Reliability Analysis of Grid Interface Alternatives for Wind Energy Conversion Systems

Abstract

En este trabajo se analiza la fiabilidad de distintos modelos de electrónica de potencia para sistemas de conversión de energía eólica. Se estudian tres alternativas. En la primera (modelo de referencia), el convertidor de potencia es un rectificador activo, en la segunda (modelo propuesto), este está constituido por tres rectificadores pasivos y uno activo, y, por último, el modelo propuesto con sistema bypass es una modificación del segundo que sí incluye un sistema bypass.

Para la realización de este estudio, se construyen los modelos de Márkov apropiados que muestran el comportamiento de fallo de cada topología. Esto permite el cómputo de métricas de rendimiento de interés como la fiabilidad, la tasa de fallos o el tiempo medio hasta el fallo, que mostrará cuál de los sistemas tiene la mayor probabilidad de proporcionar su función ininterrumpidamente.

Asimismo, se estudian diferentes estrategias de reparación para cada topología con el fin de examinar más a fondo la disponibilidad, es decir, el grado en el que el sistema realizará su función prevista y el número esperado de horas en las que el sistema de conversión de energía eólica proporciona la potencia requerida. Los resultados muestran además qué enfoque maximiza la potencia suministrada en distintos periodos de tiempo.

In this project the reliability of different Power-Electronic Grid Interface Alternatives for Wind Energy Conversion Systems (WECS) is analyzed. Three topologies are studied. In the first one (baseline model), the power converter is an active rectifier, in the second architecture (proposed model), it is constituted of three passive rectifiers and one active rectifier. Finally, the proposed model with bypass structure is the modification of the second one, where a bypass system is included.

To proceed with the analysis, appropriate Markov models capturing the failure behavior of the different topologies are constructed. This allows the computation of performance metrics of interest such as the reliability, the failure rate or the mean time to failure, that will show which system has the highest probability of delivering its function uninterruptedly. This statistical evaluation and comparison will reveal which architecture will undergo lower Operation and Maintenance (O&M) costs and therefore will make the overall cost of energy decrease. Besides, different repair strategies are studied for each topology to further examine the availability, i.e. the degree to which the system will perform its intended function, and the expected number of hours that the WECS provides the required output power. Results disclose which approach maximizes the power supplied in different periods of time.