novtexmechМехатроника, автоматизация, управлениеMekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie1684-64272619-1253Commercial Publisher «New Technologies»10.17587/mau.27.47-56novtexmech-1915Research ArticleРОБОТЫ, МЕХАТРОНИКА И РОБОТОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫROBOT, MECHATRONICS AND ROBOTIC SYSTEMSОб идентификации параметров математической модели системы зарядки аккумулятора от малой ветроэнергетической установкиOn Identification of Parameters of Mathematical Model of the System for Charging Battery from a Small Wind Power GeneratorБудановВ. М.BudanovV. M.

В. М. Буданов, канд. физ.-мат. наук, зав. лаб.

Москва

V. M. Budanov

Moscow, 119192

vlbudanov@gmail.comГолубА. П.HolubA. P.

А. П. Голуб, канд. физ.-мат. наук, ст. науч. сотр.

Москва

A. P. Holub

Moscow, 119192

holub.imech@gmail.comДосаевМ. З.DosaevM. Z.

М. З. Досаев, канд. физ.-мат. наук, зам. дир.

Москва

M. Z. Dosaev

Moscow, 119192

dosayev@imec.msu.ruСелюцкийЮ. Д.SelyutskiyY. D.

Ю. Д. Селюцкий, д-р физ.-мат. наук, вед. науч. сотр.

Москва

Y. D. Selyutskiy

Moscow, 119192

seliutski@imec.msu.ruНИИ механики МГУРоссияInstitute of Mechanics of Lomonosov Moscow State UniversityRussian Federation2026170120262714756Copyright © Commercial Publisher «New Technologies», 20262026Commercial Publisher «New Technologies»Commercial Publisher «New Technologies»https://mech.novtex.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://mech.novtex.ru/jour/article/view/1915

Ветротурбины Савониуса, как и все турбины с вертикальной осью вращения, не требуют системы ориентации на ветер. Кроме того, они начинают вращаться при достаточно низких скоростях потока. Эти обстоятельства, вкупе с относительной простотой изготовления таких ветротурбин, позволяют рассматривать их как достаточно перспективный вариант конструкции ветроприемного устройства, в том числе предназначенного для работы в удаленных местностях.

В данной работе рассматривается малая ветроэнергетическая установка, состоящая из ветротурбины Савониуса, трехфазного электрогенератора на постоянных магнитах, выпрямителя, аккумулятора и блока управления напряжением на входе аккумулятора. Ось турбины напрямую соединена с валом генератора. Управление процессом зарядки осуществляется путем регулирования напряжения, подаваемого на вход аккумулятора. Разработана замкнутая математическая модель, описывающая как механическую, так и электрическую части рассматриваемой системы. Аэродинамический момент, действующий на лопасти ветротурбины, описывается в рамках квазистатического подхода. Для описания поведения электрической части используется метод баланса напряжений. Проведен качественный анализ полученной динамической системы.

Изготовлен лабораторный макет описанной установки. В аэродинамической трубе НИИ механики МГУ проведена серия экспериментов с этим макетом. При этом исследовались стационарные режимы системы при разных состояниях заряда аккумулятора и разных значениях управляющего напряжения, создаваемого блоком управления. Предложена схема управления напряжением для проведения процедуры идентификации параметров.

На основе полученных экспериментальных данных проведена идентификация параметров разработанной математической модели. Показано, что найденные при этом значения параметров обеспечивают достаточно хорошее согласование результатов численного моделирования с экспериментальными данными. Результаты исследования могут быть использованы при разработке и оптимизации автоматизированной системы управления зарядкой аккумулятора от малой ветроэнергетической установки.

Savonius wind turbines, like all vertical-axis turbines, do not require a wind orientation system and they start rotating at low wind speeds. These features along with the relative simplicity of manufacturing such wind turbines, allow considering them as a promising design option, including for operation in remote areas. This paper considers a small wind power generator consisting of a Savonius wind turbine, a three-phase permanent magnet electric generator, a rectifier, a battery, and a unit intended to control voltage at the battery input. The charging process is controlled by regulating the voltage supplied to the battery. A closed mathematical model is developed that describes both the mechanical and electrical parts of the system under consideration. The aerodynamic moment acting on the wind turbine blades is described using the quasi-steady approach. A qualitative analysis of the resulting dynamic system is carried out. A laboratory model of the described setup is manufactured. A series of experiments with this model are carried out in the wind tunnel of the Institute of Mechanics of Moscow State University. During these experiments, steady modes of the system were studied at different states of battery charge and different values of the control voltage generated by the control unit. An algorithm to control this voltage is proposed intended to carry out the parameter identification procedure. Based on the obtained data, parameters of the developed mathematical model are identified. It is shown that the parameter values found in the result of this procedure provide a good agreement between the results of numerical simulation and the experimental data.

ветроэнергетическая установкаидентификация параметровматематическое моделированиеуправлениеаккумуляторwind power generatorparameter identificationmathematical modelingcontrolbatteryИсследование выполнено при поддержке НОШ МГУ "Фундаментальные и прикладные исследования космоса" (проект № 23-Ш01-11).The research was supported by Interdisciplinary Scientific and Educational School of Moscow University "Fundamental and Applied Space Research" (Project No. 23-Sh01-11).ReferencesFujisawa N. On the Torque Mechanism of Savonius Rotors // J. of Wind Engineering & Industrial Aerodynamics. 1992. Vol. 40. P. 277—292. DOI: 10.1016/0167-6105(92)90380-S.Fujisawa N. On the Torque Mechanism of Savonius Rotors, J. of Wind Engineering & Industrial Aerodynamics, 1992, vol. 40, pp. 277—292, DOI: 10.1016/0167-6105(92)90380-S.Горелов Д. Н. Экспериментальное исследование энергетических характеристик двухъярусного ротора Савониуса // Теплофизика и аэромеханика. 2005. Т. 12, № 4. С. 693—696.Gorelov D. N. Experimental study of energy characteristics of a double-stage Savonius rotor, Teplofizika i Aeromekhanika, 2005, vol. 12, no. 4, pp. 693—696 (in Russian).Akwa J. V., Alves da Silva J nior G., Petry A. P. Discussion on the verification of the overlap ratio influence on performance coefficients of a Savonius wind rotor using computational fluid dynamics // Renewable Energy. 2012. Vol. 38, N. 1. P. 141—149. DOI: 10.1016/j.renene.2011.07.013.Akwa J. V., Alves da Silva J nior G., Petry A. P. Discussion on the verification of the overlap ratio influence on performance coefficients of a Savonius wind rotor using computational fluid dynamics, Renewable Energy, 2012, vol. 38, no. 1, pp. 141—149, DOI: 10.1016/j.renene.2011.07.013.Scheaua F. D. Comparative Numerical analysis on vertical wind turbine rotor pattern of Bach and Benesh type // Energies. 2020. Vol. 13. P. 2311. DOI: 10.3390/en13092311Scheaua F. D. Comparative Numerical analysis on vertical wind turbine rotor pattern of Bach and Benesh type, Energies, 2020, vol. 13, pp. 2311, DOI: 10.3390/en13092311.Rizk M., Nasr K. Computational Fluid Dynamics Investigations Over Conventional and Modified Savonius Wind Turbines // Heliyon. 2023. Vol. 9, N. 6. P. e16876. DOI: 10.1016/j.heliyon.2023.e16876.Rizk M., Nasr K. Computational Fluid Dynamics Investigations Over Conventional and Modified Savonius Wind Turbines, Heliyon, 2023, vol. 9, no. 6, pp. e16876, DOI: 10.1016/j.heliyon.2023.e16876.Selyutskiy Y. D., Klimina L. A., Masterova A. A., Hwang S. S., Lin C. H. Savonius rotor as a part of complex systems // J. Sound & Vibr. 2019. Vol. 442. P. 1—10. DOI: 10.1016/j.jsv.2018.10.020.Selyutskiy Y. D., Klimina L. A., Masterova A. A., Hwang S. S., Lin C. H. Savonius rotor as a part of complex systems, J. of Sound & Vibration, 2019, vol. 442, pp. 1—10, DOI: 10.1016/j.jsv.2018.10.020.Селюцкий Ю. Д., Мастерова А. А., Hwang S. S., Lin Ch. H. Моделирование динамики ветрогенератора на базе ротора Савониуса с учетом нелинейности электромеханического взаимодействия // Матер. Междунар. конф. "Динамические системы: устойчивость, управление, оптимизация". 2018. С. 196—198.Selyutskiy Y. D., Masterova A. A., Hwang S. S., Lin Ch. H. Modeling of dynamics of wind power generator based on Savonius rotor taking into account non-linear electromechanical coupling, Materials of the International conference "Dynamical systems: stability, control, optimization", Minsk, 2018, pp. 196—198 (in Russian).Буданов В. М., Голуб А. П., Досаев М. З., Селюцкий Ю. Д. О влиянии стабилизатора тока на динамику малой гибридной ветроэнергетической установки // Мехатроника, автоматизация, управление. 2024. Т. 25, № 11. С. 603—611. DOI: 10.17587/mau.25.603-611.Budanov V. M., Holub A. P., Dosaev M. Z., Selyutskiy Y. D. On the effect of current stabilizer on dynamics of a small hybrid wind power generator, Mechatronics, Automatization, Control, 2024, vol. 25, no. 11, pp. 603—611, DOI: 10.17587/mau.25.603-611.Lee S., Cherry J., Safoutin M., McDonald J. Modeling and validation of 12V lead-acid battery for stop-start technology // SAE Technical Paper 2017-01-1211. 2017. DOI: 10.4271/2017-01-1211.Lee S., Cherry J., Safoutin M., McDonald J. Modeling and validation of 12V lead-acid battery for stop-start technology, Warrendale, US, SAE, SAE Technical Paper 2017-01-1211, 2017, 10 p., DOI: 10.4271/2017-01-1211.Huang C.-S., Chow M.-Y. Accurate Thevenin’s circuitbased battery model parameter identification // Proceedings of IEEE 25th Int. Symp. on Industrial Electronics. 2016. P. 274—279. DOI: 10.1109/ISIE.2016.7744902.Huang C.-S., Chow M.-Y. Accurate Thevenin’s circuitbased battery model parameter identification, Proceedings of IEEE 25th Int. Symp. on Industrial Electronics, 2016, pp. 274—279, DOI: 10.1109/ISIE.2016.7744902.Zhang R., Xia B., Li B., Cao L., Lai Y., Zheng W., Wang H., Wang W., Wang M. A study on the open circuit voltage and state of charge characterization of high capacity lithium-ion battery under different temperature // Energies. 2018. Vol. 11, N. 9. P. 2408. DOI: 10.3390/en11092408.Zhang R., Xia B., Li B., Cao L., Lai Y., Zheng W., Wang H., Wang W., Wang M. A study on the open circuit voltage and state of charge characterization of high capacity lithium-ion battery under different temperature, Energies, 2018, vol. 11, no. 9, pp. 2408, DOI: 10.3390/en11092408.Ding X., Zhang D., Cheng J., Wang B., Luk P. An improved Thevenin model of lithium-ion battery with high accuracy for electric vehicles // Applied Energy. 2019. Vol. 254. P. 113615. DOI: 10.1016/j.apenergy.2019.113615.Ding X., Zhang D., Cheng J., Wang B., Luk P. An improved Thevenin model of lithium-ion battery with high accuracy for electric vehicles, Applied Energy, 2019, vol. 254, p. 113615, DOI: 10.1016/j.apenergy.2019.113615.Yang J., Cai Y., Pan C., Mi C. A novel resistor-inductor network-based equivalent circuit model of lithium-ion batteries under constant-voltage charging condition // Applied Energy. 2019. Vol. 254. P. 113726. DOI: 10.1016/j.apenergy.2019.113726.Yang J., Cai Y., Pan C., Mi C. A novel resistor-inductor network-based equivalent circuit model of lithium-ion batteries under constant-voltage charging condition, Applied Energy, 2019, vol. 254, pp. 113726, DOI: 10.1016/j.apenergy.2019.113726.Pillai P., Sundaresan S., Kumar P., Pattipati K. R., Balasingam B. Open-circuit voltage models for battery management systems: a review // Energies. 2022. Vol. 15. P. 6803. DOI: 10.3390/en15186803.Pillai P., Sundaresan S., Kumar P., Pattipati K. R., Balasingam B. Open-circuit voltage models for battery management systems: a review, Energies, 2022, vol. 15, pp. 6803, DOI: 10.3390/en15186803.Kamoji M. A., Kedare S. B., Prabhu S. V. Experimental investigations on single stage, two stage and three stage conventional Savonius rotor // International Journal of Energy Research. 2008. Vol. 32. P. 877—895. DOI: 10.1002/er.1399.Kamoji M. A., Kedare S. B., Prabhu S. V. Experimental investigations on single stage, two stage and three stage conventional Savonius rotor, Int. J. of Energy Research, 2008, vol. 32, pp. 877—895, DOI: 10.1002/er.1399.Dosaev M. Z., Lin C. H., Lu W. L., Samsonov V. A., Selyutskii Yu. D. A qualitative analysis of the steady modes of operation of small wind power generators // Journal of Applied Mathematics and Mechanics. 2009. Vol. 73, N. 3. P. 259—263. DOI: 10.1016/j.jappmathmech.2009.07.015.Dosaev M. Z., Lin C. H., Lu W. L., Samsonov V. A., Selyutskii Yu. D. A qualitative analysis of the steady modes of operation of small wind power generators, J. of Applied Mathematics and Mechanics, 2009, vol. 73, no. 3, pp. 259—263, DOI: 10.1016/j.jappmathmech.2009.07.015.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.