Fault Diagnosis in Energy Systems for Telecommunications

Abstract

As redes de telecomunicações estão a expandir-se para locais remotos face ao aumento do uso das mais recentes tecnologias de comunicação sem fios. Como tal, as empresas de telecomunicações têm como principais objectivos reduzir os custos do consumo de energia dos seus equipamentos bem como melhorar a sua fiabilidade. Novas soluções alternativas de sistemas autónomos de alimentação recorrendo a energias renováveis são actualmente a opção mais atractiva para atingir estes objectivos. No presente trabalho desenvolveram-se métodos de diagnóstico de avarias para os conversores de electrónica de potência aplicados como interface em sistemas de alimentação que reúnem energias renováveis e componentes de armazenamento de energia. Um estudo aprofundado de sistemas de alimentação eólicos e fotovoltaicos, bem como de sistemas de energia DC para telecomunicações, permitiu constatar que os conversores DC-DC não isolados são um componente importante de interface que permite optimizar a produção das energias renováveis. Por este motivo, quatro conversores DC-DC diferentes foram escolhidos para estes sistemas, nomeadamente conversores DC-DC não isolados com uma só saída e unidireccionais, conversores DC-DC entrelaçados com três fases, conversores DC-DC de três níveis para aumentar a tensão e conversores DC-DC de meia ponte bidireccionais. Para concretizar os estudos teóricos de simulação dos sistemas de alimentação que incluem geradores eólicos ou fotovoltaicos, armazenamento de energia e conversores de electrónica de potência, foram escolhidos modelos de painéis fotovoltaicos, geradores eólicos e baterias conjungando da melhor forma o compromisso entre a precisão dos resultados e o esforço computacional exigido. Os resultados obtidos em simulação foram validados com sucesso pelos resultados obtidos experimentalmente. O funcionamento normal e em avaria de circuito aberto de um dos semicondutores dos conversores DC-DC mencionados foi extensivamente estudado. Ambas as análises permitiram desenvolver quatro novos métodos de diagnóstico de avarias para estes conversores. Estes métodos são robustos face à ocorrência de transitórios e usam apenas as variáveis de controlo, não tendo a necessidade de incluir mais sensores no conversor. Em grande parte, os cálculos utilizados são triviais e, uma vez que são necessários poucos recursos computacionais, o tempo de processamento é diminuto. Com reduzido esforço, os métodos desenvolvidos permitem facilmente melhorar a fiabilidade dos conversores DC-DC. Por fim, assim que a avaria é detectada, estratégias de tolerância a falhas podem ser aplicadas aos conversores DC-DC para evitar a interrupção do seu funcionamento. O conversor DC-DC entrelaçado é o único que possui uma intrínseca tolerância a falhas, apesar de, após a ocorrência de uma avaria, o seu desempenho ser reduzido. Os conversores DC-DC não isolados com uma só saída e unidireccionais e de meia ponte bidireccionais são compostos por um número reduzido de componentes, o que os torna muito atractivos para estratégias de tolerância a falhas baseadas em redundância. É apresentada uma nova estratégia de reconfiguração do conversor DC-DC de três níveis elevador de tensão para aplicações fotovoltaicas. Esta requer apenas que sejam adicionados alguns componentes à constituição original do conversor DC-DC de três níveis para que, após a ocorrência de uma avaria, este seja reconfigurado num conversor DC-DC de dois níveis para assegurar a continuidade do seu funcionamento.

Telecommunications networks are expanding for remote locations with the increased dependency on new mobile communication technologies. Therefore, high reliability and reduced energy consumption costs are mandatory targets for the telecommunications companies. Alternative and grid independent energy solutions based on renewable energies are very attractive to accomplish those targets. The main goal of this work is to develop fault diagnostic methods for the power interfaces applied to telecommunications power supplies based on renewable energies and energy storage devices technologies. An in-depth research though small and medium wind and photovoltaic (PV) power conversion systems and the DC telecommunications power supply requirements identified non-isolated DC-DC converters as key power conversion interfaces, because they optimize the renewable energies generation. Therefore, four different DC-DC converters have been selected for interfacing PV-batteries and wind-batteries power systems, namely unidirectional single-ended DC-DC converters, three-phase interleaved DC-DC converters, three level boost DC-DC converters and bidirectional half-bridge DC-DC converters. Photovoltaic arrays, wind generators and batteries models presenting the best accuracy and computational effort compromise for electrical circuits simulation were chosen for simulating power supply systems including generators, storage devices and power interfaces. Using these simulation models, theoretical studies were performed presenting a good agreement with experimental results. The mentioned DC-DC converters under healthy condition and with introduced power switch open-circuit faults are comprehensively studied. Both analyses provide the required data for developing four novel fault diagnostic techniques for the mentioned DC-DC converters. The presented methods are robust against transients and use only the control variables without requiring extra sensors. They mainly use basic mathematical calculations which results in a quick processing time and low computational requirements. Therefore, they permit to easily improve the DC-DC converters reliability with a small effort. Finally, as soon as the fault is detected, fault-tolerant strategies must be used to avoid the DC-DC converters stoppage. The interleaved DC-DC converter is the only topology with inherent fault tolerance, although its performance is greatly reduced. The unidirectional single-ended DC-DC converters and the bidirectional half-bridge DC-DC converters have a reduced number of components, which makes them attractive for fault-tolerant strategies based on redundancy. A novel reconfiguration fault-tolerant strategy for the three-level boost converter applied to photovoltaic applications is proposed. It requires only a few components added to the original topology, so that, under an open-circuit power switch fault, it can be partly reconfigurated into a two-level boost converter ensuring energy supply.