Supervisor:
Professor Frede Blaabjerg

Co-Supervisor:
Huai Wang

Assessment Committee:
Peter Omand Rasmussen

Prof. Giovanni Oriti, Naval Postgraduate School, US

Prof. Thomas Ebel

Moderator:
Pooya Davari

Abstract:

Den løbende opretholdelse og udvikling af det moderne samfund er yderst afhængig af, at der er et pålideligt elektrisk forsyningssystem til rådighed, som kan garantere en høj grad af kontinuert tilgængelig elektrisk energi. Den primære funktion af det elektriske elnet, er at kunne forsyne nettets kunder med elektrisk energi på en så vidt mulig økonomisk rentabel måde, imens der samtidigt bevares en tilstrækkelig mængde system pålidelighed. Som følge af den nuværende globale energiforsynings overgang fra fossil-baseret energikilder til energikilder som ikke bidrager til den samlede CO2 udledning, er energisektoren vidne til en betydelig øgning i den samlet installeret kapacitet af vedvarende energikilder. Storskala integreringen af vedvarende energikilder og effektelektronik baseret generationsenheder giver anledning til visse udfordringer i forsyningsnettet. En af de centrale udfordringer er den øget risiko for fejl relateret nedbrud, som er et resultat af skrøbelighed som effektelektroniske konvertere udviser. Effektelektroniske konvertere er generelt kendt for at være blandt de mest fejltilbøjelige delsystemer og det er derfor ofte sandsynligt at de udgør de kritiske elementer i forhold til elforsyningssystemets overordnet pålidelighed. For at imødekomme denne udfordring er det afgørende at man er i stand til at forudsige disse omkostningsfulde og uønsket begivenheder med henblik på at undgå dem ved brug af livstidsestimeringer af effektelektronisk baseret generationsenheder. Disse vurderingsmetoder kan bidrage til at opretholde en høj systemtilgængelighed gennem brug af tilstandsbaseret vedligehold, som kan resultere i en reduktion af de totale enhedsomkostninger af elforsyningen.

Omstrukturering af elnettet i forbindelse med den grønne omstilling giver desuden anledning til udfordringer relateret til måden, hvorpå pålideligheden af system skal vurderes, da brugen af de eksisterende metoder muligvis ikke længere er garant for den optimale drift. Dette skyldes at disse vurderingsværktøjer er udviklet til anvendelse på konventionelle elforsyningssystemer som består udelukkende af store centrale generatorer som i kombination med det centrale transmissionsnet udgjorde et enkelt samlet forsyningsnet. Hvis der skal opnås en vellykket overgang til grønt forsyningsnet som i høj grad baserer sig på effektelektroniske systemer, så er det essentielt at muligheden for at evaluere pålideligheden lokalt opnås og hvor der samtidigt tages højde for sandsynligheden for konverter nedbrud. Derudover er det også essentielt at de sande fejl tendenser af konverter anvendes, når der skal udvikles modeller som muliggør at pålidelighedsevaluerings metoderne der bruges i forbindelse med konvertere skal omfattes og indarbejdes i pålidelighedsevaluering af elforsyningssystemer. Dette betyder at fejltendensen af konvertere ikke skal beskrives ved brug af konstante fejlrater.

Med henblik på at imødekomme de nævnte problemstillinger, fremviser dette Ph.D. studie en række modeller, koncepter og modelleringsprincipper til brug af pålidelighedsevaluering af effektelektroniske elforsyningssystemer. Dette inkluderer blandt andet en dybdegående metodik, som beskriver hvordan pålideligheden af moderne elforsyningssystemer skal vurderes. Denne metodik tager udgangspunkt i et lavspændingsdistributionsnet, som udelukkende består af generationsenheder baseret på vedvarende energiteknologier. Studiet inkluderer modeller, som kan beskrive den resterende livstid af konvertere inden nedbrud kan forventes, langsigtet tilstandssandsynligheder som kan opgive tilgængeligheden af effektelektroniske generationsenheder. Denne opnået information om enhedens tilgængelighed udnyttes derefter til at præsentere modeller til risikovurderinger, som er i stand til at vurdere risikoen for generator nedbrud og hvilken negativ effekt sådan et eventuelt nedbrud kan forventes at medføre i forhold til elektrisk energi som ikke bliver leveret til kunden. Denne information udnyttes så til at kortlægge fremtidig præventivt vedligehold af generationsenhederne.

I projektet er der ydet en stor indsats for at opnå en forståelse for hvilke problemstilling der er relateret til de eksisterende pålidelighedsmetoder som anvendes på konvertere nu til dags, og som i værste fald kan lede til upræcise livstids estimeringer. For at imødekomme nogle af disse problemstillinger gør projektet nytte af den fysik, som underligger en degraderingsproces af konverter komponenter. En af de centrale problemstillinger er identificeret som værende den relative store spredning i fordelingsfunktionerne som angiver nedbrudsfordelingen og som er forårsaget af et betydeligt antal usikkerheder. En af de centrale usikkerheder, som bidrager til denne spredning, skyldes den konsekvente anvendelse af extrapolering af resultater opnået under accelereret tests til anvendelse under rigtig praktiske forhold. Denne Ph.D. afhandling fremviser et koncept, som muliggør kontinuer revurderinger af fordelingen af den estimeret tid til forventet nedbrud. Denne revurdering opnås gennem tilstandsovervågning, der gør brug af konverterens samlet effektivitet som indikation for den aktuelle helbredstilstand. Denne metode viser sig at være effektiv i forhold til at reducere spredningen i observationer af tiden indtil fremtidige nedbrud. Denne spredning reduceres i takt med at en stigende del af konverters brugbare livscyklus tilbagelægges og den unikke degraderings tendens i stigende grad bliver mere åbenlys. Dette medfører at tiden til fremtidigt nedbrud kan estimeres med relativ høj præcision på det afgørende tidspunkt, hvor nedbrud er nært forestående. De eksisterende pålidelighedsvurderings koncepter har afholdt sig fra at anvende effektivitet som en helbredsindikator på grund af effektivitetens afhængighed af konverterens lastforhold. Dette studie fremviser en metode, hvorved det er muligt at opdage når konverterens livscyklus ophører og som samtidigt tager højde for effektivitetens afhængighed af lastforholdende. Denne opdagelses mekanisme gør brug af en maximal margen klassifikations algoritme, som er i stand til at konstruere ikke lineære beslutnings grænser i det plan hvor de essentielle signalindikatorer indgår. Kombinationen af de koncepter som er præsenteret i denne afhandling og som baserer sig på fysikken bag degraderingsprocesser, kan tilsammen udgøre en holistisk tilgang som kan være brugbar i forhold til koordinering af vedligehold, hvilket kan bidrage til at øge pålideligheden af effektelektroniske elforsyningssystemer.