KR101242250B1 - Apparatus and method for fault diagnosis of switching device in neutral point clamped inverter system - Google Patents

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Abstract

NPC 인버터 스위칭 소자 고장진단장치 및 방법이 개시된다. 본 발명의 실시예에 따른 NPC 인버터 스위칭 소자 고장진단장치는, 3상마다 역방향 다이오드를 포함한 복수의 스위칭 소자와 복수의 클램핑 다이오드를 구비하여, 직류전류를 3상 교류 전류로 변환하여 계통에 인가하는 NPC 인버터; 와 상기 3상 교류 전류의 정지 좌표계상 2차원 전류벡터의 반지름 및 각도에 기초해, 상기 NPC 인버터 내 고장이 발생한 상의 스위칭 소자들을 확인하고, 상기 계통전압의 극성상태에 따라 상기 확인된 스위칭 소자들의 스위칭동작을 다르게 제어하여, 상기 고장이 발생한 상에서 전류의 흐름 여부로써 고장 스위칭 소자를 판단하는 고장진단 판단부를 포함한다.An apparatus and method for diagnosing an NPC inverter switching element is disclosed. The NPC inverter switching element fault diagnosis apparatus according to an embodiment of the present invention includes a plurality of switching elements including a reverse diode and a plurality of clamping diodes for each of three phases, and converts a DC current into a three-phase AC current and applies it to a system. NPC Inverter; And based on the radius and angle of the two-dimensional current vector on the stationary coordinate system of the three-phase alternating current, identify the switching elements of the faulty phase in the NPC inverter, and determine the switching elements according to the polarity state of the grid voltage. By controlling the switching operation differently, and comprises a failure diagnosis determination unit for determining the failure switching element by the flow of current in the fault occurs.

Description

엔피시 인버터의 스위칭 소자 고장진단장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR FAULT DIAGNOSIS OF SWITCHING DEVICE IN NEUTRAL POINT CLAMPED INVERTER SYSTEM}Device and method for diagnosing switching elements of NPC inverters {APPARATUS AND METHOD FOR FAULT DIAGNOSIS OF SWITCHING DEVICE IN NEUTRAL POINT CLAMPED INVERTER SYSTEM}

본 발명은 NPC(Neutral Point Clamped) 인버터의 스위칭 소자 고장진단장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 계통연계 상황에서 3-레벨 NPC 인버터 스위칭 소자의 개방성 고장 진단 기술에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus and a method for diagnosing switching element failure of a neutral point clamped (NPC) inverter, and more particularly, to an open fault diagnosis technique of a three-level NPC inverter switching element in a grid connection situation.

반도체 스위칭 소자를 이용한 전력변환장치는, 예를 들어 NPC 인버터는 전기전력제어 시스템뿐만 아니라 최근 환경문제로 인해 각광받고 있는 신 재생에너지 발전시스템의 제어를 위한 필수적인 장치이다. 하지만 산업현장에서 스위칭 소자의 개방고장 및 단락고장이 종종 발생하여 시스템의 성능 및 안정성 문제와 경제적 손실이 발생한다. 이로 인해서 스위칭 소자의 고장진단을 통해 이러한 문제를 최소화하고 유지 보수의 편의성 증가를 위한 고장진단기법들이 필요하다.In the power conversion device using a semiconductor switching element, for example, an NPC inverter is an essential device for controlling not only an electric power control system but also a renewable energy power generation system that is in the spotlight due to recent environmental problems. However, in the industrial field, open and short circuits of switching devices often occur, resulting in performance and stability problems of the system and economic loss. For this reason, troubleshooting techniques for minimizing these problems and increasing convenience of maintenance through troubleshooting of switching devices are required.

이러한 고장진단기법은 모델기반기법과 전압신호기법으로 나누어진다. 모델기반기법은 추가적인 센서가 필요하지 않은 장점을 갖지만 정확한 시스템 모델링을 필요로 한다. 이에 모델링의 정확성 여부에 따라 잘못된 고장진단 신호를 발생할 수 있어 복잡한 시스템의 적용에 한계가 있다. The fault diagnosis technique is divided into model-based technique and voltage signal technique. Model-based techniques have the advantage of not requiring additional sensors but require accurate system modeling. Therefore, the fault diagnosis signal may be generated depending on the accuracy of modeling, and thus there is a limit to the application of a complex system.

전압신호기반 기법은 크게 극전압, 선간전압, 상전압, 중성점전압 측정방법으로 나누어진다. 극전압 측정방법과 선간전압 측정방법은 전동기 모델에 독립적이지만, 상전압 측정방법과 중성점전압 측정방법은 전동기모델에 의존적이며 중성점 전압을 측정할 수 있어야 한다. Voltage signal-based techniques are divided into extreme voltage, line voltage, phase voltage, and neutral point voltage measurement methods. The pole voltage measurement method and the line voltage measurement method are independent of the motor model, but the phase voltage measurement method and the neutral point voltage measurement method depend on the motor model and should be able to measure the neutral point voltage.

그러나 극전압 측정방법, 선간전압 측정방법, 상전압 측정방법 및 중성점 전압 측정방법은 모두 추가적인 전압센서를 필요로 하기 때문에 추가적인 비용이 발생하는 문제점을 가지며, 계통연계 시가 아닌 모터와 같은 R-L 부하 시의 고장진단에 적용되는 방법이기 때문에 계통연계 시 적용에 한계가 있다.However, the pole voltage measurement method, the line voltage measurement method, the phase voltage measurement method, and the neutral point voltage measurement method all require additional voltage sensors, and thus, additional cost is incurred. Because it is a method applied to troubleshooting, there is a limit to the application in grid connection.

계통 연계된 NPC 인버터에 추가적인 전압센서를 추가하지 않으며 복잡한 시스템의 수학적 모델링 없이 간단하게 NPC 인버터 내 스위칭 소자들의 고장을 진단하는 NPC 인버터의 스위칭 소자 고장진단장치 및 방법이 제안된다.An apparatus and method for diagnosing switching element failure of an NPC inverter, which does not add an additional voltage sensor to a grid-connected NPC inverter and simply diagnoses a failure of switching elements in the NPC inverter without mathematical modeling of a complex system, is proposed.

본 발명의 일 양상에 따른 NPC 인버터 스위칭 소자 고장진단장치는, 3상마다 역방향 다이오드를 포함한 복수의 스위칭 소자와 복수의 클램핑 다이오드를 구비하여, 직류전류를 3상 교류 전류로 변환하여 계통에 인가하는 NPC 인버터; 와 상기 3상 교류 전류의 정지 좌표계상 2차원 전류벡터의 반지름 및 각도에 기초해, 상기 NPC 인버터 내 고장이 발생한 상의 스위칭 소자들을 확인하고, 상기 계통전압의 극성상태에 따라 상기 확인된 스위칭 소자들의 스위칭동작을 다르게 제어하여, 상기 고장이 발생한 상에서 전류의 흐름 여부로써 고장 스위칭 소자를 판단하는 고장진단 판단부;를 포함한다.The NPC inverter switching element fault diagnosis apparatus according to an aspect of the present invention includes a plurality of switching elements including a reverse diode and a plurality of clamping diodes for every three phases, and converts a DC current into a three-phase AC current and applies it to a system. NPC Inverter; And based on the radius and angle of the two-dimensional current vector on the stationary coordinate system of the three-phase alternating current, identify the switching elements of the faulty phase in the NPC inverter, and determine the switching elements according to the polarity state of the grid voltage. And a failure diagnosis determiner for controlling a switching operation differently and determining a failure switching device based on whether current flows in the failure.

상기 고장진단 판단부는, 상기 3상 교류 전류를 정지 좌표계상의 2차원 전류벡터로 변환하는 좌표 변환부; 상기 정지 좌표계상의 2차원 전류벡터의 반지름과 상기 NPC 인터버의 직류링크 전압을 제어하는 직류링크 전압 제어기가 직류링크 전압을 이용하여 구한 정상상태 3상 교류전류의 회전 좌표계상 2차원 기준 전류벡터의 반지름을 구하는 반지름 계산부; 상기 정지 좌표계상의 2차원 전류벡터의 각도를 구하는 각도 계산부; 및 상기 정지 좌표계상의 2차원 전류벡터의 반지름과 상기 회전 좌표계상의 2차원 기준 전류벡터의 반지름을 비교하여 상기 NPC 인버터 내 스위칭 소자들의 고장 발생 여부를 파악하고 고장이 발생한 경우 상기 2차원 전류벡터의 각도를 이용하여 상기 NPC 인버터 내 고장이 발생한 상의 스위칭 소자들을 확인하고, 상기 계통전압의 극성상태에 따라 상기 확인된 스위칭 소자들의 스위칭 동작을 다르게 제어하여, 상기 고장이 발생한 상에서 전류의 흐름 여부로써 고장 스위칭 소자를 판별하는 고장스위칭소자 판별부;를 포함한다.The failure diagnosis determining unit may include: a coordinate converting unit converting the three-phase alternating current into a two-dimensional current vector on a still coordinate system; Of the two-dimensional reference current vector on the rotation coordinate system of the steady-state three-phase AC current obtained by the DC link voltage controller for controlling the radius of the two-dimensional current vector on the stationary coordinate system and the DC link voltage of the NPC inverter. A radius calculator for obtaining a radius; An angle calculation unit for obtaining an angle of a two-dimensional current vector on the still coordinate system; And comparing the radius of the two-dimensional current vector on the stationary coordinate system with the radius of the two-dimensional reference current vector on the rotational coordinate system to determine whether a failure of the switching elements in the NPC inverter occurs, and when the failure occurs, the angle of the two-dimensional current vector. Check the switching elements of the faulty phase in the NPC inverter by using, and differently control the switching operation of the identified switching elements according to the polarity state of the grid voltage, fault switching by whether the current flows in the faulty phase It includes; fault switching device determination unit for determining the device.

상기 반지름 계산부는, 상기 정지 좌표계상의 2차원 전류벡터의 반지름을

Figure 112011050862614-pat00001
식을 이용하여 구하고, 상기 회전 좌표계상의 2차원 기준 전류벡터의 반지름을
Figure 112011050862614-pat00002
식을 이용하여 구할 수 있다.The radius calculator is configured to calculate the radius of the two-dimensional current vector on the stationary coordinate system.
Figure 112011050862614-pat00001
The radius of the two-dimensional reference current vector on the rotation coordinate system
Figure 112011050862614-pat00002
Can be found using the equation.

이때,

Figure 112011050862614-pat00003
는 가로축에 무효분(d)의 2차원 전류벡터가 배열되고 세로축에 유효분(q)의 2차원 전류벡터가 배열되는 정지 좌표계에서, 3상 교류전류에 대한 각각 무효분의 2차원 전류벡터 값, 유효분의 2차원 전류벡터 값을 나타내며,
Figure 112011050862614-pat00004
는 가로축에 무효분(d)의 2차원 전류벡터가 배열되고 세로축에 유효분(q)의 2차원 전류벡터가 배열되는 회전 좌표계에서, 상기 회전 좌표계상 2차원 기준 전류벡터의 무효분 값, 유효분 값을 나타낸다.At this time,
Figure 112011050862614-pat00003
Is the two-dimensional current vector value of the ineffective part for the three-phase AC current in the static coordinate system in which the two-dimensional current vector of the inactive part d is arranged on the horizontal axis and the two-dimensional current vector of the effective part q is arranged on the vertical axis. , Represents the effective two-dimensional current vector value,
Figure 112011050862614-pat00004
Is an invalid value of the two-dimensional reference current vector on the rotational coordinate system in the rotational coordinate system in which the two-dimensional current vector of the ineffective part d is arranged on the horizontal axis and the two-dimensional current vector of the effective part q is arranged on the vertical axis. Represents minute value.

상기 고장스위칭소자 판별부는, 상기 정지 좌표계상의 2차원 전류벡터의 반지름과 상기 회전 좌표계상의 2차원 기준 전류벡터의 반지름이 동일한 경우 상기 NPC 인버터 내 모든 스위칭 소자들이 정상인 것으로 판단하고, 동일하지 하지 않은 경우 상기 NPC 인버터 내 적어도 하나의 스위칭 소자에 고장이 발생한 것으로 판단할 수 있다.If the radius of the two-dimensional current vector on the stationary coordinate system and the radius of the two-dimensional reference current vector on the rotational coordinate system are the same, the fault switching device determination unit determines that all switching elements in the NPC inverter are normal, and not the same. It may be determined that a failure has occurred in at least one switching element in the NPC inverter.

상기 각도 계산부는, 상기 정지 좌표계상의 2차원 전류벡터의 각도를

Figure 112011050862614-pat00005
식을 이용하여 구할 수 있다. 이때,
Figure 112011050862614-pat00006
는 상기 정지 좌표계상의 2차원 전류벡터의 각도,
Figure 112011050862614-pat00007
은 2차원 전류벡터가 표현되는 정지 좌표계에서 유효분(q)의 전류 값이 배열되는 축의 무게중심을 나타내고,
Figure 112011050862614-pat00008
은 2차원 전류벡터가 표현되는 정지 좌표계에서 무효분(d)의 전류 값이 배열되는 축의 무게중심을 나타낸다.
The angle calculation unit, the angle of the two-dimensional current vector on the still coordinate system
Figure 112011050862614-pat00005
Can be found using the equation. At this time,
Figure 112011050862614-pat00006
Is the angle of the two-dimensional current vector on the still coordinate system,
Figure 112011050862614-pat00007
Denotes the center of gravity of the axis on which the current value of the effective part (q) is arranged in the static coordinate system in which the two-dimensional current vector is expressed,
Figure 112011050862614-pat00008
Denotes the center of gravity of the axis on which the current value of the inactive part d is arranged in the static coordinate system in which the two-dimensional current vector is expressed.

본 발명의 다른 양상에 따른, 3상마다 역방향 다이오드를 포함한 복수의 스위칭 소자와 복수의 클램핑 다이오드를 구비하여, 직류전류를 3상 교류 전류로 변환하여 계통에 인가하는 NPC 인버터의 스위칭 소자 고장진단방법은, 상기 3상 교류 전류를 정지 좌표계상의 2차원 전류벡터로 변환하는 단계; 상기 2차원 전류벡터의 반지름 및 각도에 기초해 상기 NPC 인버터 내 고장이 발생한 상의 스위칭 소자들을 확인하는 단계; 및 상기 계통전압의 극성상태에 따라 상기 확인된 스위칭 소자들의 스위칭 동작을 다르게 제어하여, 상기 고장이 발생한 상에서 전류의 흐름 여부로써 고장 스위칭 소자를 판단하는 단계;를 포함한다.In accordance with another aspect of the present invention, a switching element failure diagnosis method of an NPC inverter having a plurality of switching elements including a reverse diode and a plurality of clamping diodes for each of three phases, converting a DC current into a three-phase AC current and applying it to a system Converting the three-phase alternating current into a two-dimensional current vector on a stationary coordinate system; Identifying switching phases of the faulty phase in the NPC inverter based on the radius and angle of the two-dimensional current vector; And controlling the switching operation of the checked switching elements differently according to the polarity state of the grid voltage, and determining a fault switching element based on whether current flows in the fault occurrence.

상기 NPC 인버터 내 고장이 발생한 상의 스위칭 소자들을 확인하는 단계는, 상기 정지 좌표계상의 2차원 전류벡터의 반지름과, 상기 NPC 인터버의 직류링크 전압을 제어하는 직류링크 전압 제어기가 직류링크 전압을 이용하여 구한 정상상태 3상 교류전류의 회전 좌표계상 2차원 기준 전류벡터의 반지름을 구하는 단계; 상기 정지 좌표계상의 2차원 전류벡터의 각도를 구하는 단계; 상기 정지 좌표계상의 2차원 전류벡터의 반지름과 상기 회전 좌표계상의 2차원 기준 전류벡터의 반지름을 비교하여 상기 NPC 인버터 내 스위칭 소자들의 고장 발생 여부를 파악하는 단계; 및 상기 파악결과 고장이 발생한 경우 상기 2차원 전류벡터의 각도를 이용하여 상기 NPC 인버터 내 고장이 발생한 상의 스위칭 소자들을 확인하는 단계;를 포함한다.The checking of switching elements of the phase in which the failure occurs in the NPC inverter may include: a DC link voltage controller controlling a radius of a two-dimensional current vector on the stationary coordinate system and a DC link voltage of the NPC inverter using a DC link voltage. Obtaining the radius of the two-dimensional reference current vector on the rotation coordinate system of the steady-state three-phase AC current obtained; Obtaining an angle of a two-dimensional current vector on the still coordinate system; Comparing the radius of the two-dimensional current vector on the stationary coordinate system with the radius of the two-dimensional reference current vector on the rotational coordinate system to determine whether a failure of the switching elements in the NPC inverter occurs; And identifying the switching elements of the faulty phase in the NPC inverter using the angle of the two-dimensional current vector when a failure occurs as a result of the determination.

본 발명의 실시예에 따른 NPC 인버터의 스위칭 소자 고장진단장치 및 방법에 따르면, 계통 연계된 NPC 인버터의 출력인 3상 교류 전류의 정지 좌표계상 2차원 전류벡터의 반지름 및 각도에 기초해, NPC 인버터 내 고장이 발생한 상의 스위칭 소자들을 확인하고, 계통전압의 극성상태에 따라 고장 발생이 확인된 스위칭 소자들의 스위칭동작을 다르게 제어하여, 고장이 발생한 상에서 전류의 흐름 여부로써 고장 스위칭 소자를 판단함으로써, 계통연계된 NPC 인버터에 추가적인 전압센서를 추가하지 않으며 복잡한 시스템의 수학적 모델링 없이 간단하게 NPC 인버터 내 스위칭 소자들의 고장을 진단할 수 있게 된다. According to an apparatus and method for diagnosing switching element failure of an NPC inverter according to an embodiment of the present invention, based on the radius and angle of a two-dimensional current vector on a static coordinate system of a three-phase alternating current that is an output of a grid-connected NPC inverter, the NPC inverter By checking the switching elements of the phase in which the fault occurs, and controlling the switching operation of the switching elements in which the failure is confirmed according to the polarity state of the grid voltage, the fault switching element is determined by the flow of the current in the fault phase. No additional voltage sensor is added to the associated NPC inverters and it is easy to diagnose failures of switching elements in the NPC inverters without mathematical modeling of complex systems.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 NPC 인버터 스위칭 소자 고장진단장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 2차원 전류벡터의 정상상태 및 고장상태와 고장상태의 2차원 전류벡터의 각을 예시한 도면이다.
도 3은 스위칭 소자의 고장에 따른 전류벡터의 반원모양을 나타낸 도면이다.
도 4는 NPC 인버터의 계통 연계시 고장이 발생한 스위칭 소자들의 2차원 전류벡터의 각도를 예시한 표이다.
도 5는 스위칭 소자의 고장에 따른 고장 스위칭 소자가 위치한 상의 교류전류 파형을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 른 NPC 인버터 스위칭 소자 고장진단방법에 대한 흐름도이다. 1 is a view showing the configuration of the NPC inverter switching device failure diagnosis apparatus according to an embodiment of the present invention.
2 is a diagram illustrating angles of the two-dimensional current vector in the steady state and the fault state and the fault state of the two-dimensional current vector.
3 is a diagram showing a semicircle shape of a current vector according to a failure of a switching device.
FIG. 4 is a table illustrating angles of two-dimensional current vectors of switching devices in which a failure occurs when the NPC inverter is connected to the grid.
5 is a diagram illustrating an AC current waveform of a phase where a failure switching device is located according to a failure of the switching device.
6 is a flowchart illustrating a failure diagnosis method of another NPC inverter switching device according to an exemplary embodiment of the present invention.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 본 발명의 실시예를 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 후술 되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following description of the present invention, detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear. In addition, the terms described below are defined in consideration of the functions of the present invention, which may vary depending on the intention of the user, the operator, or the like. Therefore, the definition should be based on the contents throughout this specification.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 NPC 인버터 스위칭 소자 고장진단장치의 구성을 나타낸 도면이다.1 is a view showing the configuration of the NPC inverter switching device failure diagnosis apparatus according to an embodiment of the present invention.

도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 NPC 인버터 스위칭 소자 고장진단장치는, NPC 인버터(1)와, 고장진단 판단부(2)를 포함한다.As illustrated, the NPC inverter switching element fault diagnosis apparatus according to the embodiment of the present invention includes an NPC inverter 1 and a fault diagnosis determiner 2.

NPC 인버터(1)는 3상 마다 역병렬 다이오드를 포함한 복수의 스위칭 소자와 복수의 클램핑 다이오드를 구비한다. 즉, NPC 인버터(1)는 역병렬 다이오드(Da1, Da2, Da3, Da4, Db1, Db2, Db3, Db4, Dc1, Dc2, Dc3, Dc4)를 포함하는 복수의 스위치 소자(Sa1, Sa2, Sa3, Sa4, Sb1, Sb2, Sb3, Sb4, Sc1, Sc2, Sc3, Sc4), 복수의 클램핑 다이오드(D1, D2, D3, D4, D5, D6)로 구성되며, 직류전류(idc)를 3상 교류 전류(ia, ib, ic)로 변환해서 계통(Grid)에 각각 인가한다.The NPC inverter 1 includes a plurality of switching elements including antiparallel diodes and a plurality of clamping diodes for each of the three phases. That is, the NPC inverter 1 includes antiparallel diodes D a1 , D a2 , D a3 , D a4 , D b1 , D b2 , D b3 , D b4 , D c1 , D c2 , D c3 , D c4 A plurality of switch elements (S a1 , S a2 , S a3 , S a4 , S b1 , S b2 , S b3 , S b4 , S c1 , S c2 , S c3 , S c4 ), and a plurality of clamping diodes (D 1) , D 2 , D 3 , D 4 , D 5 , D 6 ), and converts the direct current (i dc ) into three-phase alternating current (i a , i b , i c ) Is authorized.

구체적으로 NPC 인버터(1)는 3상 마다 직류링크의 양의 버스 및 직류링크의 음의 버스에 각각 연결된 2개의 외측 스위칭 소자(Sx1, Sx4)와, 중성점에 연결된 2개의 내측 스위칭 소자(Sx2, Sx3)와, 2개의 클램핑 다이오드를 구비한다. 예를 들어, a상에는 직류링크의 양의 버스 및 직류링크의 음의 버스에 각각 연결된 2개의 외측 스위칭 소자(Sa1, Sa4)와 중성점에 연결된 2개의 내측 스위칭 소자(Sa2, Sa3)가 연결되어 있고, 스위칭 소자 Sa1과 스위칭 소자 Sa2 간 연결링크와 중성점 사이에 클램핑 다이오드 D1이 연결되며, 스위칭 소자 Sa3과 스위칭 소자 Sa4 간 연결링크와 중성점 사이에 클램핑 다이오드 D2가 연결된다. Specifically, the NPC inverter 1 includes two outer switching elements S x1 and S x4 connected to the positive bus of the DC link and the negative bus of the DC link for each of three phases, and two inner switching elements connected to the neutral point. S x2 , S x3 ) and two clamping diodes. For example, on a phase, two outer switching elements S a1 and S a4 connected to the positive bus of the DC link and the negative bus of the DC link and two inner switching elements S a2 and S a3 connected to the neutral point, respectively. that is connected, the switching element S a1 and the switching element S clamping diode between the connecting link and the neutral point between a2 and D 1 are connected, the switching element S a3 and switching element S clamping diode between the connecting link and the neutral point between a4 D 2 is Connected.

고장진단 판단부(2)는 3상 교류 전류에 대한 정지 좌표계상의 2차원 전류벡터의 반지름 및 각도에 기초해, NPC 인버터(1) 내 고장이 발생한 상의 스위칭 소자들을 확인하고, 계통전압의 극성상태에 따라 고장이 확인된 스위칭 소자들의 스위칭 동작을 다르게 제어하여 고장이 발생한 상에서 전류의 흐름 여부로써 고장 스위칭 소자를 판단한다.The failure diagnosis determiner 2 checks the switching elements of the faulted phase in the NPC inverter 1 based on the radius and angle of the two-dimensional current vector on the stationary coordinate system with respect to the three-phase alternating current, and the polarity state of the grid voltage. According to the control of the switching operation of the switching device is confirmed the fault differently, the fault switching device is determined by the flow of current in the fault occurs.

이 고장진단 판단부(2)는 좌표 변환부(20), 반지름 계산부(21), 각도 계산부(22) 및 고장 스위칭 소자 판별부(23)를 포함한다.The failure diagnosis determination unit 2 includes a coordinate conversion unit 20, a radius calculation unit 21, an angle calculation unit 22, and a failure switching element determination unit 23.

좌표 변환부(20)는 3상 교류 전류를 정지 좌표계상의 2차원 전류벡터로 변환한다. The coordinate conversion unit 20 converts the three-phase alternating current into a two-dimensional current vector on the stationary coordinate system.

이때, 좌표 변환부(20)는 3상 교류 전류(ia, ib, ic)를 아래의 수학식 1을 이용하여 정지 좌표계상의 2차원 전류벡터로 변환한다.At this time, the coordinate conversion unit 20 converts the three-phase alternating current i a , i b , i c into a two-dimensional current vector on the stationary coordinate system using Equation 1 below.

Figure 112011050862614-pat00009
Figure 112011050862614-pat00009

여기서,

Figure 112011050862614-pat00010
는 가로축에 무효분(d)의 2차원 전류벡터가 배열되고 세로축에 유효분(q)의 2차원 전류벡터가 배열되는 정지 좌표계에서, 3상 교류전류에 대한 각각 무효분의 2차원 전류벡터 값, 유효분의 2차원 전류벡터 값을 나타낸다.here,
Figure 112011050862614-pat00010
Is the two-dimensional current vector value of the ineffective part for the three-phase AC current in the static coordinate system in which the two-dimensional current vector of the inactive part d is arranged on the horizontal axis and the two-dimensional current vector of the effective part q is arranged on the vertical axis. , The effective two-dimensional current vector value.

이러한 2차원 전류벡터를 예시한 도면이 도 2에 도시되어 있다. 정상운전 상태에서 2차원 전류벡터는 도 2의 (a)에서와 같이 원의 모양을 가지며, 하나의 스위칭 소자의 개방고장이 발생한 경우 2차원 전류벡터는 반원의 모양을 가짐을 알 수 있다. 이는 하나의 스위칭 소자에 개방 고장이 발생한 경우 그 상의 전류는 양 또는 음의 값만을 갖기 때문이다. 고장이 발생한 스위칭 소자의 위치에 따라 2차원 전류벡터는 일정한 각을 가지며, 이에 대한 예시가 도 2의 (b)에 도시되어 있다. A diagram illustrating this two-dimensional current vector is shown in FIG. In the normal operation state, the 2D current vector has a circular shape as shown in FIG. 2A, and when the open failure of one switching device occurs, the 2D current vector has a semicircle shape. This is because when an open fault occurs in one switching element, the current on it has only a positive or a negative value. The two-dimensional current vector has a constant angle depending on the position of the switching element in which the failure occurs, and an example thereof is shown in FIG.

실시예로, 도 1에 도시된 NPC 인버터 내 복수의 스위칭 소자의 개방 고장 시 2차원 전류벡터의 반원모양 및 각도가 각각 도 3 및 도 4에 도시되어 있다.In an embodiment, the semicircle shape and angle of the two-dimensional current vector at the time of the open failure of the plurality of switching elements in the NPC inverter shown in FIG. 1 are shown in FIGS. 3 and 4, respectively.

이에 대해서 살펴보면, 도 3의 (a)는 스위칭 소자 Sa1, Sa2에 개방 고장이 발생한 경우의 2차원 전류벡터의 반원모양을 나타내고, 도 3의 (b)는 스위칭 소자 Sb1, Sb2에 개방 고장이 발생한 경우의 2차원 전류벡터의 반원모양을 나타내고, 도 3의 (c)는 스위칭 소자 Sc1, Sc2에 개방 고장이 발생한 경우의 2차원 전류벡터의 반원모양을 나타내고, 도 3의 (d)는 스위칭 소자 Sa3, Sa4,에 개방 고장이 발생한 경우의 2차원 전류벡터의 반원모양을 나타내고, 도 3의 (e)는 스위칭 소자 Sb3, Sb4에 개방 고장이 발생한 경우의 2차원 전류벡터의 반원모양을 나타내고, 도 3의 (f)는 스위칭 소자 Sc3, Sc4에 개방 고장이 발생한 경우의 2차원 전류벡터의 반원모양을 나타낸다.Referring to this, FIG. 3 (a) shows a semicircle of a two-dimensional current vector when an open fault occurs in switching elements S a1 and S a2 , and FIG. 3 (b) shows switching elements S b1 and S b2 . The semicircle of the two-dimensional current vector in the case of an open failure is shown, and FIG. 3C shows the semicircle of the two-dimensional current vector in the case of an open failure in the switching elements Sc1 and Sc2 . (d) shows the semicircle shape of the two-dimensional current vector when an open fault occurs in the switching elements S a3 and S a4 , and FIG. 3E shows a case where an open fault occurs in the switching elements S b3 and S b4 . The semicircle shape of the two-dimensional current vector is shown, and FIG. 3 (f) shows the semicircle shape of the two-dimensional current vector when an open failure occurs in the switching elements Sc3 and Sc4 .

한편, 도 4는 NPC 인버터 내 복수의 스위칭 소자의 개방 고장에 따른 2차원 전류벡터의 각도범위를 나타낸 도면이다.On the other hand, Figure 4 is a view showing the angular range of the two-dimensional current vector according to the open failure of the plurality of switching elements in the NPC inverter.

이에 대해서 살펴보면, 2차원 전류벡터의 각도가

Figure 112011050862614-pat00011
인 경우는 스위칭 소자 Sc1, Sc2에 개방 고장이 발생한 것이고, 2차원 전류벡터의 각도가
Figure 112011050862614-pat00012
인 경우는 스위칭 소자 Sb3, Sb4에 개방 고장이 발생한 것이고, 2차원 전류벡터의 각도가
Figure 112011050862614-pat00013
인 경우는 스위칭 소자 Sa1, Sa2에 개방 고장이 발생한 것이고, 2차원 전류벡터의 각도가
Figure 112011050862614-pat00014
인 경우는 스위칭 소자 Sc3, Sc4에 개방 고장이 발생한 것이고, 2차원 전류벡터의 각도가
Figure 112011050862614-pat00015
인 경우는 스위칭 소자 Sb1, Sb2에 개방 고장이 발생한 것이고, 2차원 전류벡터의 각도가
Figure 112011050862614-pat00016
인 경우는 스위칭 소자 Sa3, Sa4에 개방 고장이 발생한 것이다.
In this regard, the angle of the two-dimensional current vector
Figure 112011050862614-pat00011
In this case, open fault has occurred in switching elements S c1 and S c2 , and the angle of the two-dimensional current vector
Figure 112011050862614-pat00012
In case of, open fault occurred in switching elements S b3 and S b4 , and the angle of two-dimensional current vector
Figure 112011050862614-pat00013
In the case of, an open fault has occurred in the switching elements S a1 and S a2 , and the angle of the two-dimensional current vector
Figure 112011050862614-pat00014
In this case, open fault has occurred in switching elements S c3 and S c4 , and the angle of the two-dimensional current vector
Figure 112011050862614-pat00015
In the case of, an open fault has occurred in the switching elements S b1 and S b2 , and the angle of the two-dimensional current vector
Figure 112011050862614-pat00016
In this case, open faults occur in the switching elements S a3 and S a4 .

위에서 살펴본 바와 같이 2차원 전류벡터의 패턴은 NPC 인버터 내 복수의 스위칭 소자가 정상동작하는 경우 원의 모양을 가지며, 고장이 발생한 경우 반원의 모양을 가지며, 고장 스위칭 소자의 위치에 따라 2차원 전류벡터의 각도가 달라짐을 알 수 있다. 이에 따라 복수의 스위칭 소자의 고장진단 및 판별을 위해서 2차원 전류벡터의 반지름 및 각도를 이용한다. 이하에서 이 2차원 전류벡터의 반지름 및 각도를 산출하는 구성에 대해서 살펴보기로 한다.As described above, the pattern of the two-dimensional current vector has a circular shape when a plurality of switching elements in the NPC inverter operate normally, and has a semicircle shape when a fault occurs, and the two-dimensional current vector has a shape according to the position of the faulty switching element. It can be seen that the angle of is changed. Accordingly, the radius and angle of the two-dimensional current vector are used to diagnose and determine the failure of the plurality of switching elements. Hereinafter, the configuration for calculating the radius and angle of the two-dimensional current vector will be described.

반지름 계산부(21)는 좌표 변환부(20)에서 변환된 정지 좌표계상의 2차원 전류벡터의 반지름과, NPC 인터버(1)의 직류링크(DC link) 전압을 제어하는 직류링크 전압 제어기(미도시)가 직류링크 전압을 이용하여 구한 정상상태 3상 교류전류의 회전 좌표계상 2차원 기준 전류벡터의 반지름을 구한다. 이때, 직류링크 전압 제어기는 직류링크 전압을 이용하여 정상상태의 3상 교류전류의 회전 좌표계상의 2차원 기준전류벡터를 구할 수 있다. 이 직류링크 전압 제어기는 DSP(Digital Signal Proecessor)로 구현될 수 있으며, PI 제어기를 포함하며, 회전 좌표계상에 무효분(d)의 전류 값의 출력을 0으로 하며, 유효분(q)의 전류 값만을 직류링크 전압을 이용하여 산출해서 출력한다. 직류링크 전압 제어기는 먼저 입력된 직류링크 전압 Vdc과 기준 직류링크 전압 간 차이를 구해서 에러 직류전압 Vdc - error를 산출한다. 이후, I 게인(gain)(= Wn*Wn*Cdc)과 에러 직류전압을 승산한 값을 직류링크 전압 제어기의 직류링크 전압 제어주기마다 적분하여 출력한다. 그리고 P게인(= 2*Zita*Wn*Cdc)과 에러 직류전압 값을 승산하여 출력한다. PI 제어기는 P게인(= 2*Zita*Wn*Cdc)과 에러 직류전압 값을 승산한 값과, 상기 적분하여 출력된 값을 더하여 얻어진 값을 회전좌표계상의 2차원 기준 전류벡터 값으로 출력한다.The radius calculator 21 controls a radius of the two-dimensional current vector on the stationary coordinate system converted by the coordinate converter 20 and a DC link voltage controller for controlling the DC link voltage of the NPC interferer 1 (not shown). Obtain the radius of the two-dimensional reference current vector on the rotation coordinate system of steady-state three-phase AC current obtained using At this time, the DC link voltage controller can obtain a two-dimensional reference current vector on the rotation coordinate system of the three-phase AC current in the steady state using the DC link voltage. This DC link voltage controller may be implemented as a DSP (Digital Signal Proecessor), includes a PI controller, outputs an invalid value (d) of current value on the rotational coordinate system to zero, and an effective amount (q) current. Only the value is calculated using the DC link voltage and output. The DC link voltage controller first calculates an error DC voltage V dc - error by obtaining a difference between the input DC link voltage V dc and the reference DC link voltage. Thereafter, the value obtained by multiplying the I gain (= Wn * Wn * Cdc) and the error DC voltage is integrated and output for each DC link voltage control cycle of the DC link voltage controller. The P gain (= 2 * Zita * Wn * Cdc) is multiplied by the error DC voltage to output. The PI controller outputs the value obtained by multiplying the P gain (= 2 * Zita * Wn * Cdc) by the error DC voltage value and the integrated output value as a two-dimensional reference current vector value on the rotational coordinate system.

즉 출력되는 회전좌표계상의 2차원 기준 전류벡터 값은, 회전 좌표계상의 무효분(d)의 전류 값이 "0"이므로, 아래 수학식 3에서의

Figure 112011050862614-pat00017
의 값이 출력되는 것이다. 이때, Zita는 직류링크 전압 제어기의 댐핑계수, Wn는 자연주파수(Natural frequency), Cdc는 직류링크의 커패시턴스를 나타낸다.
That is, the two-dimensional reference current vector value on the rotating coordinate system outputs the current value of the inactive component d on the rotating coordinate system as "0".
Figure 112011050862614-pat00017
The value of is output. In this case, Zita denotes a damping coefficient of the DC link voltage controller, Wn denotes a natural frequency, and Cdc denotes a capacitance of the DC link.

한편, 정지 좌표계상의 2차원 전류벡터의 반지름 rs는 아래의 수학식 2를 이용하여 구할 수 있다. On the other hand, the radius r s of the two-dimensional current vector on the stationary coordinate system can be obtained using Equation 2 below.

Figure 112011050862614-pat00018
Figure 112011050862614-pat00018

그리고 정상상태의 3상 교류전류의 회전 좌표계상 2차원 기준 전류벡터의 반지름 re는 아래의 수학식 3을 이용하여 구할 수 있다.The radius r e of the two-dimensional reference current vector on the rotation coordinate system of the three-phase AC current in a steady state can be obtained by using Equation 3 below.

Figure 112011050862614-pat00019
Figure 112011050862614-pat00019

여기서,

Figure 112011050862614-pat00020
는 가로축에 무효분(d)의 2차원 전류벡터가 배열되고 세로축에 유효분(q)의 2차원 전류벡터가 배열되는 회전 좌표계에서, 직류링크(DC link) 전압제어기에 의해 구해진 정상상태의 3상 교류전류의 회전 좌표계상 2차원 기준 전류벡터의 무효분 값, 유효분 값을 나타낸다. 2차원 기준 전류벡터의 무효분 값은 "0"이므로 결국 정상상태의 3상 교류전류의 회전 좌표계상 2차원 기준 전류벡터의 반지름은 2차원 기준 전류벡터의 유효분(q)에 의해서 결정됨을 알 수 있다.here,
Figure 112011050862614-pat00020
In the rotational coordinate system in which the two-dimensional current vector of the inactive component d is arranged on the horizontal axis and the two-dimensional current vector of the effective component q is arranged on the vertical axis, Indicates the effective value and the effective value of the two-dimensional reference current vector on the rotation coordinate system of the phase AC current. Since the invalid value of the two-dimensional reference current vector is "0", the radius of the two-dimensional reference current vector on the rotational coordinate system of the steady-state three-phase AC current is determined by the effective fraction (q) of the two-dimensional reference current vector. Can be.

각도 계산부(22)는 정지 좌표계상의 2차원 전류벡터의 각도를 구한다. The angle calculator 22 calculates the angle of the two-dimensional current vector on the stationary coordinate system.

이때, 정지 좌표계상의 2차원 전류벡터의 각도는 아래의 수학식 4를 이용하여 구해질 수 있다.In this case, the angle of the two-dimensional current vector on the stationary coordinate system may be obtained using Equation 4 below.

Figure 112011050862614-pat00021
Figure 112011050862614-pat00021

여기서,

Figure 112011050862614-pat00022
는 상기 정지 좌표계상의 2차원 전류벡터의 각도,
Figure 112011050862614-pat00023
은 2차원 전류벡터가 표현되는 정지 좌표계에서 유효분(q)의 전류 값이 배열되는 축의 무게중심을 나타내고,
Figure 112011050862614-pat00024
은 2차원 전류벡터가 표현되는 정지 좌표계에서 무효분(d)의 전류 값이 배열되는 축의 무게중심을 나타낸다.
here,
Figure 112011050862614-pat00022
Is the angle of the two-dimensional current vector on the still coordinate system,
Figure 112011050862614-pat00023
Denotes the center of gravity of the axis on which the current value of the effective part (q) is arranged in the static coordinate system in which the two-dimensional current vector is expressed,
Figure 112011050862614-pat00024
Denotes the center of gravity of the axis on which the current value of the inactive part d is arranged in the static coordinate system in which the two-dimensional current vector is expressed.

고장 스위칭 소자 판별부(23)는 정지 좌표계상의 2차원 전류벡터의 반지름과 회전 좌표계상의 2차원 기준 전류벡터의 반지름을 비교하여, NPC 인버터(1) 내 스위칭 소자들의 고장 발생 여부를 파악하고, 고장이 발생한 경우 상기 수학식 4에 의해서 구해진 2차원 전류벡터의 각도를 이용하여, NPC 인버터(1) 내 고장이 발생한 상의 스위칭 소자들을 확인하고, 계통전압의 극성상태에 따라 고장 발생이 확인된 스위칭 소자들의 스위칭 동작을 다르게 제어하여, 고장이 발생한 상에서 전류의 흐름 여부로써 고장 스위칭 소자를 판별한다. The failure switching element determination unit 23 compares the radius of the two-dimensional current vector on the stationary coordinate system with the radius of the two-dimensional reference current vector on the rotational coordinate system to determine whether a failure of the switching elements in the NPC inverter 1 occurs, In this case, by using the angle of the two-dimensional current vector obtained by the above equation (4), the switching elements of the fault phase in the NPC inverter 1 is confirmed, the switching element is confirmed that the failure occurs in accordance with the polarity state of the grid voltage These switching operations are controlled differently to determine the faulty switching element by whether current flows in the faulty phase.

이때, 정지 좌표계상의 2차원 전류벡터의 반지름과 회전 좌표계상의 2차원 기준 전류벡터의 반지름이 동일한 경우 NPC 인버터(1) 내 모든 스위칭 소자들이 정상인 것으로 판단하고, 동일하지 하지 않은 경우 NPC 인버터(1) 내 적어도 하나의 스위칭 소자에 고장이 발생한 것으로 판단할 수 있다.At this time, when the radius of the two-dimensional current vector on the stationary coordinate system and the radius of the two-dimensional reference current vector on the rotational coordinate system are the same, it is determined that all switching elements in the NPC inverter 1 are normal, and when not the same, the NPC inverter 1 It may be determined that a failure has occurred in at least one switching element in the system.

즉, 고장상태에서 2차원 전류벡터의 반지름은 정상상태에서의 2차원 전류벡터의 반지름과 달리 일정하지 않고 변화하기 때문에, 수학식 2 및 수학식 3을 이용하여 정지 좌표계상의 2차원 전류벡터의 반지름과 회전 좌표계상의 2차원 기준 전류벡터의 반지름을 구하여, 각각 구한 반지름의 크기가 다른 경우 고장이 발생한 것으로 판단할 수 있다. That is, since the radius of the two-dimensional current vector in the fault state is not constant, unlike the radius of the two-dimensional current vector in the steady state, the radius of the two-dimensional current vector on the stationary coordinate system using Equations 2 and 3 The radius of the two-dimensional reference current vector on the rotational coordinate system is obtained, and it can be determined that a failure has occurred when the calculated radius is different.

나아가, 고장이 발생한 경우 정지좌표계상의 2차원 전류벡터의 각도를 이용하여 고장이 발생한 스위칭 소자의 위치를 판별하는데, 계통(Grid) 연계 시 스위칭 소자 간에, 도 4의 표에서 알 수 있듯이 2차원 전류벡터의 각도의 범위가 동일한 스위칭 소자들이 존재하기 때문에, 고장 스위칭 판별부(23)는 2차원 전류벡터의 각도를 이용하여 파악된 고장 스위칭 소자들의 스위칭 동작을 계통전압의 극성상태에 따라 달리하여 제어해서, 고장 스위칭 소자들이 위치한 상에서의 전류 흐름 여부로써 고장 스위칭 소자를 판별한다.Furthermore, in the event of a failure, the position of the switching element in which the failure occurs is determined by using the angle of the two-dimensional current vector on the stationary coordinate system, between the switching elements when the grid is connected, as shown in the table of FIG. 4. Since there are switching elements having the same range of angles of the vector, the fault switching determining unit 23 controls the switching operation of the fault switching elements identified using the angle of the two-dimensional current vector according to the polarity state of the grid voltage. Thus, the fault switching element is determined by the current flow in the phase where the fault switching elements are located.

이에 대해서 좀 더 구체적으로 살펴보기로 한다. This will be described in more detail.

계통연계 상황에서는 계통전압 때문에, 복수의 스위칭 소자의 스위칭 온/오프 동작과 무관하게 3상 교류전류의 변화가 없기 때문에 결국 2차원 전류벡터의 변화를 파악할 수 없게 된다. In the grid-connected situation, since there is no change in the three-phase AC current regardless of the switching on / off operation of the plurality of switching elements, the change in the two-dimensional current vector cannot be grasped.

스위칭 소자의 추가적인 스위칭 동작에 따른 3상 교류 전류의 변화로 고장이 발생한 스위칭 소자를 판별할 수 있다. 도 4의 표에 도시된 2차원 전류벡터의 각도를 이용하여, 각 상의 중성점 위쪽에 위치하는 2개의 스위칭 소자 Sx1, Sx2 사이에 고장이 발생했는지, 아니면 중성점 아래쪽에 위치하는 2개의 스위칭 소자 Sx3, Sx4 사이에서 고장이 발생했는지, 즉 고장 스위칭 소자의 위치를 판별할 수 있게 된다. 이렇게 2차원 전류벡터의 각도를 이용하여 고장 스위칭 소자들의 위치를 판별한 후, 계통 전압의 극성상태에 따라 소정 시간 동안 고장 스위칭 소자들이 위치한 상의 2개의 내측 스위칭 소자 및 2개의 외측 스위칭 소자의 스위칭 동작을 다르게 제어하여, 고장이 발생한 상에서 전류 흐름 여부로써 고장 스위칭 소자를 판별할 수 있게 된다.It is possible to determine a switching device in which a failure occurs due to a change in three-phase AC current according to the additional switching operation of the switching device. Using the angles of the two-dimensional current vectors shown in the table of FIG. 4, a failure has occurred between the two switching elements S x1 and S x2 located above the neutral point of each phase, or two switching elements located below the neutral point. It is possible to determine whether a fault has occurred between S x3 and S x4 , that is, the position of the fault switching element. After determining the locations of the faulty switching elements using the angle of the two-dimensional current vector, switching operation of the two inner switching elements and the two outer switching elements on the faulty switching elements are positioned for a predetermined time according to the polarity state of the system voltage. By controlling the differently, it is possible to determine the fault switching element by the flow of current in the fault phase.

실시예로, 도 1에서 중성점 위쪽에 위치한 2개의 스위칭 소자 Sx1, Sx2 에서 고장이 발생한 경우, 계통전압의 극성이 음일 때, 소정 시간, 예를 들어 1~1.5ms 동안, a상의 내측 스위칭 소자 Sa2, Sa3를 스위칭 온 시키며 외측 스위칭 소자 Sa1, Sa4를 스위칭 오프 시킨 상태에서, a상에서의 교류 전류 ia 흐름 여부로써 스위칭 소자 Sa1, Sa2 중 어느 하나의 고장 여부를 판별한다. 이때, a상 교류전류가 흐른 경우 스위칭 소자 Sa1에 고장이 발생한 것이고 전류가 흐르지 않는 경우 스위칭 소자 Sa2에 고장이 발생한 것일 수 있다. For example, when a failure occurs in two switching elements S x1 and S x2 located above the neutral point in FIG. 1, when the polarity of the grid voltage is negative, the inner phase of the phase a is switched for a predetermined time, for example, 1 to 1.5 ms. In the state where the elements S a2 and S a3 are switched on and the external switching elements S a1 and S a4 are switched off, whether or not any one of the switching elements S a1 and S a2 is determined by the flow of an alternating current i a on phase a do. In this case, when the a-phase AC current flows, a failure occurs in the switching element S a1 , and when a current does not flow, a failure occurs in the switching element S a2 .

한편, 도 1에서 중심점 아래쪽에 위치한 2개의 스위칭 소자 Sx3, Sx4 에서 고장이 발생한 경우, 계통전압의 극성이 양일 때, 소정 시간, 예를 들어 1~1.5ms 동안, a상의 내측 스위칭 소자 Sa2, Sa3를 스위칭 오프 시키며 외측 스위칭 소자 Sa1, Sa4를 스위칭 온 시킨 상태에서, a상에서의 교류 전류 ia 흐름 여부로써, 스위칭 소자 Sa3, Sa4 중 어느 하나의 고장 여부를 판별할 수 있다. 이때, a상 교류전류가 흐른 경우 스위칭 소자 Sa4에 고장이 발생한 것이고 전류가 흐르지 않는 경우 스위칭 소자 Sa3에 고장이 발생한 것일 수 있다. On the other hand, when the failure occurs in the two switching elements S x3 , S x4 located below the center point in FIG. 1, when the polarity of the grid voltage is positive, the internal switching element S on a phase for a predetermined time, for example, 1 to 1.5 ms. In the state in which a2 and S a3 are switched off and the external switching elements S a1 and S a4 are switched on, it is possible to determine whether any one of the switching elements S a3 and S a4 has failed by the flow of the alternating current i a on the a phase. Can be. In this case, when the a-phase AC current flows, a failure occurs in the switching element S a4 , and when a current does not flow, a failure occurs in the switching element S a3 .

각 상의 스위칭 소자의 고장에 따른 해당 상의 전류 파형이 도 5에 예시되어 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 도 5의 (a)는 Sx1 스위칭 소자 고장 시 해당 상 전류 파형이고, 도 5의 (b)는 Sx2 스위칭 소자 고장 시 해당 상 전류 파형이고, 도 5의 (c)는 Sx3 스위칭 소자 고장 시 해당 상 전류 파형이고, 도 5의 (d)는 Sx4 스위칭 소자 고장 시 해당 상 전류 파형을 나타낸다.
The current waveform of the corresponding phase according to the failure of the switching element of each phase is illustrated in FIG. 5. As shown in FIG. 5, (a) of FIG. 5 is a corresponding phase current waveform when an S x1 switching element is broken, and FIG. 5 (b) is a corresponding phase current waveform when an S x2 switching element is broken, and FIG. c) shows a corresponding phase current waveform when the S x3 switching element fails, and FIG. 5 (d) shows the corresponding phase current waveform when the S x4 switching element fails.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 NPC 인버터 스위칭 소자 고장진단방법에 대한 흐름도이다.6 is a flowchart illustrating a failure diagnosis method of an NPC inverter switching device according to an exemplary embodiment of the present invention.

도시된 NPC 인버터 스위칭 소자 고장진단방법은, 도 1에 도시된 NPC 인터버 내 복수의 스위칭 소자의 개방 고장 여부를 진단하기 위한 방법이다. 즉, 3상마다 역방향 다이오드를 포함한 복수의 스위칭 소자와 복수의 클램핑 다이오드를 구비하여, 직류전류를 3상 교류 전류로 변환하여 계통에 인가하는 NPC 인버터 내 스위칭 소자의 고장을 진단하는 기술이다. 이 NPC 인버터의 스위칭 소자 고장진단방법은 도 1의 NPC 인버터의 스위칭 소자 고장진단장치에 의해서 수행될 수 있다.The illustrated NPC inverter switching element failure diagnosis method is a method for diagnosing whether a plurality of switching elements in the NPC interfer shown in FIG. 1 open fault. That is, a technology for diagnosing a failure of a switching element in an NPC inverter including a plurality of switching elements including a reverse diode and a plurality of clamping diodes for each of three phases, converting a direct current into a three-phase alternating current and applying it to a system. The switching element fault diagnosis method of the NPC inverter may be performed by the switching element fault diagnosis apparatus of the NPC inverter of FIG. 1.

NPC 인버터에서 출력되는 3상 교류 전류를 정지 좌표계상의 2차원 전류벡터로 변환한다(S1). 이때, 정지 좌표계상의 2차원 전류벡터로의 변환은 수학식 1에 의해서 이루어질 수 있다.The three-phase alternating current output from the NPC inverter is converted into a two-dimensional current vector on the stationary coordinate system (S1). In this case, the conversion to the two-dimensional current vector on the stationary coordinate system may be made by Equation 1.

이후, 2차원 전류벡터의 반지름 및 각도에 기초해 NPC 인버터 내 고장이 발생한 상의 스위칭 소자들을 확인한다(S2). Thereafter, the switching elements of the phase in which the failure in the NPC inverter is generated are identified based on the radius and angle of the two-dimensional current vector (S2).

이에 대해서 구체적으로 살펴보기로 한다. 정지 좌표계상의 2차원 전류벡터의 반지름과 NPC 인버터의 직류링크 전압 제어기가 직류링크 전압을 이용하여 구한 정상상태의 3상 교류전류의 회전 좌표계상 2차원 기준 전류벡터의 반지름을 구하고, 정지 좌표계상의 2차원 전류벡터의 각도를 구한다. 이들의 순서는 순차적으로 이루어지거나 또는 반대로 또는 동시에 이루어질 수 있다. This will be described in detail. The radius of the two-dimensional current vector on the stationary coordinate system and the two-dimensional reference current vector on the rotation coordinate system of the steady-state three-phase AC current obtained by the DC link voltage controller of the NPC inverter using the DC link voltage. Find the angle of the dimensional current vector. Their order may be sequentially or vice versa or simultaneously.

정지 좌표계상의 2차원 전류벡터의 반지름과 회전 좌표계상의 2차원 기준 전류벡터의 반지름을 비교하여, NPC 인버터 내 스위칭 소자들의 고장 발생 여부를 파악한다. 이때, 정지 좌표계상의 2차원 전류벡터의 반지름과 정상상태의 3상 교류전류의 회전 좌표계상 2차원 기준 전류벡터의 반지름은 수학식 2 및 3에 의해서 구해질 수 있다.The radius of the two-dimensional current vector on the stationary coordinate system and the radius of the two-dimensional reference current vector on the rotation coordinate system are compared to determine whether a failure of the switching elements in the NPC inverter occurs. At this time, the radius of the two-dimensional current vector on the stationary coordinate system and the radius of the two-dimensional reference current vector on the rotation coordinate system of the three-phase AC current in the steady state can be obtained by the equations (2) and (3).

파악결과 고장이 발생한 경우 2차원 전류벡터의 각도를 이용하여 NPC 인버터 내 고장이 발생한 상의 스위칭 소자들을 확인한다. 이때, 2차원 전류벡터의 각도는 수학식 4를 이용하여 구해질 수 있다.
As a result of the identification, when the failure occurs, the switching elements of the faulty phase in the NPC inverter are identified using the angle of the two-dimensional current vector. In this case, the angle of the 2D current vector may be obtained using Equation 4.

이후, 계통전압의 극성상태에 따라 고장 발생이 확인된 스위칭 소자들의 스위칭 동작을 다르게 제어하여 고장이 발생한 상에서 전류의 흐름 여부로써 고장 스위칭 소자를 판단한다(S3).
Subsequently, the switching operation of the switching elements in which the failure is confirmed according to the polarity state of the grid voltage is controlled differently to determine the failure switching device based on whether current flows in the failure.

이제까지 본 발명에 대하여 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 따라서 본 발명의 범위는 전술한 실시예에 한정되지 않고 특허청구범위에 기재된 내용 및 그와 동등한 범위 내에 있는 다양한 실시 형태가 포함되도록 해석되어야 할 것이다.
So far, the present invention has been described with reference to the embodiments. Those skilled in the art will understand that the present invention may be implemented in a modified form without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the disclosed embodiments should be considered in an illustrative rather than a restrictive sense. Therefore, the scope of the present invention should not be construed as being limited to the above-described examples, but should be construed to include various embodiments within the scope of the claims and equivalents thereof.

Claims (10)

3상마다 역방향 다이오드를 포함한 복수의 스위칭 소자와 복수의 클램핑 다이오드를 구비하여, 직류전류를 3상 교류 전류로 변환하여 계통에 인가하는 NPC 인버터; 와
상기 3상 교류 전류의 정지 좌표계상 2차원 전류벡터의 반지름 및 각도에 기초해, 상기 NPC 인버터 내 고장이 발생한 상의 스위칭 소자들을 확인하고, 계통전압의 극성상태에 따라 상기 확인된 스위칭 소자들의 스위칭동작을 다르게 제어하여, 상기 고장이 발생한 상에서 전류의 흐름 여부로써 고장 스위칭 소자를 판단하는 고장진단 판단부;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 NPC 인버터의 스위칭 소자 고장진단장치.An NPC inverter having a plurality of switching elements including a reverse diode and a plurality of clamping diodes for each of three phases, converting a DC current into a three-phase AC current and applying the same to a system; Wow
Based on the radius and angle of the two-dimensional current vector on the static coordinate system of the three-phase alternating current, the switching elements of the faulty phase in the NPC inverter are identified, and the switching operation of the identified switching elements according to the polarity state of the grid voltage. A failure diagnosis determining unit for controlling a different switching device to determine a fault switching element based on whether current flows in the fault occurrence;
Switching device fault diagnosis device of the NPC inverter, characterized in that it comprises a. 제 1 항에 있어서,
상기 고장진단 판단부는,
상기 3상 교류 전류를 정지 좌표계상의 2차원 전류벡터로 변환하는 좌표 변환부;
상기 정지 좌표계상의 2차원 전류벡터의 반지름과 상기 NPC 인터버의 직류링크 전압을 제어하는 직류링크 전압 제어기가 직류링크 전압을 이용하여 구한 정상상태 3상 교류전류의 회전 좌표계상 2차원 기준 전류벡터의 반지름을 구하는 반지름 계산부;
상기 정지 좌표계상의 2차원 전류벡터의 각도를 구하는 각도 계산부; 및
상기 정지 좌표계상의 2차원 전류벡터의 반지름과 상기 회전 좌표계상의 2차원 기준 전류벡터의 반지름을 비교하여 상기 NPC 인버터 내 스위칭 소자들의 고장 발생 여부를 파악하고 고장이 발생한 경우 상기 2차원 전류벡터의 각도를 이용하여 상기 NPC 인버터 내 고장이 발생한 상의 스위칭 소자들을 확인하고, 상기 계통전압의 극성상태에 따라 상기 확인된 스위칭 소자들의 스위칭 동작을 다르게 제어하여, 상기 고장이 발생한 상에서 전류의 흐름 여부로써 고장 스위칭 소자를 판별하는 고장스위칭소자 판별부;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 NPC 인버터의 스위칭 소자 고장진단장치.The method of claim 1,
The failure diagnosis determiner,
A coordinate converter for converting the three-phase alternating current into a two-dimensional current vector on a stationary coordinate system;
Of the two-dimensional reference current vector on the rotation coordinate system of the steady-state three-phase AC current obtained by the DC link voltage controller for controlling the radius of the two-dimensional current vector on the stationary coordinate system and the DC link voltage of the NPC inverter. A radius calculator for obtaining a radius;
An angle calculation unit for obtaining an angle of a two-dimensional current vector on the still coordinate system; And
By comparing the radius of the two-dimensional current vector on the stationary coordinate system and the radius of the two-dimensional reference current vector on the rotational coordinate system to determine whether a failure of the switching elements in the NPC inverter occurs, and if the failure occurs the angle of the two-dimensional current vector The switching elements of the faulty phase in the NPC inverter are identified, and the switching operation of the identified switching elements is controlled differently according to the polarity state of the grid voltage. A fault switching device determining unit for determining a;
Switching device fault diagnosis device of the NPC inverter, characterized in that it comprises a. 제 2 항에 있어서,
상기 반지름 계산부는,
상기 정지 좌표계상의 2차원 전류벡터의 반지름을
Figure 112012063883016-pat00025
식을 이용하여 구하고, 상기 회전 좌표계상의 2차원 기준 전류벡터의 반지름을
Figure 112012063883016-pat00026
식을 이용하여 구하며,
Figure 112012063883016-pat00047
는 가로축에 무효분(d)의 2차원 전류벡터가 배열되고 세로축에 유효분(q)의 2차원 전류벡터가 배열되는 정지 좌표계에서, 3상 교류전류에 대한 각각 무효분의 2차원 전류벡터 값, 유효분의 2차원 전류벡터 값을 나타내며,
Figure 112012063883016-pat00048
는 가로축에 무효분(d)의 2차원 전류벡터가 배열되고 세로축에 유효분(q)의 2차원 전류벡터가 배열되는 회전 좌표계에서, 상기 회전 좌표계상 2차원 기준 전류벡터의 무효분 값, 유효분 값을 나타내는 것을 특징으로 하는 NPC 인버터의 스위칭 소자 고장진단장치.The method of claim 2,
The radius calculation unit,
The radius of the two-dimensional current vector on the still coordinate system
Figure 112012063883016-pat00025
The radius of the two-dimensional reference current vector on the rotation coordinate system
Figure 112012063883016-pat00026
Obtained by using the formula,
Figure 112012063883016-pat00047
Is the two-dimensional current vector value of the ineffective part for the three-phase AC current in the static coordinate system in which the two-dimensional current vector of the inactive part d is arranged on the horizontal axis and the two-dimensional current vector of the effective part q is arranged on the vertical axis. , Represents the effective two-dimensional current vector value,
Figure 112012063883016-pat00048
Is an invalid value of the two-dimensional reference current vector on the rotational coordinate system in the rotational coordinate system in which the two-dimensional current vector of the ineffective part d is arranged on the horizontal axis and the two-dimensional current vector of the effective part q is arranged on the vertical axis. A device for diagnosing switching element failure of an NPC inverter, characterized in that it displays a minute value. 제 3 항에 있어서,
상기 고장스위칭소자 판별부는,
상기 정지 좌표계상의 2차원 전류벡터의 반지름과 상기 회전 좌표계상의 2차원 기준 전류벡터의 반지름이 동일한 경우 상기 NPC 인버터 내 모든 스위칭 소자들이 정상인 것으로 판단하고, 동일하지 하지 않은 경우 상기 NPC 인버터 내 적어도 하나의 스위칭 소자에 고장이 발생한 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 NPC 인버터의 스위칭 소자 고장진단장치.The method of claim 3, wherein
The fault switching device determination unit,
If the radius of the two-dimensional current vector on the stationary coordinate system and the radius of the two-dimensional reference current vector on the rotational coordinate system are the same, it is determined that all the switching elements in the NPC inverter are normal. A switching element failure diagnosis device for an NPC inverter, characterized in that it is determined that a failure occurs in the switching element. 제 2 항에 있어서,
상기 각도 계산부는,
상기 정지 좌표계상의 2차원 전류벡터의 각도를
Figure 112012063883016-pat00029
식을 이용하여 구하며,
Figure 112012063883016-pat00049
는 상기 정지 좌표계상의 2차원 전류벡터의 각도,
Figure 112012063883016-pat00050
은 2차원 전류벡터가 표현되는 정지 좌표계에서 유효분(q)의 전류 값이 배열되는 축의 무게중심을 나타내고,
Figure 112012063883016-pat00051
은 2차원 전류벡터가 표현되는 정지 좌표계에서 무효분(d)의 전류 값이 배열되는 축의 무게중심을 나타내는 것을 특징으로 하는 NPC 인버터의 스위칭 소자 고장진단장치.The method of claim 2,
The angle calculation unit,
The angle of the two-dimensional current vector on the still coordinate system
Figure 112012063883016-pat00029
Obtained by using the formula,
Figure 112012063883016-pat00049
Is the angle of the two-dimensional current vector on the still coordinate system,
Figure 112012063883016-pat00050
Denotes the center of gravity of the axis on which the current value of the effective part (q) is arranged in the static coordinate system in which the two-dimensional current vector is expressed,
Figure 112012063883016-pat00051
Is a device for diagnosing switching element failure of an NPC inverter, characterized in that it represents a center of gravity of an axis in which a current value of an inactive part d is arranged in a stationary coordinate system in which a two-dimensional current vector is expressed. 3상마다 역방향 다이오드를 포함한 복수의 스위칭 소자와 복수의 클램핑 다이오드를 구비하여, 직류전류를 3상 교류 전류로 변환하여 계통에 인가하는 NPC 인버터의 스위칭 소자 고장진단방법에 있어서,
상기 3상 교류 전류를 정지 좌표계상의 2차원 전류벡터로 변환하는 단계;
상기 2차원 전류벡터의 반지름 및 각도에 기초해 상기 NPC 인버터 내 고장이 발생한 상의 스위칭 소자들을 확인하는 단계; 및
계통전압의 극성상태에 따라 상기 확인된 스위칭 소자들의 스위칭 동작을 다르게 제어하여, 상기 고장이 발생한 상에서 전류의 흐름 여부로써 고장 스위칭 소자를 판단하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 NPC 인버터 스위칭 소자 고장진단방법.In the NPC inverter switching element failure diagnosis method comprising a plurality of switching elements including a reverse diode and a plurality of clamping diodes for each of three phases, converting a DC current into a three-phase AC current and applying it to the system,
Converting the three-phase alternating current into a two-dimensional current vector on a stationary coordinate system;
Identifying switching phases of the faulty phase in the NPC inverter based on the radius and angle of the two-dimensional current vector; And
Determining a faulty switching device based on whether or not current flows in the faulty state by controlling the switching operation of the identified switching devices according to a polarity of a grid voltage;
NPC inverter switching device failure diagnosis method comprising a. 제 6 항에 있어서,
상기 NPC 인버터 내 고장이 발생한 상의 스위칭 소자들을 확인하는 단계는,
상기 정지 좌표계상의 2차원 전류벡터의 반지름과, 상기 NPC 인터버의 직류링크 전압을 제어하는 직류링크 전압 제어기가 직류링크 전압을 이용하여 구한 정상상태 3상 교류전류의 회전 좌표계상 2차원 기준 전류벡터의 반지름을 구하는 단계;
상기 정지 좌표계상의 2차원 전류벡터의 각도를 구하는 단계;
상기 정지 좌표계상의 2차원 전류벡터의 반지름과 상기 회전 좌표계상의 2차원 기준 전류벡터의 반지름을 비교하여 상기 NPC 인버터 내 스위칭 소자들의 고장 발생 여부를 파악하는 단계; 및
상기 파악결과 고장이 발생한 경우 상기 2차원 전류벡터의 각도를 이용하여 상기 NPC 인버터 내 고장이 발생한 상의 스위칭 소자들을 확인하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 NPC 인버터의 스위칭 소자 고장진단방법.The method according to claim 6,
Identifying the switching elements of the failure phase in the NPC inverter,
Two-dimensional reference current vector on the rotation coordinate system of the steady-state three-phase AC current obtained by the DC link voltage controller for controlling the radius of the two-dimensional current vector on the stationary coordinate system and the DC link voltage of the NPC inverter. Finding the radius of;
Obtaining an angle of a two-dimensional current vector on the still coordinate system;
Comparing the radius of the two-dimensional current vector on the stationary coordinate system with the radius of the two-dimensional reference current vector on the rotational coordinate system to determine whether a failure of the switching elements in the NPC inverter occurs; And
Identifying the switching elements of the faulty phase in the NPC inverter using the angle of the two-dimensional current vector when a failure occurs as a result of the determination;
Switching device failure diagnosis method of the NPC inverter comprising a. 제 7 항에 있어서,
상기 정지 좌표계상의 2차원 전류벡터의 반지름과 상기 회전 좌표계상 2차원 기준 전류벡터의 반지름을 구하는 단계는,
상기 정지 좌표계상의 2차원 전류벡터의 반지름을
Figure 112012063883016-pat00033
식을 이용하여 구하고, 상기 회전 좌표계상의 2차원 기준 전류벡터의 반지름을
Figure 112012063883016-pat00034
식을 이용하여 구하며,
Figure 112012063883016-pat00052
는 가로축에 무효분(d)의 2차원 전류벡터가 배열되고 세로축에 유효분(q)의 2차원 전류벡터가 배열되는 정지 좌표계에서, 3상 교류전류에 대한 각각 무효분의 2차원 전류벡터 값, 유효분의 2차원 전류벡터 값을 나타내며,
Figure 112012063883016-pat00053
는 가로축에 무효분(d)의 2차원 전류벡터가 배열되고 세로축에 유효분(q)의 2차원 전류벡터가 배열되는 회전 좌표계에서, 상기 회전 좌표계상 2차원 기준 전류벡터의 무효분 값, 유효분 값을 나타내는 것을 특징으로 하는 NPC 인버터의 스위칭 소자 고장진단방법.
The method of claim 7, wherein
Obtaining the radius of the two-dimensional current vector on the stationary coordinate system and the radius of the two-dimensional reference current vector on the rotation coordinate system,
The radius of the two-dimensional current vector on the still coordinate system
Figure 112012063883016-pat00033
The radius of the two-dimensional reference current vector on the rotation coordinate system
Figure 112012063883016-pat00034
Obtained by using the formula,
Figure 112012063883016-pat00052
Is the two-dimensional current vector value of the ineffective part for the three-phase AC current in the static coordinate system in which the two-dimensional current vector of the inactive part d is arranged on the horizontal axis and the two-dimensional current vector of the effective part q is arranged on the vertical axis. , Represents the effective two-dimensional current vector value,
Figure 112012063883016-pat00053
Is an invalid value of the two-dimensional reference current vector on the rotational coordinate system in the rotational coordinate system in which the two-dimensional current vector of the ineffective part d is arranged on the horizontal axis and the two-dimensional current vector of the effective part q is arranged on the vertical axis. Method for diagnosing switching element failure of an NPC inverter, characterized in that the minute value is displayed.
제 8 항에 있어서,
상기 정지 좌표계상의 2차원 전류벡터의 반지름과 상기 회전 좌표계상의 2차원 기준 전류벡터의 반지름을 비교하여 상기 NPC 인버터 내 스위칭 소자들의 고장 발생 여부를 파악하는 단계는,
상기 정지 좌표계상의 2차원 전류벡터의 반지름과 상기 회전 좌표계상의 2차원 기준 전류벡터의 반지름이 동일한 경우 상기 NPC 인버터 내 모든 스위칭 소자들이 정상인 것으로 판단하고, 동일하지 하지 않은 경우 상기 NPC 인버터 내 적어도 하나의 스위칭 소자에 고장이 발생한 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 NPC 인버터의 스위칭 소자 고장진단방법.The method of claim 8,
Comparing the radius of the two-dimensional current vector on the stationary coordinate system and the radius of the two-dimensional reference current vector on the rotation coordinate system to determine whether a failure of the switching elements in the NPC inverter,
If the radius of the two-dimensional current vector on the stationary coordinate system and the radius of the two-dimensional reference current vector on the rotational coordinate system are the same, it is determined that all the switching elements in the NPC inverter are normal. A method for diagnosing switching element failure of an NPC inverter, comprising determining that a failure occurs in the switching element. 제 7 항에 있어서,
상기 각도를 구하는 단계는,
상기 정지 좌표계상의 2차원 전류벡터의 각도를
Figure 112012063883016-pat00037
식을 이용하여 구하며,
Figure 112012063883016-pat00054
는 상기 정지 좌표계상의 2차원 전류벡터의 각도,
Figure 112012063883016-pat00055
은 2차원 전류벡터가 표현되는 정지 좌표계에서 유효분(q)의 전류 값이 배열되는 축의 무게중심을 나타내고,
Figure 112012063883016-pat00056
은 2차원 전류벡터가 표현되는 정지 좌표계에서 무효분(d)의 전류 값이 배열되는 축의 무게중심을 나타내는 것을 특징으로 하는 NPC 인버터의 스위칭 소자 고장진단방법.
The method of claim 7, wherein
Obtaining the angle is,
The angle of the two-dimensional current vector on the still coordinate system
Figure 112012063883016-pat00037
Obtained by using the formula,
Figure 112012063883016-pat00054
Is the angle of the two-dimensional current vector on the still coordinate system,
Figure 112012063883016-pat00055
Denotes the center of gravity of the axis on which the current value of the effective part (q) is arranged in the static coordinate system in which the two-dimensional current vector is expressed,
Figure 112012063883016-pat00056
Is a method for diagnosing switching element failure of an NPC inverter, characterized in that it represents a center of gravity of an axis in which a current value of an inactive part d is arranged in a stationary coordinate system in which a two-dimensional current vector is expressed.
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