Termisk design av halvleder-kretsbryter for MVDC-nett

Abstract

Denne masteroppgaven er del av en mastergrad i Elektrisk Energiteknikk og Smarte Nett ved Norges Teknisk-Naturvitenskapelige Universitet.

Design og optimalisering av en MVDC-bryter er et kritisk stadium i implementeringen av MVDC-nett for fremtidige kraft systemer. En viktig del av denne prosessen er termisk design. Solid-state kretsbrytere lider av høyt ledningstap og varmeproduksjon, som må håndteres.

Formålet med denne oppgaven er å undersøke bryterens termiske oppførsel og de relevante faktorene i elektrisk drift sammen med en analyse av dagens kjølesystemer. Dette gjøres gjennom en oversikt over aktuell forskning om emnet, sammen med MATLAB/Simulink simuleringer. Basert på en litteraturstudie, er strømavbrytende halvlederbryter funnet å være den mest lovende løsningen. Den overlegne ytelsen til den Insulated Gate-Commutated Thyristor (IGCT) er vist fra en komparativ studie av de undersøkte halvlederkomponentene under forskjellige driftsforhold. Analysen av varmehåndtering konkluderer med at væskebaserte kjølesystemer er det mest lovende konseptet, mens aktiv luftkjøling kan være gunstig for visse applikasjoner.

This master thesis is part of a degree of Master of Technology in Electric Power Engineering and Smart Grids at Norwegian University of Science and Technology.

Design and optimization of a MVDC circuit breaker is a critical stage in implementing MVDC grids for future power systems. An important part of this process is the thermal design. Solid-state circuit breakers suffer from high conduction losses and subsequently heat generation, which must be efficiently dissipated to the environment.

The purpose of this paper is to investigate the thermal behaviour of the breaker and the relevant factors in electrical operation, along with an analysis of current cooling systems. This is done through an overview over current research on the subject, along with MATLAB/Simulink simulations. Based on a literature study, the current interrupting solid-state circuit breaker is found to be the most promising solution. The superior performance of the Insulated Gate-Commutated Thyristor (IGCT) is shown from a comparative study of the investigated devices under different system operating conditions. The analysis of thermal management considers liquid cooling systems to be the most promising concept, while forced air cooling may be beneficial for certain applications.