Development of an integrated electrothermal model for subsea power electronics

Abstract

A instalação de redes elétricas submarinas em águas ultra profundas surgiu como solução para atingir campos de extração cada vez mais esparsos e reduzir o peso nas plataformas e a perda de energia nos cabos submarinos. A necessidade do gerenciamento térmico dos circuitos de potência nessas circunstâncias levou ao surgimento de sistemas de resfriamento passivos, que consistem em invólucros com sistema de pressão compensada, que resfriam os circuitos eletrônicos por imersão direta em fluido dielétrico. No entanto, a maioria dos modelos existentes para gerenciamento térmico de eletrônica de potência consideram condições de contorno de transferência de calor fixas e dependem de métodos numéricos ou empíricos para extrair a impedância da rede térmica. Isso torna o processo de predição de temperatura demorado e complexo. Logo, o presente trabalho se propõe a desenvolver um modelo de rede eletrotérmica integrado, capaz de estimar as temperaturas e perdas durante o regime transiente, com boa flexibilidade e fácil implementação, servindo como uma ferramenta útil para o projeto e otimização de eletrônica de potência submarina. Ele foi projetado para modelar eletrônica de potência submarina operando nas faixas típicas de frequência de comutação de modulação, para potências de saída altas ou baixas, e que dependem de resfriamento por convecção natural para o gerenciamento térmico. A componente do modelo referente ao circuito de potência foi validada experimentalmente com um o protótipo de um inversor trifásico NPC multinível, obtendo uma excelente concordância para os valores de elevação de temperatura dos componentes, em média abaixo de 2.0ºC; e um erro médio no cálculo das perdas de 5.8%. O modelo integrado foi validado em uma bancada de convecção natural com um protótipo do inversor de frequência submarino em regime permanente e transiente, obtendo um erro máximo na temperatura dos componentes inferior a 1.2 ºC. Além disso, a geometria proposta para o sistema de resfriamento submarino passivo foi comparada à formas geométricas usuais da literatura através de método de rede térmica com algoritmo genético e simulações numéricas. Diferentes razões de aspecto dos circuitos foram consideradas, obtendo uma condutância térmica volumétrica 190% superior à uma das geometrias mais usuais,com a melhor distribuição de peso e tamanho dentre todas geometrias, mesmo após otimização.

Abstract: The installation of subsea electrical networks in ultra-deep waters emerged as a solution to reach increasingly sparse extraction fields and reduce the weight on platforms and energy loss in submarine cables. The need for thermal management of power circuits in these circumstances led to the emergence of passive cooling systems, which consist of enclosures with compensated pressure systems that cool electronic circuits by direct immersion in dielectric fluid. However, most existing models for thermal management of power electronics consider fixed heat transfer boundary conditions and rely on numerical or empirical methods to extract the thermal network impedance. This makes the temperature prediction process time-consuming and complex. Therefore, the present work proposes to develop an integrated electrothermal network model capable of estimating temperatures and losses during the transient regime, with good flexibility and easy implementation, serving as a useful tool for the design and optimization of submarine power electronics.It was designed to model subsea power electronics within its typical range of modulating and switching frequencies, for low or high output power, and that relies on natural convection cooling for thermal management. The model component related to the power circuit was experimentally validated with a prototype of a multilevel NPC three-phase inverter, obtaining excellent agreement for the temperature rise values of the components, on average below 2.0ºC, and an average error in power loss calculation of 5.8%. The integrated model was validated in a natural convection bench with a prototype of the submarine frequency inverter in transient and steady-state regime, obtaining a maximum error in component temperatures below 1.2ºC. Furthermore, the proposed geometry for the passive submarine cooling system was compared to usual geometric shapes from the literature through a thermal network method with a genetic algorithm and numerical simulations. Different circuitry aspect ratios were considered, achieving a volumetric thermal conductance 190% superior to one of the most common geometries, with the best weight-to-size distribution among all geometries, even after optimization.