Diseño a Nivel de Sistema para la Fiabilidad y Programación del Mantenimiento en Sistemas Eléctricos Modernos Basados en Electrónica de Potencia
Los convertidores electrónicos de potencia servirán como componentes fundamentales de los sistemas de potencia modernos. Sin embargo, pueden sufrir una menor fiabilidad si no se diseñan adecuadamente, afectando así el rendimiento general de los sistemas de potencia. Por lo tanto, la fiabilidad del convertidor debe tenerse en cuenta en el diseño y planificación de los Sistemas de Potencia Basados en Electrónica de Potencia (PEPS). La toma de decisiones óptima en la planificación de los PEPS requiere un modelado preciso de la fiabilidad en los convertidores, desde el nivel de componente hasta el nivel de sistema. Este documento propone estrategias de diseño y mantenimiento a nivel de sistema en PEPS basadas en el modelo de fiabilidad de los convertidores.
1.Introducción.
Electrificar el mundo es una de las soluciones pragmáticas para reducir la huella de carbono. El transporte eléctrico, la generación de energía renovable, el almacenamiento eléctrico, las tecnologías de redes inteligentes y microgrids, así como la digitalización, son partes esenciales de los sistemas de electricidad sostenibles. Estas tecnologías se basan en la electrónica de potencia como el núcleo de su proceso de conversión de energía. Por ejemplo, la estructura de los futuros sistemas de distribución basados en electrónica de potencia se muestra en Fig, que incluye microgrids AC/DC. Sin embargo, la electrónica de potencia tiene un talón de Aquiles: puede ser una fuente frecuente de fallos y causar interrupciones y costos en diferentes aplicaciones. Por ejemplo, la contribución de los convertidores de potencia a las interrupciones no planificadas en los sistemas de turbinas eólicas, y los costos de interrupciones no programadas en los sistemas fotovoltaicos (PV) es notable. Por lo tanto, el análisis de la fiabilidad de la electrónica de potencia es de suma importancia en el desarrollo de la energía eléctrica sostenible.
2.Fiabilidad de los Sistemas de Electrónica de Potencia.
Los convertidores electrónicos de potencia, al igual que otros sistemas de ingeniería, siguen un comportamiento de fallo en forma de bañera. Incluye las tres fases: mortalidad infantil, vida útil y período de desgaste. En la práctica, la mortalidad infantil pertenece al proceso de depuración, que se resuelve antes de la operación. Por lo tanto, el convertidor experimentará fallos aleatorios y relacionados con el envejecimiento dentro de la vida útil y la fase de desgaste, respectivamente, como se muestra en Fig. Los fallos aleatorios están asociados con el sobreesfuerzo de los componentes desencadenado por eventos repentinos, como sobretensión y sobrecorriente. Además, los fallos por envejecimiento están asociados con el desgaste de módulos de potencia, condensadores y uniones de soldadura de circuitos impresos (PCB).
3.Diseño a Nivel de Sistema para la Fiabilidad.
El diseño para la fiabilidad es un proceso para asegurar que un producto/sistema cumpla su función para alcanzar el rendimiento deseado en su entorno de uso dentro de un período de tiempo especificado. El concepto de diseño para la fiabilidad se ha empleado en la ingeniería de electrónica de potencia para diseñar convertidores de potencia con un rendimiento a largo plazo deseado. Según este enfoque, los componentes del convertidor, especialmente los condensadores y los interruptores de potencia, se seleccionan de tal manera que el convertidor no entre en la fase de desgaste antes de su vida útil objetivo. Hasta ahora, este enfoque se ha aplicado para convertidores de unidad única. El objetivo principal es diseñar un convertidor individual para lograr una vida útil deseada bajo un perfil de misión, lo que significa que la probabilidad de fallo (relacionado con el desgaste) del convertidor después de Bx (generalmente en años) será inferior a x%.
4.Conclusión.
Los convertidores electrónicos de potencia se están convirtiendo en una tecnología fundamental para la modernización de los sistemas de potencia eléctrica, mientras que pueden ser una fuente de fallos e interrupciones en tales aplicaciones. Por lo tanto, la mejora de la fiabilidad en los Sistemas de Potencia Basados en Electrónica de Potencia (PEPS) es de suma importancia. Este documento ha explorado la mejora de la fiabilidad a nivel de sistema en los PEPS mediante el diseño y el mantenimiento basados en modelos dentro de la planificación de estos sistemas. Así, se han propuesto un enfoque de diseño basado en modelos y estrategias de mantenimiento basadas en modelos.
Fuente: IEEE Xplore
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