Conception de niveau système pour la fiabilité et la planification de la maintenance dans les systèmes électriques modernes basés sur l'électronique de puissance

      Les convertisseurs électroniques de puissance serviront de composants fondamentaux des systèmes électriques modernes. Cependant, ils peuvent souffrir d'une fiabilité moindre si mal conçus, affectant ainsi la performance globale des systèmes électriques. Par conséquent, la fiabilité des convertisseurs doit être prise en compte dans la conception et la planification des Systèmes Électriques Basés sur l'Électronique de Puissance (PEPSs). La prise de décision optimale dans la planification des PEPS nécessite un modélisation précise de la fiabilité des convertisseurs, du niveau des composants jusqu'au niveau système. Cet article propose des stratégies de conception et de maintenance au niveau système pour les PEPS basées sur le modèle de fiabilité des convertisseurs.

1.Introduction.

    L'électrification du monde est l'une des solutions pragmatiques pour réduire l'empreinte carbone. Le transport électrique, la génération d'énergie renouvelable, le stockage d'électricité, les technologies de réseaux intelligents et micro-réseaux, ainsi que la numérisation sont des parties essentielles des systèmes électriques durables. Ces technologies reposent sur l'électronique de puissance comme cœur de leur processus de conversion d'énergie. Par exemple, la structure des futurs systèmes de distribution basés sur l'électronique de puissance est montrée dans la Fig, qui inclut des micro-réseaux AC/DC. Cependant, l'électronique de puissance a un talon d'Achille : elle peut être une source fréquente de défaillance et causer des arrêts et des coûts dans différentes applications . Par exemple, la contribution des convertisseurs de puissance aux arrêts non planifiés dans les systèmes d'éoliennes , et les coûts des arrêts non programmés dans les systèmes photovoltaïques (PV)  est remarquable. Par conséquent, l'analyse de la fiabilité de l'électronique de puissance est d'une importance capitale pour le développement durable de l'énergie électrique.

2.Fiabilité des systèmes d'électronique de puissance.

    Les convertisseurs électroniques de puissance, comme d'autres systèmes d'ingénierie, suivent un comportement de défaillance en forme de baignoire. Il comprend trois phases : mortalité infantile, durée de vie utile et phase d'usure. En pratique, la mortalité infantile appartient au processus de débogage qui est résolu avant l'exploitation. Ainsi, le convertisseur subira des défaillances aléatoires et liées au vieillissement pendant la durée de vie utile et la phase d'usure respectivement, comme le montre la Fig. Les défaillances aléatoires sont associées à un stress excessif des composants déclenché par un événement soudain tel qu'une surtension ou un surintensité. De plus, les défaillances liées au vieillissement sont associées à l'usure des modules de puissance, des condensateurs et des joints de soudure des circuits imprimés (PCB).

3.Conception de niveau système pour la fiabilité.

     La conception pour la fiabilité est un processus visant à garantir qu'un produit/système remplit sa fonction pour atteindre les performances désirées dans son environnement d'utilisation pendant une période spécifiée. Le concept de conception pour la fiabilité a été appliqué dans l'ingénierie de l'électronique de puissance afin de concevoir des convertisseurs de puissance avec des performances à long terme souhaitées. Selon cette approche, les composants du convertisseur, en particulier les condensateurs et les interrupteurs de puissance, sont sélectionnés de manière à ce que le convertisseur n'entre pas dans la phase d'usure avant sa durée de vie cible. Jusqu'à présent, cette approche a été appliquée pour les convertisseurs unitaires. L'objectif principal est de concevoir un convertisseur individuel pour atteindre une durée de vie souhaitée sous un profil de mission, ce qui signifie que la probabilité de défaillance (liée à l'usure) du convertisseur après Bx (généralement en années) sera inférieure à x %.

4.Conclusion.

     Les convertisseurs électroniques de puissance deviennent une technologie fondamentale pour la modernisation des systèmes électriques, tout en pouvant être une source de défaillance et d'arrêt dans ces applications. Par conséquent, l'amélioration de la fiabilité dans les Systèmes Électriques Basés sur l'Électronique de Puissance (PEPSs) est d'une importance capitale. Cet article a exploré l'amélioration de la fiabilité au niveau système dans les PEPS par la conception et la maintenance basées sur des modèles dans la planification de ces systèmes. Ainsi, une approche de conception basée sur des modèles et des stratégies de maintenance basées sur des modèles ont été proposées.

Source: IEEE Xplore

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