Overvoltage Mitigation Techniques in Wind Power Generators

Advancements in power electronic semiconductor switching devices have lead to significantly faster switching times. In motor and generator applications, the fast switching times of pulse width modulated (PWM) inverters lead to overvoltages caused by voltage reflections with shorter and shorter cables. These excessive overvoltages may lead to a failure of the electrical machine in a matter of months. In this thesis, the causes behind the overvoltage phenomenon as well as its different mitigation techniques are studied. The most suitable techniques for mitigating the overvoltage phenomenon in wind power generator applications are chosen based on both simulations and actual measurements performed on a prototype. An RC filter at the terminals of the electrical machine and an inverter output filter designed to reduce the rise and fall times of voltage pulses are presented as a solution to the overvoltage problem. The performance and losses of both filter types are analysed.

Puolijohdeteknologian kehitys on johtanut tehoelektroniikan kytkinkomponenttien kytkentäaikojen huomattavaan lyhenemiseen. Moottori- ja generaattorikäytöissä pulssileveysmodulaatiota käyttävien (PWM) inverttereiden nopeat kytkentäajat aiheuttavat kaapeliheijastumista johtuvia ylijännitteitä entistä lyhyemmillä kaapeleilla. Voimakkaat ylijännitteet saattavat johtaa sähkökoneen hajoamiseen jo muutaman kuukauden käytön jälkeen. Tässä työssä tutustutaan kaapeliheijastumien syntyilmiöihin, sekä erilaisiin vaimennustekniikoihin. Näistä tekniikoista valitaan sopivimmat vaihtoehdot ylijänniteongelman minimoimiseksi tuulivoimageneraattoreissa. Menetelmien soveltuvuutta arvioidaan simulointien, sekä prototyypillä tapahtuvien mittausten perusteella. Ylijänniteongelman ratkaisuksi esitetään käytön sähkökoneen päätyyn asennettavaa RC suodatinta, sekä invertterin lähtöön asennettavaa jännitteen nousunopeutta rajoittavaa suodatinta. Työssä analysoidaan molempien suodatintyyppien suorituskykyä sekä häviöitä.