System-Level-Design für Zuverlässigkeit und Wartungsplanung in modernen leistungselektronikbasierten Energiesystemen

      Stromelektronische Wandler werden die grundlegenden Komponenten moderner Stromsysteme bilden. Wenn sie jedoch nicht richtig konzipiert sind, können sie eine geringere Zuverlässigkeit aufweisen und somit die Gesamtleistung der Stromsysteme beeinträchtigen. Daher sollte die Zuverlässigkeit der Wandler bei der Planung und Gestaltung von stromelektronischen Stromsystemen (PEPS) berücksichtigt werden. Für optimale Entscheidungsfindung in der Planung von PEPS ist eine genaue Zuverlässigkeitsmodellierung der Wandler auf Komponenten- und Systemebene erforderlich. Dieser Artikel schlägt modellbasierte Systemdesign- und Wartungsstrategien für PEPS basierend auf dem Zuverlässigkeitsmodell der Wandler vor.

1.Einführung

    Die Elektrifizierung der Welt ist eine pragmatische Lösung zur Reduzierung des Kohlenstofffootprints. Elektromobilität, erneuerbare Energieerzeugung, elektrische Speicher, intelligente und mikrogrid-Technologien sowie Digitalisierung sind wesentliche Bestandteile nachhaltiger Stromsysteme. Diese Technologien basieren auf der Stromversorgungstechnik als Kern ihres Energiewandlungsprozesses. So zeigt Abbildung z.B. die Struktur zukünftiger stromelektronischer Verteilersysteme, einschließlich AC/DC-Mikrogrids. Allerdings hat die Stromversorgungstechnik einen Schwachpunkt: Sie kann häufig Ausfallursache sein und zu Stillstand und Kosten in verschiedenen Anwendungen führen. Zum Beispiel tragen Stromwandler erheblich zur unplanmäßigen Stilllegungszeit von Windturbinensystemen bei, und die Kosten für unvorhergesehene Stilllegungszeiten in Photovoltaik (PV)-Systemen sind bemerkenswert. Daher ist die Zuverlässigkeitsanalyse von Stromversorgungstechnik von großer Bedeutung für die nachhaltige Entwicklung der elektrischen Energie.

2.Zuverlässigkeit von Stromversorgungssystemen

    Stromelektronische Wandler folgen wie andere ingenieurtechnische Systeme dem Badewannen-Kurve-Fehlerverhalten. Es umfasst drei Phasen: Frühsterbeta, nützliches Lebensdauer und Verschleißphase. In der Praxis gehört der Frühsterbeta zum Debugging-Prozess, der vor der Inbetriebnahme gelöst wird. Daher erlebt der Wandler zufällige und altersbedingte Ausfälle während der nützlichen Lebensdauer und der Verschleißphase, wie in Abbildung gezeigt. Zufällige Ausfälle sind mit Überbeanspruchungen der Komponenten durch plötzliche Einzelereignisse wie Überspannung und Überstrom verbunden. Darüber hinaus sind Alterungsfehler mit dem Verschleiß von Leistungsmodule, Kondensatoren und Lötstellen auf Leiterplatten (PCB) verbunden.

3.Vorgeschlagener systembasierter Designansatz für Zuverlässigkeit

     Das Design für Zuverlässigkeit ist ein Prozess, um sicherzustellen, dass ein Produkt/ ein System seine Funktion innerhalb eines bestimmten Zeitraums unter den Einsatzbedingungen erfüllt. Der Ansatz des Designs für Zuverlässigkeit wurde in der Stromversorgungstechnik angewendet, um Stromwandler mit gewünschter langfristiger Leistung zu entwerfen. Gemäß diesem Ansatz werden die Wandlerkomponenten, insbesondere Kondensatoren und Leistungsschalter, so ausgewählt, dass der Wandler nicht vor seiner Zielnutzungsdauer in die Verschleißphase eingeht. Bisher wurde dieser Ansatz für einzelne Wandler angewendet. Das Hauptziel besteht darin, einen einzelnen Wandler so zu gestalten, dass er eine gewünschte Lebensdauer unter einem Missionsprofil erreicht, was bedeutet, dass die Ausfallwahrscheinlichkeit (Verschleißbedingte Ausfälle) des Wandlers nach   Bx     Jahren unter einem Missionsprofil niedriger als     Bx     % sein wird.

4.Fazit

     Stromelektronische Wandler werden eine Schlüsseltechnologie für die Modernisierung von Stromsystemen, aber sie könnten auch eine Quelle für Ausfälle und Stillstände in solchen Anwendungen sein. Daher ist die Verbesserung der Zuverlässigkeit in stromelektronischen Stromsystemen (PEPS) von großer Bedeutung. Dieser Artikel untersucht die systemebene Zuverlässigkeitsverbesserung in PEPS durch modellbasiertes Design und Wartung im Rahmen der Planung dieser Systeme. Somit wurden ein modellbasierter Designansatz und modellbasierte Wartungsstrategien vorgeschlagen.

Quelle: IEE-Business

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