Gerenciamento térmico de conversores de potência de aerogeradores offshore

Abstract

A energia eólica é uma das fontes renováveis promissoras no cenário da transição energética e a cada ano, a capacidade instalada dos sistemas de conversão vem crescendo continuamente. A exploração do recurso eólico em ambientes offshore fomentou o desenvolvimento de turbinas eólicas com potências mais elevadas, gerando novos desafios tecnológicos. Dentre os subsistemas que mais sofreram incrementos tecnológicos nesse processo, destacam-se os conversores de potência responsáveis pela interface entre o sinal elétrico intermitente produzido no gerador e a corrente elétrica na frequência estabelecida para a rede externa. O principal desafio está relacionado com a dissipação de calor produzido nos dispositivos semicondutores, como diodos e IGBTs. Nesse sentido, este trabalho tem como propósito investigar as perdas térmicas e a distribuição de temperatura de módulos transistores resfriados por convecção forçada de líquido utilizados em um conversor 3L-NPC de uma turbina eólica de 10 MW previamente selecionada. Quatro diferentes conceitos de dissipadores são propostos: (I) dissipador comercial com dutos cilíndricos, (II) dissipador de aletas longitudinais de perfil retangular, (III) dissipador de aletas piniformes de seção circular e (IV) dissipador com tubos de calor e camisa de líquido. Modelos analíticos e simulações numéricas foram considerados para estimar a resistência térmica dos dissipadores variando-se a vazão do fluido de arrefecimento. Em todas as configurações, a água foi considerada como líquido de resfriamento. Um modelo transiente considerando os circuitos térmicos de Cauer e Foster foi também implementado para averiguar o comportamento temporal da temperatura de junção dos módulos IGBTs operando com cada um dos quatro dissipadores. Os resultados apresentaram maior desempenho dos dissipadores aletados entre os projetos conceituais estudados, relativamente superior aos dissipadores comerciais e solução proposta com auxílio de tubos de calor. Dentre os conceitos investigados, o dissipador de aletas piniformes apresentou a menor resistência térmica, tornando possível o gerenciamento térmico dos conversores, mesmo em condições de altos valores de potência reativa e vazões moderadas.

Abstract: Wind energy is one of the promising renewable sources in the energy transition scenario. The installed capacity of the conversion systems has been growing continuously. The exploration of wind resources in offshore environments has kicked off the development of higher power wind turbines, performing new technological challenges. The power converters stand out among the most technologically improved subsystems. These interface the intermittent electrical power from the generator and grid side requirements for a steady signal. The heat dissipation produced in semiconductor devices such as diodes and IGBTs appears as a challenge to the new system's design. In this sense, this work aims to investigate the thermal losses and temperature fields of IGBT modules cooled by forced liquid convection used in a 10 MW wind turbine 3L-NPC converter. Four different heatsink concepts are investigated: (I) commercial heatsink with cylindrical ducts, (II) longitudinal fins heatsink with a rectangular profile, (III) pin fin heatsink with circular section, and (IV) heatsink with heat pipes and liquid jacket. Analytical models and numerical simulations were considered to estimate the heatsink thermal resistance by varying the coolant flow rate. In all configurations, water was considered as the coolant. A transient model considering the Cauer and Foster thermal circuits was also implemented to investigate the time-dependent behavior of the IGBTs modules junction temperature with each of the four heatsinks. The results pointed out a higher performance of finned heatsinks among the studied conceptual designs. Among the concepts investigated, the piniform fin heatsink has the lowest thermal resistance, enabling the thermal management of the converters, even under conditions of high reactive power values and moderate flow rates.