Elena B. Shandarova

Relevance. The article provides a comparative analysis of micro-hydroelectric power stations with a hydraulic unit regulation along a hydrogenerator anchor circuit according to technical and economic efficiency. The authors substantiate the possibility of using intelligent control of the energy balance of inverter micro-hydroelectric power stations for increasing the amount of electricity generated without increase in the installed capacity of the hydraulic unit. This will improve their technical and economic characteristics compared with traditional micro-hydroelectric power plants of the ballast type. This approach allows using intelligent control systems that can regulate power generation depending on the peaks of electricity consumption. For this purpose, inverter micro-hydroelectric power stations are used. They allow more efficient management of energy consumption and accumulation of electricity in batteries. The developed control algorithms make it possible to optimize the operation of micro-hydroelectric power stations, ensuring maximum resource efficiency and reducing the cost of electric energy. Application of these technologies may significantly improve economic indicators of micro-hydroelectric power stations and make them more competitive in the electricity market. The algorithms control the hydraulic unit operation, ensure supply of electric power to consumers and effective use of energy storage batteries depending on electric needs. Aim. Comparative technical and economic analysis of a micro-hydroelectric power station with regulation of the parameters of the generated voltage along the anchor circuit of the hydrogenerator driven by an unregulated hydraulic turbine. Object. Micro-hydroelectric power stations of diversion type with power converters and electricity storage devices. Methods. Computer modeling. Results. The authors have proposed the classification of diversion micro-hydroelectric power stations with hydraulic unit control via the hydrogenerator anchor circuit. The paper demonstrates the technical and economic possibilities of various methods of their construction. The most promising technical solutions for inverter micro-hydroelectric power stations are determined, their energy balances and power equipment control algorithms are optimized. Актуальность. Приводится сравнительный анализ микро-ГЭС с регулированием гидроагрегата по цепи якоря гидрогенератора по технико-экономической эффективности. Авторы обосновывают возможность применения интеллектуального управления энергетическим балансом инверторных микро-ГЭС с целью увеличения количества вырабатываемой электроэнергии без увеличения установленной мощности гидроагрегата, что позволит повысить их технико-экономические характеристики по сравнению с традиционными микро-ГЭС автобалластного типа. Данный подход позволяет использовать интеллектуальные системы управления, которые могут регулировать выработку электроэнергии в зависимости от пиков потребления электроэнергии. Для этого используются инверторные микро-ГЭС, которые позволяют более эффективно управлять энергопотреблением и накапливать электроэнергию в аккумуляторных батареях. Разработанные алгоритмы управления позволяют оптимизировать работу микро-ГЭС, обеспечивая максимальную эффективность использования ресурсов и снижение затрат на электроэнергию. Применение этих технологий может существенно улучшить экономические показатели микро-ГЭС и сделать их более конкурентоспособными на рынке электроэнергии. Алгоритмы осуществляют управление работой гидроагрегата, гарантируют поставку электроэнергии потребителям и обеспечивают эффективное использование аккумуляторных накопителей электроэнергии в зависимости от энергетических потребностей. Цель: сравнительный технико-экономический анализ микро-ГЭС с регулированием параметров генерируемого напряжения по цепи якоря гидрогенератора с приводом от нерегулируемой гидротурбины. Объект: микро-ГЭС деривационного типа с силовыми преобразователями и накопителями электроэнергии. Методы: компьютерное моделирование. Результаты. Предложена классификация деривационных микро-ГЭС с управлением гидроагрегатом по цепи якоря гидрогенератора, показаны технико-экономические возможности различных способов их построения, определены наиболее...

Link for citation: Lukutin B.B., Shandarova E.B., Popov M. M. Operating modes of micro-hydroelectric power plant with output voltage stabilization using inverter control. Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Geo Аssets Engineering, 2023, vol. 334, no. 8, рр. 51-58. In Rus. The relevance. The use of Russia's hydroelectric potential for electricity generation is one of the cleanest and environmentally friendly methods as it does not result in the emission of harmful substances and carbon dioxide into the atmosphere. Moreover, it is a reliable and efficient source of energy as water is a constant source of energy. Hydro turbines are used to convert the energy of water flow into electrical energy, which effectively ensures more reliable and stable production capacity for hydroelectric installations. However, micro-hydroelectric power plants have some drawbacks related to difficulties in ensuring the high quality of produced electricity of autonomous power supply systems. This is due to the fact that the load on the autonomous power supply system can vary not only in magnitude but also in nature, which makes it difficult to maintain a stable level of electricity production. The main goal of the research is to determine the ranges of variation of the output electrical parameters of a non-regulated hydrogenerator operating as part of an inverter-based micro-hydroelectric power station for rural domestic consumers. Additionally, the task is to formulate requirements for the hydrogenerator and power conversion devices in static and dynamic operating modes of the autonomous power supply system. Object: inverter-based micro-hydroelectric power station. Methods: simulation modeling, and programming in Matlab Simulink. Results. A simulation model of an electric power supply system with an inverter microelectric power station was developed. The structure of microelectric power station is proposed, as well as the ranges of voltage changes of the microelectric power station generator are obtained. Ссылка для цитирования: Лукутин Б.В., Шандарова Е.Б., Попов М.М. Режимы работы микрогидроэлектростанции со стабилизацией выходного напряжения при помощи управления инвертором // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. – 2023. – Т. 334. – № 8. – С. 51-58. Актуальность. Использование гидроэнергетического потенциала России для производства электроэнергии является одним из самых чистых и экологически безопасных методов, так как при этом не происходит выброса вредных веществ и углекислого газа в атмосферу. Кроме того, это надежный и эффективный источник энергии, так как вода является постоянным источником энергии. Для производства электроэнергии из воды используются гидрогенераторы, которые эффективно преобразуют энергию потока воды в электрическую энергию. Автобалластные системы имеют некоторые недостатки, которые связаны с трудностями обеспечения высокого качества производимой электроэнергии микрогидроэлектростанций. Это связано с тем, что нагрузка на автономную систему электроснабжения может изменяться не только по величине, но и по характеру, что существенно повышает требования к устройствам генерирования электроэнергии и стабилизации ее параметров. Цель: определение диапазонов изменения выходных электрических параметров гидрогенератора, который не регулируется и работает в составе инверторной микрогидроэлектростанции для сельского бытового потребителя. Также ставится задача формулирования требований к гидрогенератору и силовым преобразовательным устройствам в статических и динамических режимах работы автономной системы электроснабжения. Объект: мигрогидроэлектростанция инверторного типа. Методы: имитационное моделирование, программирование в среде Matlab Simulink. Результаты. Разработана имитационная модель системы электроснабжения с инверторной микроГЭС. Предложена структура миркоГЭС, а также получены диапазоны изменения напряжения генератора микроГЭС.

In complex electromechanical objects containing electric drives with induction motors, it is often difficult or impossible to install sensors of output variables. In this case, to determine the output coordinates of the motor, it is necessary to introduce state observers into the control system of the electric drive. The main problems of creating observers are the presence of noise and interference in the measuring circuits of the control system which affect the accuracy of the estimation of immeasurable state variables. The paper presents a comparison of the accuracy of estimates obtained as a result of the work of the observer algorithms based on the Kalman filter and the observer of the Luenberger in the induction electric drive system, with vector control at the noise level of the current measurement channels in the stator windings of the induction motor. To synthesize algorithms for state observers, methods of identification theory and quasi-linearization of nonlinear models of the control object under consideration were used. The simulation model of an induction motor is based on a classical vector field-oriented control system where an estimate of the angular speed of the motor shaft is used as a feedback signal. The model implements the following blocks: a mathematical model of an induction motor in a two-phase fixed coordinate system α–β; the structure of the observer algorithm; the procedure for converting the basis of the current vector and the control voltage from stationary to rotating and vice versa; proportional-integral regulators of current, flux linkage and angular speed. The S-shaped intensity setter forms a speed setting curve. The input signals for observers are the stator voltages and currents of the reference model of an induction motor. The adaptation coefficients for the Luenberger observer were selected experimentally from the condition of obtaining the average minimum value of the difference modulus of the estimated values. The covariance matrices for the observer based on the Kalman filter are configured on the basis of the experiment, ensuring a minimum of the average value of the absolute error. The time dependences of the transients of the angular speed of the shaft, the modulus of the flux linkage vectors of the rotor and stator currents are obtained. The dependencies were evaluated when starting an induction motor with nominal values and values of frequency and voltage amounting to 10 % of the nominal values. The work of estimation algorithms in the presence of a noise component, as well as when changing the parameters of the induction motor replacement circuit by ± 10 %, is investigated. The results of modeling the operation of the electric drive in starting modes with a mechanical load equal to the nominal value at a supply voltage frequency of 50 Hz and at 10 % of the nominal value for a voltage of 1 Hz are obtained. It is shown that the greatest relative estimation errors occur in the starting mode of the electric drive, and the maximum accuracy is achieved in the case of using a nonlinear Kalman filter. The results of the work can be used in the development of automatic control systems for sensorless electric drives and frequency-controlled electric drive of centrifugal pumping units for oil production.

The relevance of the work is determined by the growing demand for energy, especially for environmentally friendly. Photovoltaic power generation is very promising in areas with high insolation, where centralized power systems are not available or where available electricity is expensive. However, the high cost of photovoltaic power plant equipment limits its wide application. One way to reduce the cost of a photovoltaic installation is to store electrical energy not only in electrochemical batteries, but also in the form of heated water in less expensive water heating installations, which will reduce the cost of a photovoltaic installation by reducing the battery capacity while providing the consumer with hot water. One of the urgent tasks is the development of control algorithms for photovoltaic power plants with a hybrid electrochemical and thermal system for storing electricity. The main aim of the work is to develop the algorithm for controlling the energy balance of an autonomous photovoltaic power plant with electrochemical and thermal energy storage. Methods: analytical methods for studying photovoltaic power plants with an aggregate method of solar energy storage: in electrochemical and thermal batteries, computer simulation methods, method of comparison with previous scientific studies. Results. The authors developed the structure of the control system for energy balance of a photovoltaic power plant with electrochemical and thermal storage of electricity and proposed the algorithm for functioning of the control system using MPPT technologies. The structure and functioning algorithm were tested on the example of optimizing the energy balance of a social facility in Iraq by modeling in the Matlab software package. Актуальность работы определяется возрастающим спросом на энергию, особенно на экологически чистую. В настоящее время большое внимание уделяется исследованию и совершенствованию возобновляемых энергоисточников. Производство электроэнергии с использованием фотоэлектростанций весьма перспективно в районах с высокой инсоляцией, где централизованные энергетические системы недоступны, или в случае, когда доступная электроэнергия обходится дорого. Однако высокая стоимость оборудования фотоэлектростанций ограничивает возможности их широкого применения. Одним из способов снизить стоимость фотоэлектрической установки является аккумулирование электрической энергии не только в электрохимических батареях, но и в виде нагретой воды в менее дорогих водонагревательных установках, что позволит уменьшить стоимость фотоэлектрической установки за счет уменьшения ёмкости батарей при одновременном обеспечении потребителя горячей водой. Одной из актуальных задач является разработка алгоритмов управления фотоэлектростанций с гибридной электрохимической и электротепловой системой аккумулирования фотоэлектричества. Цель: разработка интеллектуального алгоритма управления энергетическим балансом автономной фотоэлектростанции с электрохимическим и электротермическим аккумулированием фотоэлектричества. Методы: аналитические методы исследования фотоэлектрических станций с агрегатным способом аккумулирования солнечной энергии: в электрохимических и электротермических батареях, методы компьютерного моделирования, метод сравнений с предыдущими научными исследованиями. Результаты. Разработана структура системы управления энергетическим балансом фотоэлектростанции с электрохимическим и электротепловым аккумулированием фотоэлектричества; предложен алгоритм функционирования системы управления с использованием МРРТ технологий; структура и алгоритм функционирования протестированы на примере оптимизации энергетического баланса социального объекта на территории Ирака путём моделирования в программном комплексе Matlab.

Актуальность работы определяется необходимостью создания адекватных математических моделей систем электропитания сложного погружного технологического оборудования, например электроцентробежных насосов и автономных подводных аппаратов, получающих энергию переменного тока по достаточно протяженной кабельной линии. Приемлемая адекватность характеристик модели и реальной системы электропитания данного класса объектов может быть достигнута в результате учета изменяемой длины кабельной линии и различных режимов работы погружного оборудования. Использование передаточных функций в качестве промежуточных моделей основных элементов системы электропитания и операторного метода является достаточно приемлемым решением для адекватного отражения процессов изменения напряжения на нагрузке. Далее путем преобразования передаточной функции записывается нелинейная математическая модель системы электропитания в пространстве переменных состояния, которая позволяет аналитическим образом решить задачу робастной стабилизации неизмеряемого напряжения на полезной электромеханической нагрузке. Цель работы: построение нелинейной математической модели системы электропитания с передачей энергии переменного тока по кабель-тросу с учетом изменения его длины в пространстве переменных состояния. Методы: операторный метод, методы пространства состояния и математического моделирования. Результаты. Разработана методика определения параметров устройства компенсации реактивной мощности в кабель-тросе для увеличения его пропускной способности при передаче мощности на дальние расстояния при повышенной частоте. Определена аналитическая зависимость, позволяющая рассчитать индуктивность компенсирующего устройства во всем диапазоне изменения длины кабель-троса. Для построения оптимального регулятора получены полиномы, позволяющие определять коэффициенты передаточных функций при изменении длины кабеля и сопротивления нагрузки системы электропитания. На основании передаточных функций, полученных для различных режимов работы системы электропитания, определены параметры схемы замещения, позволяющей записать нелинейную математическую модель системы электропитания пониженного порядка. Проведена сравнительная оценка результатов моделирования системы электропитания с передачей энергии переменного тока по кабель-тросу, подтверждающая возможность ее описания моделью пониженного порядка в пространстве состояний. Выводы. В работе предложена методика определения параметров устройства компенсации реактивной мощности, позволяющего увеличить пропускную способность кабель-троса. На основании передаточных функций, коэффициенты которых зависят от длины кабель-троса, записана упрощенная нелинейная математическая модель системы электропитания погружного технологического оборудования. В результате полученная модель системы электропитания может быть использована для последующего синтеза оптимального регулятора напряжения в классе нелинейных систем управления.

The considered problem is constructing an optimal voltage regulator for power supply system of remote-controlled underwater unmanned vehicle, providing specified power system quality indi-cators when changing the operation mode of the submerged part payload. Proposed approxi-mation technique of a nonlinear multidimensional power supply system model with the trans-mission of alternating current energy through a cable by means of smaller order linearized mathematical model in the space of state variables. Based on the reduced model, a variable structure controller for voltage regulation is constructed using the methods of linear control theo-ry. It compensates for the effect of parametric load changes on the quality indicators of a closed system.

A practical problem of power supply system modeling for the process submersible device with AC power transmission over the cable-rope was considered. The problem is highly relevant in developing and operation of submersible centrifugal pumps and submersibles. The results of modeling a symmetrical three-phase power supply system and their compliance with the real data are given at the paper. The obtained results in the mathematical and simulation models were similar.

The paper proposes an algorithm to optimize the structure and the choice of capacity of wind and diesel power units of the combined power plant, depending on the wind energy potential and electricity consumption of electrified facility. The algorithm is based on mathematical models of technical and economic characteristics of wind and diesel power plants as well as an optimization method of coordinate descent. The algorithm takes into account the structure of the combined power plant, changing modes of its operation, construction and operation costs of the power facility. The objective function of the algorithm is to minimize the cost of electricity generated.