control systems are unable to effectively compensate for such dynamic disturbances in real-time. Thus, there is a need to develop a comprehensive multi-level intelligent control system that ensures synergy between all elements of the hybrid installation. It must simultaneously solve the tasks of maximizing solar energy extraction (regardless of solar activity), instantaneous power balancing via energy storage, and adaptive load control to stabilize the technological process. Solving this set of tasks will transform the pumping station from a passive energy consumer into an active, energy-efficient, and disturbanceresilient facility. The dissertation consists of an introduction, four chapters, conclusions, a list of references (60 items), and 4 appendices. The total volume of the work is 149 pages. The main content is presented on 111 pages, including 49 figures and 7 tables. To improve the energy efficiency and operational reliability of autonomous water supply systems, a set of multi-level intelligent control methods has been developed and investigated. The control system structure is decomposed into three functional levels. At the lower level, responsible for maximizing energy yield from the PV array, a comparative analysis of classical Maximum Power Point Tracking (MPPT) algorithms – Perturb & Observe (P&O) and Incremental Conductance (INC) – as well as Artificial Neural Network (ANN) based methods was conducted. To eliminate the drawbacks of classical approaches, such as loss of orientation during rapid irradiance changes and steady-state oscillations, a modified Incremental Conductance algorithm adapted to the Boost Converter dynamics was proposed and implemented. At the middle level, a decentralized power flow control strategy for energy storage systems was implemented. A control algorithm for a bidirectional converter (Half-Bridge Buck-Boost) based on DC bus voltage zone regulation was developed. This ensures automatic system balancing: surplus energy recovery in charging mode and instantaneous power deficit compensation in discharging mode. At the upper level, responsible for stabilizing the technological parameter (pressure), an astatic Fuzzy Logic Controller (FLC) was synthesized. Unlike the classical PID law, this controller ensures an aperiodic nature of transient processes, minimizing pressure surges and water hammer effects during the cascade switching of pumping units. Comprehensive simulation modeling in the MATLAB/Simulink environment confirmed that the proposed approach ensures guaranteed and high-quality power supply to critical loads even under conditions of emergency grid blackouts and stochastic generation. In the first chapter, a comprehensive analysis of the problem of increasing the efficiency and reliability of hybrid PV pumping systems is performed. The relevance of the study in the context of ensuring the energy security of Ukraine's critical infrastructure is justified. Key factors affecting system performance are systematized, and modern architectures are analyzed, leading to the selection of a common DC bus topology in the PV–BESS–Grid configuration. A critical review of existing control methods revealed significant drawbacks in classical MPPT algorithms (low speed of P&O) and PID pressure regulators (inability to compensate for disturbances from motor startups). The analysis identified a scientific contradiction between the need for reliable autonomous systems and the limitations of existing control methods, allowing for the formulation of the research goal and objectives. In the second chapter, a comprehensive mathematical and simulation model of the hybrid energy system is developed as the primary research tool. Mathematical descriptions of key components are provided: a nonlinear PV array model, an electrochemical battery model, and an electromechanical model of pumping units. The model implementation in MATLAB/Simulink using a discrete solver allows for the investigation of both rapid electromagnetic processes in power converters and slow energy balance processes. The selection of test scenarios, including operation under real irradiance profiles and simulation of emergency modes (blackouts), is justified. In the third chapter, control methods for the lower hierarchical level (generation and storage) are researched and developed. Based on detailed modeling, a comparative analysis of the dynamic efficiency of MPPT algorithms was performed. The advantages of the Incremental Conductance (INC) method over Perturb & Observe (P&O) and ANNbased methods in terms of accuracy and stability were quantitatively proven. A modification of the INC method with inverse control logic and noise filtering was proposed, enhancing energy extraction efficiency in dynamic modes. Additionally, a Battery Energy Storage System (BESS) control algorithm was developed to support DC bus voltage and compensate for peak loads. In the fourth chapter, the upper-level control system responsible for water pressure stabilization is developed and investigated. Based on the mathematical description of pumping station dynamics, an astatic fuzzy regulator was synthesized to eliminate hydraulic shocks during the activation of additional units. The results of integrated system simulation (including a grid blackout scenario during peak load) proved that the proposed system ensures "seamless" switching of power sources and high-quality pressure stabilization, outperforming traditional PID-based systems in terms of speed and lack of overshot. | |
| dc.format.extent | 149 с. | |
| dc.identifier.citation | 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. | |
| dc.identifier.uri | https://ela.kpi.ua/handle/123456789/80856 | |
| dc.language.iso | uk | |
| dc.publisher | КПІ ім. Ігоря Сікорського | |
| dc.publisher.place | Київ | |
| dc.subject | гібридна фотоелектрична система | |
| dc.subject | багаторівневе інтелектуальне керування | |
| dc.subject | алгоритми MPPT | |
| dc.subject | нечітка логіка | |
| dc.subject | насосна станція | |
| dc.subject | системи розподілу та використання електроенергі | |
| dc.subject | динамічна стабільність | |
| dc.subject | hybrid photovoltaic system | |
| dc.subject | multi-level intelligent control | |
| dc.subject | MPPT algorithms | |
| dc.subject | fuzzy logic | |
| dc.subject | pumping station | |
| dc.subject | power distribution and utilization systems | |
| dc.subject | dynamic stability | |
| dc.subject.udc | 621.316 | |
| dc.title | Підвищення енергоефективності та надійності гібридної фотоелектричної насосної системи з використанням методів інтелектуального керування | |
| dc.title.alternative | Enhancing Energy Efficiency and Reliability of Hybrid Photovoltaic Pumping Systems Using Intelligent Control Methods | |
| 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: