現代の電力システム信頼性解析にパワーエレクトロニクスコンバータの信頼性を組み込む
この記事では、パワーエレクトロニクスコンバータの信頼性モデルを電力システムの信頼性分析に組み込むことを目指しています。コンバータの信頼性は、故障物理学に基づいて装置レベルおよびコンバータレベルで広く研究されてきました。しかし、パワーエレクトロニクスコンバータの設計、計画、運転、保守における最適な意思決定には、パワーエレクトロニクスベースの電力システムのシステムレベルでの信頼性モデリングが必要です。したがって、この記事では、装置レベルからシステムレベルまでパワーエレクトロニクスベースの電力システムの信頼性を評価する手順を提案します。
1.序論
電力システムの近代化は、低炭素またはゼロ炭素の足跡を持つ信頼性と安全性の高い電力供給に不可欠です。これには新しい技術やインフラの導入、ならびに電力部門の規制緩和が必要です。再生可能エネルギー資源、蓄電池、電子送電・配電システム、電動モビリティなど、いくつかの確立された技術が電力システムの近代化において重要な役割を果たしています。特に、パワーエレクトロニクス（PE）は、上記の技術のエネルギー変換プロセスにおいて基盤となる役割を果たしており、特に100%再生可能エネルギーへの移行により、将来の電力システムにおけるPEの重要性が高まっています。
2.信頼性の概念
信頼性とは、特定の期間内に所望の条件下でシステムまたはアイテムが機能する能力を指します。この定義によれば、システム/アイテムの性能は指定された期間内に目標時間帯で維持される必要があります。システムによっては信頼性の尺度が異なる場合があります。例えば、宇宙船のようなミッションベースのシステムでは、信頼性は目標ミッション期間中の生存確率として定義されます。そのため、最初の故障までの時間が所望の確率で目標ミッション期間よりも長くなる必要があります。さらに、メンテナンス可能なシステム/アイテムでは、性能は可用性という信頼性指標で測定されます。これらのシステム/アイテムでは、故障発生に関わらず常に稼働状態（利用可能）であることが重要です。つまり、システムは故障時にいつでもメンテナンスでき、問題となるのは故障頻度とダウンタイムのみです。
3.コンバータの信頼性モデリング
コンバータの故障特性は、他のシステムと同様に初期故障期、使用寿命期、劣化期の3つの期間で構成されています。これは風呂型曲線として知られています。通常、初期故障はデバッグや製造プロセスに関連しています。そのため、コンバータは運転中にランダムな故障と劣化による故障を経験します。ランダムな故障は通常、過電流や過電圧などの外部要因によるものであり、有用寿命期間中には指数分布の故障として考慮されます。対応する故障率は通常、過去の信頼性データと運用経験に基づいて予測されます。
4.電力システムの信頼性
電力システムの信頼性、つまり適切さは、コンポーネントの停止を考慮して、顧客の電力およびエネルギー要件を許容技術限界内で満たす能力の尺度です。電力システムの信頼性評価で主に用いられる指標は、そのコンポーネントの可用性です。可用性とは、あるアイテムが任意の瞬間に動作状態にある確率を指します。
5.結論
この記事では、パワーエレクトロニクスと電力システムの信頼性の概念を橋渡しする手順を提案しました。パワーエレクトロニクスコンバータの信頼性は電力システムの信頼性分析に組み込まれ、現代の電力システムの計画、運転、保守における最適な意思決定に有益です。詳細な信頼性モデリングは、装置レベルから電力システムレベルまでパワーエレクトロニクスベースの電力システムについて提示されました。異なるアプリケーションにおけるコンバータの故障率の電力システム性能への影響が示されました。。
出典: IEEE Xplore
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