Impact of switched voltage waveforms on power components and grids

For å nå målene i EUs Green Deal vil det være behov for storstilt elektrifisering av samfunnet. Dette inkluderer massiv utbygging av fornybar energiproduksjon fra sol/vind/vann, elektrifisering av transport, avkarbonisering av industriprosesser og effektiv transmisjon av elektrisk kraft. Kraftelektronikkomformere er en nøkkelteknologi for omforming og styring av elektrisitet og er en viktig teknologi for å kunne elektrifisere. Omformerteknologien utvikler seg raskt, og får stadig høyere svitsjehastighet og spenningsnivå, noe som bidrar til å redusere kompleksiteten og øke effektiviteten sammenlignet med dagens løsninger. Den raskere svitsjehastigheten og høyere spenningene gir raskere spenningsendringer som introduserer økte og nye påkjenninger internt i kraftkomponentene. Disse påkjenningene initierer nye, og akselererer eksisterende, feilmekanismer i den elektriske isolasjonen til kraftkomponentene. Dette resulterer i mer alvorlig aldring og degradering av materialene og komponentene. Erfaringen og kunnskapen bygget på konvensjonell teknologi og påkjenninger er ikke alltid relevant, og det kreves derfor nye og mer komplekse modeller og analyser på alle nivåer fra material til komponenter og systemanalyse for å karakterisere, forstå og forutsi effekten av raskere kraftelektronikk. Prosjektet vil utvikle metoder for å måle og karakterisere de økte påkjenningene kraftkomponentene utsettes for. SwoP vil videre undersøke akselerasjonen av degradering, og initiering av nye feilscenarier, som vil oppstå på grunn av raske omformere. Dette vil sikre effektiv og pålitelig elektrifisering gjennom økt implementering av raske omformere. Forskningen skal utføres i samarbeid med internasjonal industri innen energi og elektrifisering, og universiteter i Italia og Norge.

Electricity has been produced, transmitted, and consumed mainly in AC systems where the voltages vary sinusoidally at 50 or 60 Hz for more than a century. Design and testing of power components have been developed based on experience with AC. During the last decades power electronic converters (PECs) have been introduced. PECs are ideally suited to control and transform power – and permeate society for numerous applications: zero-emission transport, renewable energy, electrification, and transmission. PECs function as on/off switches, resulting in sharp-edged square wave voltages with high repetition rate. These sharp voltage flanks introduce different stress distributions internally in components, that are challenging to model and predict. Today’s methods for modelling this are not accurate enough and new methods must be developed to map stresses accurately for components under PEC stress. The increased stresses initiate new, or accelerate existing, failure modes in electric insulation. Partial discharges (PD), which are small electric sparks in voids and at defects in the electric insulation, is the dominating failure mechanism and is more severe under switched voltages. Understanding why and how is crucial for reliable electrification of society. Qualification and testing are done under AC voltages because standardized methods are incompatible with switched voltages since high-frequency noise generated by PECs overlaps the frequency range used for conventional PD testing. Novel high-frequency methods for testing in factory and on-site must therefore be developed and communicated to standardization bodies. The project will develop methods to measure and characterize the increased stresses on power components exposed to fast PECs. Acceleration of degradation, and initiation of new fault scenarios, that emerge due to PECs will be investigated and predictive models generated. This will ensure reliable components and grids contributing to electrification of society.