현대 전력전자 기반 전력 시스템의 신뢰성 및 유지보수 일정을 위한 시스템 수준 설계

      전력 전자 변환기는 현대 전력 시스템의 기본 구성 요소로 작용할 것입니다. 그러나 적절히 설계되지 않으면 신뢰성이 떨어져 전체 전력 시스템의 성능에 영향을 미칠 수 있습니다. 따라서 전력 전자 기반 전력 시스템(PEPSs)의 설계 및 계획에서 변환기의 신뢰성을 고려해야 합니다. PEPSs의 계획에서 최적의 의사 결정을 위해서는 구성 요소부터 시스템 수준까지 정확한 신뢰성 모델링이 필요합니다. 이 논문은 변환기의 신뢰성 모델을 기반으로 PEPSs에서 시스템 수준의 설계 및 유지 관리 전략을 제안합니다.

1.서론

    세상을 전기화하는 것은 탄소 발자국을 줄이는 실용적인 해결책 중 하나입니다. 전기 교통, 재생 에너지 발전, 전기 저장, 스마트 그리드 및 마이크로그리드 기술, 그리고 디지털화는 지속 가능한 전력 시스템의 필수적인 부분입니다. 이러한 기술들은 에너지 변환 과정의 핵심인 전력 전자 기술을 기반으로 합니다. 예를 들어, 그림에서 보듯 미래의 전력 전자 기반 배전 시스템 구조는 AC/DC 마이크로그리드를 포함하고 있습니다. 그러나 전력 전자는 아킬레스 건이 있습니다: 다양한 응용 분야에서 고장과 가동 중단, 비용을 초래할 수 있는 자주 발생하는 고장 원인이 될 수 있습니다. 예를 들어, 풍력 터빈 시스템에서 전력 변환기의 비계획 가동 중단 기여도와 광전지(PV) 시스템에서의 비계획 가동 중단 비용이 주목할 만합니다. 따라서 지속 가능한 전기 에너지 개발에서 전력 전자의 신뢰성 분석은 매우 중요합니다.

2.전력 전자 시스템의 신뢰성

    전력 전자 변환기는 다른 공학 시스템처럼 욕조 형태의 고장 패턴을 따릅니다. 이는 초기 고장, 유용한 수명, 그리고 마모 단계의 세 가지 단계로 구성됩니다. 실제로, 초기 고장은 운영 전에 해결된 디버깅 과정에 속합니다. 따라서 변환기는 유용한 수명과 마모 단계에서 각각 무작위 고장과 노화 관련 고장을 겪게 됩니다. 무작위 고장은 갑작스러운 단일 사건(예: 과전압, 과전류)에 의해 트리거되는 구성 요소의 과부하와 관련이 있습니다. 또한, 노화 고장은 전력 모듈, 콘덴서, 인쇄 회로 기판(PCB) 솔더 조인트의 마모와 관련이 있습니다.

3.제안된 시스템 수준의 신뢰성 설계

     신뢰성 설계는 제품/시스템이 지정된 시간 동안 사용 환경에서 원하는 성능을 충족하도록 수행되는 프로세스입니다. 신뢰성 설계 개념은 전력 전자 공학에서 장기 성능을 갖춘 전력 변환기를 설계하기 위해 사용되었습니다. 이 접근법에 따르면, 특히 콘덴서와 전력 스위치와 같은 변환기 구성 요소는 변환기가 목표 수명 전에 마모 단계에 들어가지 않도록 선택됩니다. 지금까지 이 접근법은 단일 유닛 변환기에 적용되어 왔습니다. 주요 목표는 개별 변환기를 설계하여 원하는 수명을 달성하는 것입니다. 즉, 변환기의 실패 확률(노화 관련 고장)이 특정 임무 프로파일에서   Bx     (보통 연 단위) 후에   Bx     보다 낮아야 합니다.   x     %.

4.결론

     전력 전자 변환기는 현대 전력 시스템을 현대화하는 기반 기술이 되고 있지만, 이러한 응용 분야에서 고장과 가동 중단의 원인이 될 수 있습니다. 따라서 전력 전자 기반 전력 시스템(PEPSs)에서 신뢰성 향상은 매우 중요합니다. 이 논문은 이러한 시스템의 계획 내에서 모델 기반 설계와 유지 관리를 통해 PEPSs에서 시스템 수준의 신뢰성 향상을 탐구했습니다. 따라서 모델 기반 설계 접근법과 모델 기반 유지 관리 전략을 제안하였습니다.

출처: IEE-Business Xplore

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