Алгоритми оптимального використання електроенергії в системах з відновлюваними джерелами

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

“КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

АЛГОРИТМИ ОПТИМАЛЬНОГО ВИКОРИСТАННЯ ЕЛЕКТРОЕНЕРГІЇ В СИСТЕМАХ З ВІДНОВЛЮВАНИМИ ДЖЕРЕЛАМИ

Спеціальність 05.09.12 - Напівпровідникові перетворювачі електроенергії

ІВАНІН Олександр Леонідович

Київ - 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі промислової електроніки Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут” Міністерства освіти і науки України, м. Київ.

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор Жуйков Валерій Якович, Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, декан факультету електроніки

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, старший науковий співробітник Павлов Віктор Борисович, Інститут електродинаміки НАН України, провідний науковий співробітник

- кандидат технічних наук, доцент Домнін Ігор Феліксович, Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут”, в. о. завідуючого кафедрою промислової і біомедичної електроніки

Провідна установа - Національний гірничий університет України Міністерства освіти і науки України, м. Дніпропетровськ, кафедра систем електропостачання

Захист відбудеться “20” жовтня 2003 року о 1500 годині на засіданні спеціалізованої вченої Ради К.26.002.06 у Національному технічному університеті України “КПІ” за адресою: 03056, Київ-56, пр. Перемоги 37, тел. 241-76-62.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці НТУУ “КПІ”.

Автореферат розісланий “15” вересня 2003 року.

Вчений секретар спеціалізованої вченої Ради Кондра Б.М.

АНОТАЦІЇ

Іванін О.Л. Алгоритми оптимального використання електроенергії в системах з відновлюваними джерелами. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.12 - напівпровідникові перетворювачі електроенергії. - Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, Київ, 2003.

Дисертація присвячена подальшому розвитку теорії керування перетворювачами електричної енергії з метою оптимізації споживання енергії електротехнічним обладнанням в локальному об'єкті на базі поєднання методів динамічного програмування і нечіткої логіки.

Проаналізовані та складені еквівалентні схеми фотоелектричної батареї, вітряного генератора, акумуляторної батареї та навантажень локального об'єкту, які є основою для створення алгоритмів оптимізації споживання електроенергії. Визначено доцільність застосування методу динамічного програмування для знаходження оптимального закону керування споживанням навантажень локального об'єкту. Запропоновано використання методу нечіткої логіки для керування перетворювачами електроенергії з метою уточнення стратегії керування, отриманої за допомогою методу динамічного програмування. Розроблено алгоритм виведення активно-індуктивного і активно-ємнісного навантажень на заданий режим на базі методу динамічного програмування. Проаналізовано та визначено доцільність застосування чисельних методів для вирішенні задачі динамічного програмування.

Розроблено алгоритм керування електроспоживанням локального об'єкту на базі методу нечіткої логіки, в якому загальна задача споживання розбивається на окремі підзадачі для кожного окремого елементу системи.

Отримано аналітичні залежності потужності на виході фотоелектричної батареї від зміни параметрів навантаження і внутрішнього опору фотоелектричної батареї. Розроблено алгоритм нечіткого керування ШІП для відбирання максимальної потужності від фотоелектричної батареї.

Ключові слова: локальний об'єкт, метод динамічного програмування, метод нечіткої логіки, оптимізації споживання електроенергії, відновлювані джерела енергії.

електроенергія обладнання споживання перетворювач

Иванин А.Л. Алгоритмы оптимального использования электроэнергии в системах с возобновляемыми источниками. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.09.12 - полупроводниковые преобразователи электроэнергии. - Национальный технический университет Украины “Киевский политехнический институт”, Киев, 2003.

Диссертация посвящена разработке алгоритмов управления преобразователей электрической энергии на основе сочетания методов динамического программирования и нечеткой логики для повышения эффективности системы электропитания локальных объектов.

Проанализированы и составлены эквивалентные схемы источников и потребителей электрической энергии локального объекта: фотоэлектрической батареи, ветряного генератора, аккумуляторной батареи и электротехнических нагрузок, являющиеся основой для создания алгоритмов оптимизации потребления электрической энергии. Определена целесообразность использования метода динамического программирования для нахождения оптимального закона управления потреблением электроэнергии локального объекта. Предложено использовать метод нечеткой логики для управления преобразователями электроэнергии с целью уточнения стратегии управления, найденной при помощи метода динамического программирования. При сочетании этих методов задача оптимизации потребления электроэнергии сводится к выполнению двух этапов, на первом из которых на основе усредненных значений параметров составляющих системы рассчитывается функция управления, определяющая общую стратегию управления потреблением, а на втором конкретные сигналы управления вырабатываются на основе обработки нечетких переменных.

Разработан алгоритм выведения активно-индуктивной и активно-емкостной нагрузок на заданный режим на основе метода динамического программирования, обеспечивающий уменьшение потребления электроэнергии во время переходного процесса по сравнению с отсутствием регулирования.

Проанализированы методы численного интегрирования и дифференцирования для решения задачи динамического программирования и показано, что наиболее приближенные к точному решению значения управляемого параметра получаются при использовании в качестве метода дифференцирования метода Рунге-Кутта 4-го порядка, а значения целевого функционала при использовании в качестве метода интегрирования метода трапеций. Показано, что для уменьшения вычислительных затрат и повышения быстродействия системы управления целесообразно использовать численные методы высоких порядков при количестве шагов, не превышающих десять-пятнадцать.

Предложено разбить общую задачу управления потреблением электроэнергии локального объекта на отдельные подзадачи для каждого элемента системы для упрощения учета влияния различных факторов на работу системы. Выходные переменные, полученные в результате решения каждой отдельной задачи, являются входными переменными для общей задачи, что позволяет реализовать структуру системы управления в виде блока коммутации и преобразования параметров электроэнергии, включенного между генераторами и нагрузками локального объекта.

В результате анализа применения метода нечеткой логики показано, что наиболее целесообразным для решаемой задачи является применение симметричных термов треугольной и трапецеидальной формы с методом деффазификации центроид, метода импликации минимум и метода агрегации максимум, которые позволяют уменьшить погрешность воспроизведения теоретических зависимостей по сравнению с другими методами.

Получены аналитические зависимости максимальной отбираемой мощности от фотоэлектрической батареи от коэффициента заполнения импульсов ШИП. Разработан новый алгоритм нечеткого управления для управления ШИП повышающего и понижающего типа путем изменения коэффициента заполнения импульсов ШИП с целью отбирания максимальной мощности от фотоэлектрической батареи, который основывается на использовании аналитической зависимости выходной мощности фотоэлектрической батареи от коэффициента заполнения импульсов для широкого диапазона изменений параметров фотоэлектрической батареи и аккумулятора.

Разработана модель системы отбирания максимальной мощности от фотоэлектрической батареи на основе инвертора напряжения и асинхронного двигателя, в которой для достижения данной цели система нечеткого управления изменяет выходную частоту инвертора.

Ключевые слова: локальный объект, метод динамического программирования, метод нечеткой логики, оптимизации потребления электроэнергии, возобновляемые источники энергии.

Ivanin O.L. Algorithms of optimal utilization of electrical energy in the systems with renewable energy sources. - Manuscript.

Thesis for a candidate of sciences degree in the speciality 05.09.12. - Semiconductor Converters of Electric Energy. National technical university of Ukraine “KPI”, Kyiv, 2003.

The dissertation is dedicated to further development of control theory of electrical energy converters aimed at optimization of electrical energy consumption by the electrical equipment of the local object based on combination of method of dynamic programming and fuzzy logic. Equivalent circuits of photovoltaic battery, wind generator, accumulator and loads of the local object has been developed, which serve as a basis for development of the algorithms for optimization of electrical energy consumption. The expediency of the application of dynamic programming for determining optimal control law of energy consumption has been proved. The use of fuzzy logic for the control of converters aimed at refinement of control strategy, which was found with the use of dynamic programming, has been proposed. The algorithm of finding optimal trajectory of bringing out of active-inductive and active-capacitive load on the specified mode with minimum power consumption based on dynamic programming method has been developed. Expediency of the application of particular numerical method for solving of dynamic programming problem has been analyzed and determined. Algorithm of electrical energy consumption control on basis of fuzzy logic method has been developed, in which general energy consumption problem is divided into separate subproblems for each element of the system. Analytic dependences between photovoltaic battery output power and changes of load parameters and internal resistance of photovoltaic battery has been obtained. Algorithm of fuzzy logic control of PWM for getting maximum power from photovoltaic battery has been developed.

Key words: local object, dynamic programming method, fuzzy logic method, optimal electrical energy consumption, renewable energy sources.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Задачі енергозбереження і ефективного використання електроенергії є дуже важливими і вирішуються різними методами, частина з яких заснована на виборі режимів роботи, які б забезпечували мінімізацію споживання електроенергії електротехнічним обладнанням. Одним з основних шляхів реалізації таких режимів є оптимальне керування перетворювачами електричної енергії, які б забезпечували роботу електротехнічних пристроїв у відповідному режимі.

Окремою задачею в цьому напрямку є ефективне використання і розподіл енергії в локальному об'єкті - замкненій системі джерел енергії, до яких відносяться відновлювальні, резервні джерела і накопичувачі енергії, для живлення великої кількості різнорідних електротехнічних навантажень.

Вирішенню проблем забезпечення енергоефективності та енергозбереження засобами силової електроніки, створенню алгоритмів оптимальної роботи перетворювальних пристроїв присвячені наукові дослідження академіка НАНУ Шидловського А.К., член-кор. НАНУ Кириленка О.В., проф. Кудрі С.О., вчених Інституту Електродинаміки НАНУ (член-кор. НАНУ Рєзцова В.Ф., проф. Липківського К.О., проф. Юрченка М.М.), Харківського національного технічного університету (проф. Сокола Є.І.), проф. Денисюка С.П.

Незважаючи на велику кількість досліджень способів керування перетворювачами електричної енергії з метою забезпечення оптимальних режимів роботи електротехнічних навантажень, актуальною залишається задача створення практичних методів керування, які б забезпечували задану якість вхідних і вихідних характеристик системи електроживлення. Останнє перешкоджає широкому запровадженню і ефективному використанню існуючих систем електроживлення на базі поновлюваних джерел енергії, і залишає резерв для розроблення нових підходів до розв'язання цієї задачі.

Тому робота, спрямована на створення нових ефективних способів керування перетворювачами електроенергії у локальному об'єкті, що забезпечують мінімізацію витрат електроенергії і найбільш раціональне її використання, є актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана в Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут” за пріоритетним напрямком розвитку науки і техніки 6 “Новітні технології та ресурсозберігаючі технології в енергетиці” в рамках науково-дослідної роботи “Розробка математичних основ алгоритмів мікропроцесорного керування силовими перетворювачами в автономних системах електроживлення” № 2518 (номер державної реєстрації 0102U002214), а також в рамках науково-дослідної роботи “Наукові основи ідентифікації параметрів пристроїв силової електроніки в системах керування” №2389 (номер державної реєстрації 0100U000581).

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є розробка алгоритмів керування перетворювачами електричної енергії на базі поєднання методів динамічного програмування та нечіткої логіки для підвищення ефективності системи електроживлення локальних об'єктів.

Для досягнення поставленої мети вирішуються такі основні задачі:

аналіз і побудова моделей електротехнічних навантажень і джерел живлення, які входять до складу системи електроживлення локального об'єкту;

аналіз існуючих методів оптимального керування і обґрунтування можливості сумісного використання методів динамічного програмування і нечіткої логіки для розв'язання задачі оптимального керування;

розроблення алгоритму розв'язання задачі динамічного програмування для виведення електротехнічних навантажень на режим при постійній і змінній напрузі живлення;

аналіз ефективності використання чисельних методів для розв'язання диференційних рівнянь та обчислення інтегралів при розв'язанні задачі пошуку оптимального керування;

аналіз режимів роботи системи електроживлення локального об'єкту, визначення умов відбирання максимальної енергії від фотоелектричної батареї і створення алгоритму керування на базі нечіткої логіки;

Об'єктом дослідження є система електроживлення локального об'єкту, до складу якого входять фотоелектрична батарея, вітрогенератор, акумулятор, мережа живлення і електротехнічні навантаження.

Предметом дослідження є методи та алгоритми керування перетворювачами.

Методи дослідження. При виконанні поставлених у роботі задач використовувалися: метод динамічного програмування, метод нечіткої логіки, теорія електричних кіл, методи математичного і фізичного моделювання, методи обчислювальної математики. Основними інструментами дослідження були: пакети Matlab 6.5, MathCAD 2000, програмна оболонка Delphi 4.0.

Наукова новизна одержаних результатів:

вперше запропоновано сумісне використання методу динамічного програмування і нечіткої логіки для керування перетворювачами електричної енергії;

розроблений нова методика оптимального керування перетворювачами для виведення на режим активно-індуктивного і активно-ємнісного навантажень за допомогою методу динамічного програмування, що дозволяє зменшити витрати енергії під час перехідного процесу;

вперше запропоновано використання методу нечіткої логіки для керування широтно-імпульсним перетворювачем з метою відбирання максимальної потужності від фотоелектричної батареї шляхом зміни коефіцієнта заповнення імпульсів.

Практичне значення отриманих результатів полягає в такому:

проведений порівняльний аналіз найпоширеніших методів оптимального керування і визначені області їх раціонального використання;

розроблений алгоритм виведення навантаження на заданий режим з використанням методу динамічного програмування;

розроблений алгоритм сумісного використання методу нечіткої логіки з методом динамічного програмування для керування споживанням електротехнічних навантажень;

розроблений алгоритм керування електроспоживанням локального об'єкту, який забезпечує підвищення ефективності використання енергії системою різнорідних навантажень;

результати роботи впроваджені в лабораторній дослідній установці на кафедрі “Промислової електроніки” НТУУ “КПІ”;

теоретичні і практичні результати, отримані в дисертаційні роботі, використовуються в методичних вказівках, а також при викладанні учбової дисципліни “Сучасні напрямки електроніки” у навчальному процесі на кафедрі “Промислової електроніки” НТУУ “КПІ”.

Особистий внесок здобувача. Наукові положення та практичні результати, що містяться у дисертації, отримані здобувачем особисто.

В основних публікаціях, які надруковані у співавторстві, автору належать:

[1-3] - розроблення алгоритму виведення навантаження на режим за допомогою метода динамічного програмування і реалізації його в середовищі програмування Delphi 4.0;

[4] - аналіз використання чисельних методів для вирішення задачі динамічного програмування;

[5-6] - розроблення методики застосування методу нечіткої логіки для керування електроспоживанням локального об'єкту; моделювання системи в прикладному пакеті

Matlab 6.5.

Апробація результатів дисертації.

Основні результати дисертаційної роботи доповідалися та обговорювалися на міжнародних науково-технічних конференціях: “Проблеми фізичної та біомедичної електроніки” (Київ, 2001 р.) “Силова електроніка та енергоефективність” (Алушта, 2002 р.), семінарі Наукової ради НАН України з комплексної проблеми “Наукові основи електроенергетики”, секція “Напівпровідникові перетворювачі в устроях промислової електроніки”, (Київ, 2003 р.).

Публікації результатів наукових досліджень. За темою дисертації опубліковано 6 наукових праць, з них 5 статей у фахових наукових виданнях, 1 монографія.

Структура і обсяг дисертаційної роботи. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел і чотирьох додатків. Загальний обсяг роботи складає 165 сторінок, в тому числі 138 сторінок основного тексту, 71 рисунок, 25 таблиць, список використаних джерел з 112 найменувань.

Автор висловлює подяку доц. Співаку В.М. за надані наукові консультації.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність і доцільність роботи, сформульовані мета і задачі наукового дослідження, наведені дані про зв'язок роботи з науковими програмами, викладені наукова новизна, практичне значення і реалізація результатів дисертаційних досліджень, наведені дані про їх апробацію, публікації і впровадження.

У першому розділі дано визначення локального об'єкту, складені еквівалентні схеми основних елементів системи електроживлення локального об'єкту на базі відновлюваних джерел енергії. Проведено аналіз методів оптимізації та методів керування та визначено доцільність застосування методів динамічного програмування та нечіткої логіки для оптимального керування споживанням локального об'єкту.

Система електроживлення локального об'єкту містить декілька джерел електропостачання, або генераторів енергії, включаючи відновлювальні джерела, фотоелектричну батарею і вітряний генератор, електричну мережу, а також споживачі енергії, або навантаження. Задачі енергозбереження та ефективного використання електроенергії в такій системі можуть вирішуватися за допомогою оптимізації режимів роботи пристроїв перетворення параметрів електричної енергії.

Як цільовий функціонал, значення якого необхідно мінімізувати, запропоновано використовувати спожиту електроенергію. Розв'язком задачі є оптимальний закон керування, тобто оптимальна залежність напруги джерела живлення від часу, при якому мінімальне значення приймає функціонал, що відображує величину спожитої електроенергії.

Розв'язання задач оптимізації традиційними для електротехніки методами потребує точного знання параметрів та режимів роботи як усіх джерел живлення, так і усіх наявних в системі навантажень. Однак виконання таких умов дає точний розв'язок тільки для строго визначених параметрів та структури системи. Будь-які відхилення умов задачі не дозволяє стверджувати, що отриманий розв'язок є оптимальним, він потребує уточнення, а в деяких випадках повного перерахунку. До того ж система електроживлення локального об'єкту може включати в себе кілька видів генераторів енергії і сотні навантажень, що створює величезну кількість можливих комбінацій режимів роботи даної системи. Вихід з цього положення можна знайти, використовуючи методи керування, що базуються на використанні нечіткої логіки та оперують з нечіткими множинами.

Задача оптимізації споживання енергії в описаній системі зводиться до виконання двох етапів. На першому етапі на основі складених еквівалентних схем генераторів і споживачів енергії локального об'єкту за допомогою методу оптимізації розраховується функція керування, яка визначає загальну стратегію керування споживанням. Показано, що, оскільки кінцевий стан системи при виведенні її на режим відомий, то для вирішення цієї задачі найбільш доцільним є використання методу динамічного програмування, в якому розрахунок оптимальної траєкторії ведеться з кінцевого стану. На другому етапі, базуючись на розрахованій траєкторії і залежностях елементів системи від різноманітний зовнішніх факторів, конкретні сигнали керування виробляються на основі обробки нечітких змінних, які описують поведінку пристроїв системи, тобто відбувається уточнення керування.

У другому розділі розроблено алгоритм вирішення задачі оптимізації виведення навантаження на режим на прикладі активно-індуктивного і активно-ємнісного навантаження за постійної та змінної напруги керування. Проведено аналіз ефективності використання чисельних методів для вирішення задачі оптимізації методом динамічного програмування.

Одним з можливих режимів роботи системи електроживлення є перехідні процеси, пов'язані з ввімкненням електроприладів, розгоном двигуна, зарядом-розрядом акумулятора, зміною режимів роботи електротехнічних навантажень, на яких система керування повинна виробляти сигнали керування, які б забезпечували або мінімальну енергію, що витрачається під час перехідного процесу, або мінімальний час перехідного процесу, мінімальні перевантаження.

Мінімізація енергії, що витрачається під час перехідного процесу, може бути досягнута за умови, що рівні вхідної постійної напруги регулюються за допомогою перетворювача. В цьому випадку перетворювач виконує функцію регулювання рівнів напруги u на навантаженні таким чином, щоб при підключенні джерела енергії в момент забезпечити усталені значення напруги та струму та в заданий момент часу , тобто по закінченні інтервалу часу виведення навантаження на режим Т. Для складання рівнянь динамічного програмування необхідно мати:

1) диференційні рівняння, які описують об'єкт, що розглядається

(1)

2) функціонал, що відображує значення спожитої енергії, який при визначенні оптимального закону керування повинен приймати мінімальне значення

, (2)

3) обмеження на параметри системи та керування: u<umax, J < Jmax.

Весь інтервал керування [0,T] розбивається на N частин, при цьому виникає сітка струму і часу, де кожному моменту часу відповідає набір дискретних значень струму і напруги керування.

Від диференційного рівняння (1) переходимо до різницевого:

, (3)

де - номер кроку, - інтервал роботи перетворювача, під час якого діє певний рівень дискретної напруги uk та струм ik. Цільовий функціонал при переході до дискретної задачі набуває вигляду:

. (4)

Рекурентна формула для визначення мінімального значення функціоналу J* на k-му кроці:

. (5)

Розглянуто приклад розв'язання задачі оптимізації при таких параметрах активно-індуктивного навантаження і джерела живлення: , максимальна постійна вхідна напруга Е=3 В, активний опір навантаження R=3 Ом, індуктивність навантаження L=1 Гн, інтервал керування T=3=3L/R=1 с, кількість кроків N=5, обмеження на напругу u<3 В. Тоді вираз для визначення дискретних значень напруги керування записується таким чином:

, (6)

де - номер етапу, що визначає переходи з одного інтервалу часу на інший, .

Функціонал (4) при прийнятих значеннях параметрів схеми набуває вигляду:

, (7)

де - оптимальне значення напруги джерела живлення на k-му кроці, - відповідне значення прирощення змінної і. За відсутності обмежень на напругу керування, мінімальне значення функціоналу досягається при поданні на вхід д-імпульсу на останньому кроці керування.

Результати розв'язання задачі для заданих параметрів системи за наявності обмежень на напругу керування. Визначено, що за наявності обмежень на значення напруги u мінімальне значення функціоналу J*=0.456 Вт·с досягається при русі по траєкторії, яка позначена на рис.3 подвійною стрілкою, при цьому воно менше значення витрат J=0.688 Вт·с при реалізації при неперервному керуванні за той самий час, тобто за t = 0.4 с. Рух починається з моменту t = 0.6 с, переміщення здійснюється за два кроки t = 0.4 с, при цьому напруга на першому кроці u1=3.0 В, на другому u2=3.8 В. Отримані значення напруги і визначають стратегію керування при 5 кроках керування.

Для вирішення задачі динамічного програмування використовуються два основні види чисельних методів: чисельного диференціювання для знаходження напруги керування і чисельного інтегрування для визначення значень цільового функціоналу. Порядок чисельного методу, кількість кроків дискретизації визначають точність вирішення задачі динамічного програмування і необхідні для цього обчислювальні затрати. В результаті проведеного аналізу методів чисельного диференціювання: явного методу Ейлера, неявного методу Ейлера, методу предиктор-коректор, методу Рунге-Кутта 4-го порядку, та методів чисельного диференціювання: методів правих і лівих прямокутників та методу трапецій, було визначено, що найбільш наближені до точного розв'язку значення отримуються при використанні методу Рунге-Кутта 4-го порядку і методу трапецій. Однак, зважаючи на великий об'єм обчислювальних затрат, якого вимагає метод динамічного програмування, визначено, що доцільним є використання цих методів за невеликої кількості кроків керування, що не перевищує 10-15, і показано, що при цьому похибка керування не перевищує 0,1%.

Одним зі шляхів реалізації керування навантаженнями для виведення їх на режим за змінної вхідної напруги є застосування трансформаторно-ключових виконавчих структур, що складаються з напівпровідникових ключових елементів та електромагнітних трансформаторних елементів. Такі системи дають можливість реалізувати дискретну зміну амплітуди напруги керування шляхом комутації обмоток трансформатора на первинній або вторинній стороні.

Для вирішення задачі динамічного програмування за змінної напруги керування частотою щ недоцільно складати сітку для миттєвих значень напруг і струмів, оскільки вони змінюються в кожен момент часу. Для спрощення розрахунків запропоновано перейти в комплексну область, в результаті чого спосіб вирішення задачі стає аналогічним задачі за постійної напруги керування. Вирази для активної та реактивної енергії в цьому випадку записуються таким чином:

, (8)

, (9)

де , , , , - значення струму на k кроці, j етапі.

У третьому розділі розглянуто систему керування споживанням електроенергії локального об'єкту на базі нечіткої логіки; визначено умови відбирання максимальної потужності від фотоелектричної батареї; проаналізовано вплив нечітких правил і операторів на характеристики системи нечіткого керування.

Труднощі у створенні систем керування навантаженнями і джерелами енергії локального об'єкту полягають в тому, що між змінами зовнішніх факторів, що впливають на вихідні параметри відновлювальних джерел живлення, параметрами навантажень і мережі живлення існують дуже складні взаємозв'язки, а самі ці параметри постійно змінюються. Використання методів оптимального керування для оптимізації режимів роботи системи вимагає значних обчислювальних затрат, що сповільнює відпрацювання сигналів керування. Це вимагає пошуку нових інтелектуальних систем керування, які б дозволяли швидко аналізувати, обробляти отриману інформацію і формувати сигнали керування. В якості такого методу використовується метод нечіткої логіки.

Для реалізації системи нечіткого керування запропоновано використання блоку комутації і керування, в якому відбувається аналіз режимів роботи кожного окремого елементу системи і визначається оптимальний режим роботи всієї системи.

Для оптимального функціонування система керування повинна відпрацьовувати такі можливі режими роботи генераторів і навантажень: для фотоелектричної батареї - відбирання максимальної потужності, для вітряного генератора - забезпечення роботи в заданому діапазоні зміни швидкості вітру, поворот лопатей згідно з напрямом вітру для забезпечення оптимальної роботи асинхронної машини вітряного генератора, для акумуляторної батареї - забезпечення відповідного режиму заряду, виключення глибокого розряду, для мережі - у разі недостатності енергії від відновлюваних джерел живлення навантажень і заряд акумуляторної батареї від мережі, передача надлишкової енергії відновлюваних джерел в мережу, для навантажень - повне забезпечення навантажень необхідною енергією, забезпечення оптимальної траєкторії виведення навантажень на режим.

Для реалізації заданих режимів роботи загальна задача керування в системі розбивається на окремі підзадачі для кожного окремого елементу системи. Так, для реалізації режиму заряду акумуляторної батареї від фотоелектричної батареї на базі шунтування секцій фотоелементів складаються терми вхідних змінних фотоелектричної батареї, якими є інтенсивність сонячного випромінювання, кут падіння сонячних променів, температура поверхні фотоелектричної батареї, вихідний струм, і вихідної змінної - відносна кількість шунтованих секцій. Прийняті позначення елементів нечітких змінних, або термів, мають такі значення: N-негативне, NB-негативне велике, NM-негативне середнє, NL-негативне мале, ZE-близьке до нуля, PL-позитивне мале, PM-позитивне середнє, PB-позитивне велике.

Наступним етапом вирішення задачі нечіткого керування є складання правил, що зв'язують вхідні і вихідні нечіткі змінні в такому вигляді: Якщо J є NB або NM і б є NB і I є NB і T є NB, то Yф є PB і т.д. На базі складених правил і використовуючи метод дефазифікації центроїд, визначаються конкретні сигнали керування.

Аналогічним чином формуються алгоритми нечіткого керування для інших елементів локального об'єкту. Використання нечіткої логіки дало можливість розбити загальну задачу керування системою електроживлення на підзадачі, що дозволило спростити побудову системи керування і врахувати взаємний вплив складових системи.

Аналіз нечітких правил, кількості, форми термів, виду операторів, проведений на прикладі фотоелектричної батареї, дозволив визначити, що найточніше відображення теоретичних залежностей для даної задачі забезпечується при використанні симетричних трикутних і трапецеїдальних термів, методу дефазифікації центроїд, методу імплікації мінімум, методу агрегації максимум, при застосуванні яких похибка не перевищує 5%.

В результаті проведеного аналізу визначено, що доцільним є використання не більше семи термів, оскільки більша їх кількість незначно покращує якість керування, однак суттєво знижує швидкодію нечіткого регулятора.

Електричні параметри фотоелектричної батареї сильно залежать від зміни освітленості, температури протягом їхньої роботи. Потужність, яку фотоелектрична батарея віддає у навантаження, при різних умовах роботи буде різною з огляду на постійну зміну зовнішніх факторів. Тому актуальною є задача забезпечення відбирання максимальної енергії на протязі всього часу роботи.

З огляду на складну аналітичну залежність максимальної потужності на виході фотоелектричної батареї від коефіцієнту заповнення імпульсів г запропоновано використання ШІП підвищувального і знижувального типу з нечітким керуванням г для відбирання максимальної потужності від фотоелектричної батареї. Для створення системи нечіткого керування побудовано аналітичні залежності максимальної вихідної потужності від г для всього можливого діапазону змін внутрішнього опору фотоелектричної батареї і параметрів навантаження.

У четвертому розділі розглянуто основні режими роботи системи електроживлення локального об'єкту, в яких здійснюється керування на базі методів динамічного програмування і нечіткої логіки. Проведено моделювання цих режимів з використанням прикладних програм Matlab 6.5, Mathcad 2000.

Основними режимами роботи системи електроживлення локального об'єкту, на яких здійснюється оптимізація керування елементами системи за допомогою перетворювальних пристроїв є такі:

- відбирання від фотоелектричної батареї максимальної потужності шляхом відповідної зміни коефіцієнту заповнення імпульсів ШІП з використанням методу нечіткої логіки, у разі застосування ШІП в якості регулятора заряду;

- заряд акумуляторної батареї шляхом шунтування певної кількості секцій фотоелектричної батареї або зміни напруги за допомогою ШІП;

- виведення навантажень на режим з використанням методу динамічного програмування та нечіткої логіки;

- керування вихідною частотою інвертора напруги, до виходу якого підключений асинхронний двигун, з метою відбирання максимальної потужності від фотоелектричної батареї, до виходу якої безпосередньо підключений інвертор.

Результати моделювання розробленої системи нечіткого керування для відбирання максимальної потужності від фотоелектричної батареї показали, що порівняно з традиційним керуванням досягається збільшення середньої потужності, що відбирається від фотоелектричної батареї, на 32%, при цьому порівняно з відомими системами відбирання максимальної потужності застосування нечіткого керування дає можливість зменшити необхідну частоту мікроконтролера до 10-15 кГц.

Розроблена модель системи відбирання максимальної потужності від фотоелектричної батареї на базі інвертора напруги і асинхронного двигуна, в якій система нечіткого керування змінює вихідну частоту інвертора таким чином, щоб від фотоелектричної батареї в кожен момент часу відбиралась максимальна потужність. Використання таких систем дозволяє збільшити ефективність використання енергії фотоелектричної батареї в пристроях накачування води, де зміна частоти обертання двигуна не є критичною.

В додатках наведено: в додатку А - програмна реалізації відшукання оптимальної траєкторії руху системи для активно-індуктивного і активно-ємнісного навантажень; в додатку Б - бази правил зв'язку вхідних і вихідних змінних елементів локального об'єкту при вирішенні задачі нечіткого керування; в додатку В - використання комбінацій методів фазіфікації, логічного аналізу та дефазифікації для отримання вихідних характеристик фотоелектричної батареї за допомогою методу нечіткої логіки; в додатку Г - бази правил нечіткого регулятора в системі відбирання максимальної потужності від фотоелектричної батареї на базі ШІП, в додатку Д - акти про використання результатів дисертаційної роботи.

ВИСНОВКИ

В роботі отримала подальший розвиток теорія керування перетворювачами електричної енергії з метою оптимізації споживання енергії електротехнічним обладнанням в локальному об'єкті на базі поєднання методів динамічного програмування і нечіткої логіки.

Вперше запропоновано сумісне використання методів динамічного програмування та нечіткої логіки для керування перетворювачами електричної енергії з метою підвищення ефективності використання електроенергії. При поєднанні цих методів задача оптимізації споживання енергії зводиться до виконання двох етапів: на першому на основі усереднених значень параметрів складових системи методом динамічного програмування розраховується функція керування, яка визначає загальну стратегію керування споживанням, на другому етапі конкретні сигнали керування виробляються на базі обробки нечітких змінних, з огляду на постійну зміну різноманітних факторів, що впливають на систему.

Розроблений новий алгоритм і програмне забезпечення оптимального керування перетворювачами для виведення на режим активно-індуктивного і активно-ємнісного навантажень за допомогою методу динамічного програмування, що дозволяє зменшити витрати енергії під час перехідного процесу на 25-30%.

На підставі аналізу застосування методів чисельного диференціювання для задачі динамічного програмування показано, що найбільш наближені до точного розв'язку значення кінцевого струму для активно-індуктивного навантаження одержуються при використанні методів Рунге-Кутта 4-го порядку при п'яти кроках дискретизації, при якому похибка складає 0,08%.

На підставі аналізу методів чисельного інтегрування для задачі динамічного програмування показано, що найточніші значення цільового функціоналу досягаються при використанні метода трапецій: при сумісному використанні з методом Рунне-Кутта 4-го порядку похибка складає 2,5%.

Показано, що для зменшення обчислювальних затрат і підвищення швидкодії системи керування доцільно використовувати чисельні методи високих порядків при кількості кроків, що не перевищує 10-15.

Запропоновано розбити загальну задачу керування споживанням локального об'єкту на окремі підзадачі для кожного окремого елементу системи. Вихідні змінні при вирішенні кожної окремої підзадачі являють собою вхідні змінні для вирішення загальної задачі керування споживанням, що дозволяє реалізувати структуру системи керування у вигляді блока комутації і перетворення параметрів електричної енергії, увімкненого між генераторами і навантаженнями локального об'єкту, що дає можливість спростити пошук ефективного керування споживанням всієї системи.

Показано, що найбільш доцільним для вирішуваної задачі нечіткого керування є використання симетричних термів трикутної та трапецеїдальної форми з методом дефазіфікації центроїд, методом імплікації min і методом агрегації max, при використанні яких похибка відтворення теоретичних залежностей не перевищує 5% залежно від кількості термів.

Розроблений новий алгоритм нечіткого керування ШІП підвищувального і знижувального типу шляхом зміни коефіцієнта заповнення імпульсів з метою відбирання максимальної потужності від фотоелектричної батареї, що базується на використанні аналітичної залежності енергії на виході фотоелектричної батареї від коефіцієнта заповнення імпульсів ШІП для широкого діапазону змін параметрів фотоелектричної і акумуляторної батареї.

Показано, що при використанні системи нечіткого керування ШІП для відбирання максимальної потужності порівняно з традиційним керуванням досягається збільшення середньої потужності, що відбирається від ФБ, до 35% залежно від режиму роботи, а також до 10-15 кГц зменшується необхідна частота мікроконтролера.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Якименко Ю.І., Сокол Є.І., Жуйков В.Я., Петергеря Ю.С., Іванін О.Л. Відновлювальні джерела енергії у локальних об'єктах. - К.: Політехніка, 2001. - 114 с.

2. Петергеря Ю.С., Іванін О.Л. Оптимізації режимів роботи електротехнічних пристроїв за допомогою метода динамічного програмування // Электроника и связь, №11, 2001. С.139-143.

3. Жуйков В.Я., Петергеря Ю.С., Іванін О.Л. Оптимізації режимів роботи електротехнічних пристроїв за допомогою метода динамічного програмування // Технічна електродинаміка, №2, 2002. - С.39-44.

4. Петергеря Ю.С., Іванін О.Л. Використання чисельних методів в задачі оптимізації методом динамічного програмування // Электроника и связь, 2002, №14, С.49-54.

5. Петергеря Ю.С., Іванін О.Л., Жуйков В.Я. Оптимізація споживання електричної енергії локального об'єкту на основі нечіткої логіки // Технічна електродинаміка. Тематичний випуск. “Силова електроніка та енергоефективність”. Ч.2. - 2002. - С.103-108.

6. Petergerya Y., Ivanin O., Zhuikov V. Optimization of electrical energy consumption using fuzzy logic // 3rd International Workshop Compatibility in Power Electronics - CPE 2003, Poland, pp. 41-42.

Размещено на Allbest.ru

...