Study of acoustic emissions in power electronics used in offshore wind power applications

Abstract

Behovet for ren fornybar energi er større enn noen gang, med året 2023 som inneholdt de største målte klimagassutlippene og varmeste temperaturene i menneskehetens historie [1]. Slike tall tvinger frem en større global satsning på kraftproduksjon ved hjelp offshore vindturbiner. Innen 2032 er det forventet en økning i offshore vindkraftproduksjon på 590%, fra 64.3 GW kapasitet til 447 GW [2]. Tidligere uberørte havområder vil snart bli berørt av offshore FRC vindturbiner. Den kontinuerlige driften av vindturbinene vil bringe ny akustisk støyforurensning til marine økosystemer.

Denne masteroppgaven fokuserte på den høyfrekvente akustiske støyen som blir produsert av offshore vindturbiner. Den antatt største bidragsyteren til slik støy er "switche"-operasjonen som utføres av IGBT komponenten i vindturbinens omformersystemer. Et laboratorieforsøk ble satt opp for å samle inn nødvendig data for å kunne konstruere en digital modell av IGBT komponentens akustiske støyutslipp. Laboratorieforsøket brakte frem interessante data og trender som forklarer forholdet mellom IGBT komponentens akustiske støy, kretsens elektromagnetiske inferferens og de elektriske parameterene i kretsen. Denne empiriske dataen er et av bidragene fra denne masteroppgaven som kan benyttes ved videre forskning på dette feltet. Å lage en digital modell av IGBT komponentens akustiske støy viste seg å være for kompleks for tidsrommet denne masteroppgaven hadde tilgjengelig, og vil kreve mer arbeid for å realisere.

Funnene fra laboratorieeksperimenter konkluderer med en sterk sammenheng mellom en IGBT sin turn-off strøm og styrken på generert støy. Dette forholdet ser ut i fra resultatene til å være kvadratisk, hvor raten av økning til støyen avtar på høyere strømverdier. Denne kvadratiske sammenhengen kan være en årsak av at mikrofonen plukker opp både akustisk og elektrisk støy, men mer forskning kreves for å bekrefte dette.

Mens turn-off strømmen ser ut til å ha størst innvirkning på styrken på støyen, indikerer også resultatene at størrelsen på spenning og motstand i kretsen kan påvirke støyprofilen til IGBT-kretsen, uten å endre på turn-off strømmen. Denne kunnskapen kan potensielt brukes til å tilpasse støyutslipp til økosystemene hvor vindturbinene blir plassert.

Med en switchefrekvens mellom 1-21 kHz ble de høyeste støytoppene registrert i området 60-100 kHz, med mindre støytoppen som strekker seg mot 140 kHz. Disse resultatene fremhever potensialet for støyutslipp som kan være umerkelig for menneskelig hørsel, men som kan forårsake negative konsekvenser for sjøpattedyr, grunnet deres omfattende hørselsrekkevidde på opp mot 200 kHz [3].

The need for clean renewable energy is greater than ever, with the year 2023 having the highest greenhouse gas emissions and warmest temperatures recorded in human history [1]. This incentivizes a global push for offshore wind power production. By 2032, a 590% increase in offshore wind power capacity, from 64.3 GW to 447 GW, is expected [2]. Earlier untouched areas of the ocean will soon be occupied by offshore Fully Rated Converter Wind Turbine (FRC WT). This brings new acoustic noise pollution from the continuous operation of the FRC WTs to a vulnerable marine ecosystem.

This master's thesis focused on the high-frequency acoustic noise produced by offshore FRC WTs. The major contributor to this noise is the switching operation done by Insulated Gate Bipolar Transistors (IGBTs) in the WT's converter systems. A laboratory experiment was set up to gather the necessary data for a digital model of IGBT acoustic noise emissions. The experiment brought forth interesting data and trends explaining the relationship between the IGBT's acoustic noise, EMI, and the parameters of the circuit. This empirical data is a contribution of this thesis and may be used for future research. However, the task of making a digital model of an IGBT's acoustic noise emissions proved to be too complex for the time frame of this thesis and will need more work going forward.

The laboratory experiment's findings conclude that there is a strong relationship between the IGBT's turn-off current and the strength of the noise produced. This relationship looks quadratic, where the rate of increase of the noise decreases at higher current values. This quadratic relationship may be explained by the microphone picking up both acoustic and electronic noise, but more research is needed to confirm this.

While the turn-off current seems to have the biggest impact on the strength of the noise, the results also indicate that the magnitude of voltage and load may impact the noise profile of the IGBT circuit without changing the turn-off current. This knowledge may be used to better adapt noise emissions to cause less harm to local wildlife.

With switching speed between 1-21 kHz, the highest noise peaks were normally between 60-100 kHz, with smaller peaks extending to 140 kHz. This highlights the possibility of noise emissions that may be unnoticeable to humans but may cause a negative impact on marine mammals because of their extensive hearing range of up to 200 kHz [3].