Progettazione a livello di sistema per affidabilità e pianificazione della manutenzione nei moderni sistemi elettrici basati su elettronica di potenza

      I convertitori elettronici di potenza costituiranno i componenti fondamentali dei moderni sistemi di energia. Tuttavia, se non progettati correttamente, potrebbero soffrire di una minore affidabilità, influenzando di conseguenza le prestazioni complessive dei sistemi di energia. Pertanto, l'affidabilità dei convertitori dovrebbe essere considerata nella progettazione e pianificazione dei Sistemi di Energia Elettronica (PEPSs). La decisione ottimale nella pianificazione dei PEPSs richiede un modellazione precisa dell'affidabilità nei convertitori a livello di componente e di sistema. Questo articolo propone strategie di progettazione e manutenzione a livello di sistema per i PEPSs basate sul modello di affidabilità dei convertitori.

1.Introduzione.

    Elettroficare il mondo è una delle soluzioni pratiche per ridurre l'impronta di carbonio. Il trasporto elettrico, la generazione di energia rinnovabile, lo stoccaggio elettrico, le tecnologie smart grid e microgrid, nonché la digitalizzazione sono parti essenziali dei sistemi elettrici sostenibili. Queste tecnologie si basano sull'elettronica di potenza come nucleo del loro processo di conversione energetica. Ad esempio, la struttura dei futuri sistemi di distribuzione basati su elettronica di potenza è mostrata in Fig, che include microreti AC/DC. Tuttavia, l'elettronica di potenza ha un tallone d'Achille: può essere una fonte frequente di guasti e causare tempi morti e costi in diverse applicazioni . Ad esempio, il contributo degli inverter di potenza all'arresto imprevisto nei sistemi di turbine eoliche , e i costi di arresto non programmato nei sistemi fotovoltaici (PV)  è notevole. Pertanto, l'analisi dell'affidabilità dell'elettronica di potenza è di importanza fondamentale nello sviluppo sostenibile dell'energia elettrica.

2.Affidabilità dei Sistemi di Elettronica di Potenza.

    I convertitori elettronici di potenza, come altri sistemi ingegneristici, seguono un comportamento di guasto a forma di vasca da bagno. Include tre fasi: mortalità infantile, vita utile e periodo di usura. In pratica, la mortalità infantile appartiene al processo di debug che viene risolto prima dell'operatività. Pertanto, il convertitore subirà guasti casuali e legati all'invecchiamento rispettivamente durante la vita utile e il periodo di usura, come mostrato in Fig. I guasti casuali sono associati allo stress eccessivo dei componenti scatenato da eventi singoli improvvisi come sovratensione e sovracorrente. Inoltre, i guasti legati all'invecchiamento sono associati all'usura dei moduli di potenza, dei condensatori e delle giunzioni saldate delle schede a circuito stampato (PCB).

3.Progetto a Livello di Sistema per l’Affidabilità.

     Il progetto per l’affidabilità è un processo per assicurare che un prodotto/sistema esegua la sua funzione per soddisfare le prestazioni desiderate nel suo ambiente di utilizzo entro un periodo di tempo specificato. Il concetto di progettazione per l’affidabilità è stato adottato nell'ingegneria dell'elettronica di potenza per progettare convertitori di potenza con prestazioni a lungo termine desiderate. Secondo questo approccio, i componenti del convertitore, in particolare i condensatori e gli interruttori di potenza, vengono selezionati in modo tale che il convertitore non entri nella fase di usura prima della sua vita utile target. Fino ad ora, questo approccio è stato applicato per convertitori singoli. L'obiettivo principale è progettare un convertitore individuale per ottenere una vita utile desiderata sotto un profilo di missione, il che significa che la probabilità di guasto (guasti legati all'usura) del convertitore dopo Bx (solitamente in anni) sarà inferiore a x%.

4.Conclusione.

     I convertitori elettronici di potenza stanno diventando una tecnologia fondamentale per la modernizzazione dei sistemi di energia elettrica, ma possono anche essere una fonte di guasti e arresti in tali applicazioni. Pertanto, il miglioramento dell'affidabilità nei Sistemi di Energia Elettronica (PEPSs) è di importanza fondamentale. Questo articolo ha esplorato il miglioramento dell'affidabilità a livello di sistema nei PEPSs attraverso un progetto e una manutenzione basati su modelli all'interno della pianificazione di questi sistemi. Quindi, sono state proposte un approccio di progettazione basato su modelli e strategie di manutenzione basate su modelli.

Fonte: IEEE Xplore

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