Intelligent Medium Voltage Modular Multi-level Converter for Environmental Energy

Markedet for fornybar energi har økt betydelig. Spesielt vindkraft har vist seg å være en av de energikilder som har lavest kostnad, selv uten subsidier. Innen Offshore vind antas det en økning i turbinenes vingespenn fra dagens 150m til mere enn 250 m. Turbinens effekt øker da fra dagens 10 MW og opp til typisk 15 MW. Også innen Marin og Olje&Gass markedene øker ytelsene i effekt for mange anvendelser. Slike økte ytelser vil kreve at man benytte mellomspent motordrifter, dvs. en økning fra 690 V system til minst 2.3-3.3 kV systemspenninger. I dette prosjektet skal det utvikles en Intelligent Mellomspent Modulær fler-nivå omformer. Både Silisium og Silisiumkarbid komponenter skal vurderes. Brukerne forventer økt tilgjengelighet. For å muliggjøre dette vil det utvikles intelligente gatedrivere for transistorene, samt tilsvarende styresystem. Målet er å kunne benytte omformeren som en intelligent sensor. Målet er å øke tilgjengeligheten til motordriften, samt være i stand til å estimere gjenværende levetid og foreta prediktivt vedlikehold. 3D-multifysikk analyser vil bli brukt for å optimalisere omformer-designen. Utfordringene innen FoU er å designe en omformer som utnytter komponentene nærmere sine grenseverdier for å redusere kostnad, vekt og volum. Dette vil kreve raske intelligente gatedrivere og kontroll system for å beskytte transistorene, I tillegg skal kontroll system strukturen muliggjøre rask rekonfigurering av drive-systemet for å opprettholde tilgjengeligheten.

The Switch have developed new advanced gate drivers as well as new high speed serial link protocols. NTNU has acquired experience with Comsol MultiPhysics for 3D simulation of electromagnetic and thermal effects inside Power Modules.

In this project an Intelligent Medium Voltage Modular Multi-level Converter to be used in Environmental Energy Applications will be developed. Due to the required increased power ratings, a Medium Voltage converter solution is required. Different converter topologies will be investigated and one topology will be selected for implementation in a prototype converter. To reduce cost and volume, it is required to utilize the components closer to their limits. This means carefully consideration of converter design and intelligent gate drivers for optimal utilization of the semiconductor device. The effect on reliability of the converter has to be investigated in details. 3 D analysis of electromagnetic and thermal effects will be performed. A prototype converter will be build and tested.