Об идентификации параметров математической модели системы зарядки аккумулятора от малой ветроэнергетической установки

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.

1. Fujisawa 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.

2. Горелов Д. Н. Экспериментальное исследование энергетических характеристик двухъярусного ротора Савониуса // Теплофизика и аэромеханика. 2005. Т. 12, № 4. С. 693—696.

3. 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.

4. 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/en13092311

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. 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.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. 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.

15. 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.

16. 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.