Reliability assessment of Photovoltaic Plants

Failures of Photovoltaic (PV) systems started to reflect a dramatic effect on the economics of power generation and risk of power interruptions. Recent surveys and reports manifest the delusion of PV systems being reliable systems based on the recorded failures of the system components and the associated degradation of PV output power. The thesis presents a complete reliability assessment on the functional failures associated with grid connected PV systems. This objective is achieved by a root cause analysis of failures through the widely used reliability technique “Failure Mode Effect Criticality Analysis (FMECA)”, which is developed in this work and a new approach is introduced. The new approach is introduced because the traditional FMECA approach is not recognized during the operation phase in all the current FMECA standards, except TM-5-698-4 standard that states the possibility to implement FMECA in the operation phase. However, TM-5-698-4 standard does not state any details on the steps to implement FMECA in the operation phase. Since the traditional FMECA is limited to the design phase, the traditional FMECA considers only failure modes and no considerations are given to the mechanisms of these failure modes. Moreover, traditional FMECA is not up-to-dated with maintenance activities. The novelty of the new FMECA approach stems from the possibility to apply a strong FMECA technique during the operation phase through a strong dynamic reliability modelling, using Markov Process based on functionality analysis with multistate modelling, and a proper condition monitoring. In this work, the drawbacks and standards controversies of the traditional FMECA are discussed and a new approach is introduced. This new approach is applied on PV systems during the design and operation phases. During the design phase, the root failure causes of PV systems are studied in details through FMEA approach and criticality analysis. A detailed failure cause root analysis is conducted for each possible failure mode of PV systems. This is associated with a prioritization for each failure mode using quantitative methods, for PV inverter, and a qualitative approach, for PV module and Balance of System (BoS). During the operation phase of PV systems, Markov process modelling and condition monitoring are applied on the different failure modes of PV systems. In Markov modelling, a functional analysis based on possible failure modes are conducted using Markov process through another route of analysis based on failure modes which is different than most of Markov structural analysis, carried out in literature, of the traditional two levels of performance. Since, it might be practically hard to track the reliability of a complex system that has large numbers of failure modes. Each subsystem is analysed separately by Markov process in order to evaluate its probability of success, reliability, then these subsystems are connected together according v to their functional relationship. Finally, the overall reliability is evaluated based on the reliability functions of the traditional Reliability Block Diagram (RBD). This multistate system Markov modelling overcomes the commonly adopted assumptions of binary one, provides more realistic representation of engineering systems and guarantees a proper maintenance policy based on all possible scenarios of the system conditions. This gives a strong tool to evaluate and predict the probability of failures. Meanwhile, the proposed condition monitoring is based on sensor measurements, which are processed and analysed in order to detect any drop in PV performance. This drop can detect the potential failure mode in the field considering the proposed detection strategies. The main objective of the new FMECA approach is to improve the design of systems in order to limit or prevent any potential failures in the future operation. In addition, it helps in avoiding and reducing the failure modes that might occur during the operation phase itself.

I guasti di sistemi fotovoltaici (FV) ha iniziato a riflettere un effetto drammatico sull'economia della produzione di energia e il rischio di interruzioni di corrente. Recenti indagini e rapporti manifestano l'illusione di impianti fotovoltaici che sono sistemi affidabili basati sui fallimenti registrati dei componenti del sistema e della degradazione del fotovoltaico associato potenza di uscita. La tesi presenta una valutazione completa affidabilità sulle anomalie di funzionamento con i sistemi fotovoltaici associati connessi alla rete. Questo obiettivo viene raggiunto l'analisi delle cause dei guasti attraverso la tecnica ampiamente usato affidabilità "Il fallimento della modalità Effetto delle criticità Analisi (FMECA)" che si sviluppa nel lavoro ESTA e un nuovo approccio è stato introdotto. Il nuovo approccio è FMECA tradizionale introdotta perché l'approccio non è riconosciuto Durante la fase di funzionamento in tutte le norme FMECA correnti, salvo TM-5-698-4 che gli stati standard, la possibilità di implementare FMECA in fase di funzionamento. Tuttavia, TM-5-698-4 standard non dichiarare alcun dettaglio sulle misure per attuare FMECA in fase di funzionamento. Dal momento che la FMECA tradizionale si limita alla fase di progettazione, la FMECA tradizionale considera modalità di guasto e non solo considerazioni sono date ai meccanismi di queste modalità di guasto. , Inoltre, FMECA tradizionale non è up-to-datato con attività di manutenzione. La novità del nuovo approccio FMECA nasce dalla forte possibilità di applicare alla FMECA Durante la fase di esercizio tecnica attraverso un forte modellazione dinamica affidabilità, utilizzando l'analisi Markov processo basato sulla funzionalità Con la modellazione multistato, e un monitoraggio delle condizioni corretta. In questo lavoro, gli inconvenienti e le controversie del FMECA tradizionali sono discussi e un nuovo approccio viene introdotto norme. Questo nuovo approccio viene applicato su sistemi fotovoltaici progettazione e funzionamento Durante le fasi. Durante la fase di progettazione, le cause alla base dei sistemi fotovoltaici fallimento sono studiati in dettaglio attraverso l'approccio FMEA e l'analisi di criticità. Una dettagliata analisi dei guasti delle cause è condotta per ogni possibile modalità di guasto dei sistemi fotovoltaici. Questo è associato con una priorità per ogni modalità di guasto utilizzando metodi quantitativi, per inverter fotovoltaici, ed un approccio qualitativo, per il modulo fotovoltaico e Balance of System (BOS). Durante la fase di funzionamento dei sistemi fotovoltaici, processo di modellazione Markov e monitoraggio delle condizioni vengono applicate sulle diverse modalità di guasto dei sistemi fotovoltaici. In Markov modellazione, l'analisi funzionale basata su possibili modalità di rottura utilizza processo di Markov condotto attraverso un percorso di analisi basata sulla modalità di rottura che è diverso rispetto alla maggior parte di Markov analisi strutturale, svolta nella letteratura, dei tradizionali due livelli di prestazioni. Dal momento, potrebbe essere difficile tenere traccia Praticamente l'affidabilità di un sistema complesso che ha un gran numero di modalità di guasto. Ogni sottosistema viene analizzato separatamente dal processo di Markov, al fine di valutare la sua probabilità di successo, l'affidabilità, poi un Tali sottosistemi sono collegati insieme secondo v Il loro rapporto di funzionale. Infine, l'affidabilità complessiva si basa sulle funzioni di affidabilità VALUTARE della tradizionale Reliability Block Diagram (RBD). Questo Multistate sistema di modellazione Markov supera le ipotesi di un binario comunemente utilizzate, fornisce la rappresentazione più realistica dei sistemi di ingegneria e garanzie per una corretta politica di manutenzione sulla base di tutti i possibili scenari delle condizioni del sistema. Questo dà un forte strumento per valutare e prevedere la probabilità di guasti. Nel frattempo, il monitoraggio delle condizioni proposta si basa su misurazioni dei sensori, che vengono elaborati e analizzati al fine di individuare eventuali cali di prestazioni PV. Questo calo può individuare la modalità potenziale fallimento nel campo Considerando le strategie di rivelazione proposte. L'obiettivo principale del nuovo approccio FMECA è quello di migliorare la progettazione dei sistemi al fine di limitare eventuali errori potenziali o prevenire in futuro il funzionamento. Inoltre, aiuta a evitare o ridurre le possibilità di rottura che potrebbero verificarsi durante la fase di operazione stessa.