KR101331028B1 - 3―레벨 ｔ타입 인버터의 스위치 고장진단장치 및 방법 - Google Patents

3―레벨 ｔ타입 인버터의 스위치 고장진단장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

3-레벨 T타입 인버터의 스위치 고장진단장치 및 방법이 개시된다. 본 발명의 실시예에 따른 3-레벨 T타입 인버터의 스위치 고장진단장치는, 제1직류링크에 연결된 제1직류링크 커패시터와 제2직류링크에 연결된 제2직류링크 커패시터가 직렬 연결되며, 3개의 상(leg)마다, 다수의 역병렬 다이오드 및 스위치가 상기 제1직류링크 및 제2 직류링크, 상기 제1직류링크 커패시터 및 제2직류링크 커패시터 간 연결 노드인 중성점에 T타입으로 연결된 3-레벨 T타입 인버터; 상기 제1 직류링크 커패시터의 전압과 상기 제2 직류링크 커패시터의 전압 차를 계산하는 전압 계산부; 상기 3-레벨 T타입 인버터의 출력되는 3상 전류를 이용하여 상기 각 상마다 표준화된 전류의 평균값을 계산하는 평균값 계산부; 상기 평균값 계산부에서 계산된 각 상마다 표준화된 전류의 평균값을 이용하여 상기 각 상의 고장 여부를 진단하는 고장 레그 진단부; 및 상기 고장 레그 진단부의 진단결과 고장이 발생한 상의 표준화된 전류의 평균값, 상기 제1직류링크 커패시터의 전압과 상기 제2직류링크 커패시터의 전압 간 차이 값을 이용하여, 상기 고장이 발생한 상 내의 고장 스위치를 판별하는 고장스위치 판별부를 포함한다.

Description

3―레벨 Ｔ타입 인버터의 스위치 고장진단장치 및 방법{FAULT SWITCH DIAGNOSIS APPARATUS AND METHOD OF 3 LEVEL T TYPE INVERTER}
본 발명은 인버터(Inverter)에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 3-레벨 T타입 인버터 내 스위치의 고장을 진단하는 기술에 관한 것이다.
반도체 스위치 소자를 이용한 전력변환장치, 즉 인버터(Inverter)는 전기/전력제어 시스템만이 아니라 최근 환경문제로 인해 각광받고 있는 신재생 에너지 발전시스템의 제어를 위한 필수적인 모듈이다. 나아가 전력변환장치의 대용량화 및 낮은 THD(Total Harmonic Distortion, 전체 고조파 왜곡율)의 요구 그리고 필터 인덕턴스 동량 감소 요구에 따라 이에 적합한 3-레벨 인버터의 수요가 증가하고 있으며, 이 중 스위치의 손실을 줄일 수 있는 3-레벨 T타입 인버터에 대한 관심이 고조되고 있는 상황이다.
이 3-레벨 T타입 인버터가 전기/전력제어 시스템, 신재생 에너지 발전시스템 등에 적용되어 사용되는 경우 스위치의 개방고장 및 단락고장이 종종 발생할 수 있다. 이로 인하여 시스템의 성능저하 문제 및 안정성 저하문제 등을 발생하고 경제적 손실도 발생한다. 이에 따라 스위치의 고장진단을 통해 상기한 시스템의 성능저하 문제 및 안정성 저하문제 등과 경제적 손실을 최소화하고 유지보수의 편의성 증가를 위한 기법들이 필요하다.
이러한 3-레벨 T타입 인버터의 스위치 고장을 진단하기 위한 기법은 모델기반, 전압신호기반으로 나누어진다. 모델기반 기법은 추가적인 센서가 필요하지 않은 장점이 있지만 정확한 시스템 모델링을 필요로 한다. 모델링의 정확성 정도에 따라 잘못된 고장진단신호를 발생할 수 있어 복잡한 시스템에 적용하는데 한계가 있다. 전압신호기반 기법은 크게 극전압, 선간전압, 상전압 측정방법으로 나누어진다. 극전압과 선간전압 측정방법은 전동기모델에 독립적이고 상전압 측정방법은 전동기모델에 의존적이고 중성점전압 측정이 가능해야 한다. 그러나 극전압 측정방법은 추가적인 전압센서가 필요하여 추가비용이 든다는 단점을 가진다.
계통연계시의 3-레벨 T타입 인버터에 추가적인 전압센서와 복잡한 시스템의 수학적 모델링 없이 간단히 표준화된 전류의 평균값과 커패시터 전압의 측정을 통해 스위치의 고장을 진단하는 3―레벨 T타입 인버터의 스위치 고장진단장치 및 방법이 제안된다.
본 발명의 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 양상에 따른 제1직류링크에 연결된 제1직류링크 커패시터와 제2직류링크에 연결된 제2직류링크 커패시터가 직렬 연결되며, 3개의 상(leg)마다, 다수의 역병렬 다이오드 및 스위치가 상기 제1직류링크 및 제2 직류링크, 상기 제1직류링크 커패시터 및 제2직류링크 커패시터 간 연결 노드인 중성점에 T타입으로 연결된 3-레벨 T타입 인버터; 상기 제1 직류링크 커패시터의 전압과 상기 제2 직류링크 커패시터의 전압 차를 계산하는 전압 계산부; 상기 3-레벨 T타입 인버터의 출력되는 3상 전류를 이용하여 상기 각 상마다 표준화된 전류의 평균값을 계산하는 평균값 계산부; 상기 평균값 계산부에서 계산된 각 상마다 표준화된 전류의 평균값을 이용하여 상기 각 상의 고장 여부를 진단하는 고장 레그 진단부; 및 상기 고장 레그 진단부의 진단결과 고장이 발생한 상의 표준화된 전류의 평균값, 상기 제1직류링크 커패시터의 전압과 상기 제2직류링크 커패시터의 전압 간 차이 값을 이용하여, 상기 고장이 발생한 상 내의 고장 스위치를 판별하는 고장스위치 판별부를 포함한다.
상기 평균값 계산부는, 상기 3상 전류를 정지 좌표계 전류로 변환하고 상기 정지 좌표계 전류 및 상기 3상 전류 중 각 상의 전류를 이용하여 상기 각 상마다 표준화된 전류의 평균값을 계산할 수 있다.
상기 고장 레그 진단부는, 상기 각 상마다 표준화된 전류의 평균값이 '0'이 아닌 경우 고장이 발생한 것으로 진단할 수 있다.
상기 고장스위칭 판별부는, 상기 고장 레그 진단부의 진단결과 고장이 발생한 경우 상기 3-레벨 T타입 인버터의 출력단에 추가적으로 음의 무효전류가 흐르도록 하고, 상기 3-레벨 T타입 인버터의 출력단에 추가적으로 음의 무효전류가 흐른 후 상기 전압 계산부로부터 상기 제1직류링크 커패시터 전압과 제2직류링크 커패시터 전압 간 차이 값을 수신하고, 상기 고장이 발생한 상의 표준화된 전류의 평균값의 음의 값 또는 양의 값 상태와 상기 제1직류링크 커패시터 전압과 제2직류링크 커패시터 전압 간 차이 값을 이용하여 상기 고장 스위치를 판별할 수 있다.
상기 3-레벨 T타입 인버터의 출력단에 추가적으로 흐르는 음의 무효전류는, 각 상의 출력전류의 크기가 정격전류의 크기보다 작거나 같도록, 소정 크기를 갖는 음의 무효전류일 수 있다.
본 발명의 다른 양상에 따른 3-레벨 T타입 인버터의 스위치 고장진단방법은, 제1직류링크에 연결된 제1직류링크 커패시터와 제2직류링크에 연결된 제2직류링크 커패시터가 직렬 연결되며, 3개의 상(leg)마다, 다수의 역병렬 다이오드 및 스위치가 상기 제1직류링크 및 제2 직류링크, 상기 제1직류링크 커패시터 및 제2직류링크 커패시터 간 연결 노드인 중성점에 T타입으로 연결되는 3-레벨 T타입 인버터의 스위치 고장진단 방법으로, 상기 3-레벨 T타입 인버터의 출력되는 3상 전류를 이용하여 상기 각 상마다 표준화된 전류의 평균값을 계산하는 단계; 상기 계산된 각 상마다 표준화된 전류의 평균값을 이용하여 상기 각 상의 고장 여부를 진단하는 단계; 상기 각 상 중 적어도 하나에 고장이 발생한 경우 상기 3-레벨 T타입 인버터의 출력단에 추가적으로 음의 무효전류가 흐르도록 하는 단계; 상기 3-레벨 T타입 인버터의 출력단에 추가적으로 무효전류가 흐른 후 상기 제1직류링크 커패시터 전압과 제2직류링크 커패시터 전압 간 차이 값을 계산하는 단계; 및 상기 고장이 발생한 상의 표준화된 전류의 평균값의 음의 값 또는 양의 값 상태와 상기 제1직류링크 커패시터 전압과 제2직류링크 커패시터 전압 간 차이 값을 이용하여 상기 고장 스위치를 판별하는 단계를 포함한다.
상기 평균값을 계산하는 단계는, 상기 3상 전류를 정지 좌표계 전류로 변환하고 상기 정지 좌표계 전류 및 상기 3상 전류 중 각 상의 전류를 이용하여 상기 각 상마다 표준화된 전류의 평균값을 계산할 수 있다.
상기 각 상의 고장 여부를 진단하는 단계는, 상기 각 상마다 표준화된 전류의 평균값이 '0'이 아닌 경우 고장이 발생한 것으로 진단할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 3-레벨 T타입 인버터의 스위치 고장진단장치 및 방법에 따르면, 계통연계시의 3-레벨 T타입 인버터에 추가적인 전압센서와 복잡한 시스템의 수학적 모델링 없이 간단히 표준화된 전류의 평균값과 커패시터 전압의 측정을 통해 스위치의 고장을 진단함으로써, 계통연계시의 3-레벨 T타입 인버터에 추가적인 전압센서와 복잡한 시스템의 수학적 모델링 없이 간단하게 스위치의 고장을 진단할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 3―레벨 T타입 인버터의 스위치 고장진단장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 3레벨 T타입 인버터의 27개 공간전압벡터를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 3-레벨 T타입 인버터의 각 상의 스위칭 상태에 따른 중성점 전압의 상태를 나타낸 도면이다.
도 4는 스위치 고장에 따른 커패시터 전압의 변화를 나타낸 도면이다.
도 5는 상 전류의 크기가 작을 때 스위치 고장에 따른 커패시터 전압의 변화를 나타낸 도면이다.
도 6은 제1직류링크 커패시터의 전압 및 제2직류링크 커패시터의 전압의 변화를 나타낸 도면이다.
도 7은 Sa1 스위치의 고장 진단 결과를 나타낸 도면이다.
도 8은 Sa2 스위치의 고장 진단 결과를 나타낸 도면이다.
도 9는 Sa3 스위치의 고장 진단 결과를 나타낸 도면이다.
도 10은 Sa4 스위치의 고장 진단 결과를 나타낸 도면이다.
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.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 3-레벨 T타입 인버터의 스위치 고장진단장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 3-레벨 T타입 인버터의 스위치 고장진단장치는, 3-레벨 T타입 인버터(1), 전압 계산부(10), 평균값 계산부(20), 고장레그 계산부(30) 및 고장스위치 판별부(40)를 포함한다.
3-레벨 T타입 인버터(1)는 제1직류링크에 연결된 제1직류링크 커패시터(2), 제2직류링크에 연결된 제2직류링크 커패시터(3)를 포함하며, 3개의 상(leg)로 구성되며, 각 상마다 다수의 역병렬 다이오드와 스위치로 구성된다. 상기 제1직류링크 커패시터(2)와 제2직류링크 커패시터(3)는 직렬 연결된다.
상기 3개의 상 중 a상은 역병렬 다이오드(Da1, Da2, Da3, Da4)와 스위치(Sa1, Sa2, Sa3, Sa4)로 구성되며, 제1직류링크에 스위치 Sa1 및 역병렬 다이오드 Da1이 연결되며 제2직류링크에 스위치 Sa4 및 역병렬 다이오드 Da4가 연결되며, 상기 제1직류링크 커패시터(2)와 제2직류링크 커패시터(3)의 연결 노드인 중성점(z)과 상기 스위치 Sa1 및 스위치 Sa4의 연결 노드 사이에, 스위치 Sa2, Sa3과 역병렬 다이오드 Da2, Da3가 연결된다.
상기 3개의 상 중 b상은 역병렬 다이오드(Db1, Db2, Db3, Db4)와 스위치(Sb1, Sb2, Sb3, Sb4)로 구성되며, 제1직류링크에 스위치 Sb1 및 역병렬 다이오드 Db1이 연결되며 제2직류링크에 스위치 Sb4 및 역병렬 다이오드 Db4가 연결되며, 상기 중성점(z)과 상기 스위치 Sb1 및 스위치 Sb4의 연결 노드 사이에, 스위치 Sb2, Sb3과 역병렬 다이오드 Db2, Db3가 연결된다.
상기 3개의 상 중 c상은 역병렬 다이오드(Dc1, Dc2, Dc3, Dc4)와 스위치(Sc1, Sc2, Sc3, Sc4)로 구성되며, 제1직류링크에 스위치 Sc1 및 역병렬 다이오드 Dc1이 연결되며 제2직류링크에 스위치 Sc4 및 역병렬 다이오드 Dc4가 연결되며, 상기 중성점(z)과 상기 스위치 Sc1 및 스위치 Sc4의 연결 노드 사이에, 스위치 Sc2, Sc3과 역병렬 다이오드 Dc2, Dc3가 연결된다.
평균값 계산부(20)는 3-레벨 T타입 인버터(1)로부터 출력되는 3상 전류를 이용하여 각 상마다 표준화된 전류의 평균값을 계산한다.
이에 대해서 구체적으로 살펴보기로 한다.
평균값 계산부(20)는 하기의 수학식 1을 이용하여 3-레벨 T타입 인버터(1)로부터 출력된 3상 전류(ia, ib, ic)를 정지 좌표계(iα, iβ) 전류로 변환하고, 상기 정지 좌표계 전류 및 상기 출력된 3상 전류를 이용하여 상기 각 상마다 표준화된 전류의 평균값을 계산한다.
Figure 112012041598374-pat00001
이때, ia, ib, ic는 각각 a상의 출력전류, b상의 출력전류, c상의 출력전류를 나타내며,
Figure 112012041598374-pat00002
는 정지 좌표계 전류의 크기를 나타내며,
Figure 112012041598374-pat00003
은 각 상에서 표준화된 전류를 나타낸다. 즉
Figure 112012041598374-pat00004
은 a상의 표준화된 전류를 나타내고,
Figure 112012041598374-pat00005
은 b상의 표준화된 전류를 나타내고,
Figure 112012041598374-pat00006
은 c상의 표준화된 전류를 나타낸다. 상기 각 상의 표준화된 전류는 10[A]로 표준화되어 있으며, 이는 일 실시예에 불과하며 이에 한정되지는 않는다.
Figure 112012041598374-pat00007
는 상기 각 상마다 표준화된 전류의 평균값을 나타낸다.
고장레그 계산부(30)는 상기 평균값 계산부(30)에서 계산된 각 상마다 표준화된 전류의 평균값을 이용하여 상기 각 상의 고장 여부를 진단한다.
즉 고장레그 계산부(30)는 상기 각 상마다 표준화된 전류의 평균값이 '0'이 아닌 경우 고장이 발생한 것으로 진단한다. 스위치 고장이 발생하지 않으면 각 상의 출력 전류파형은 정현파이므로 출력 전류의 평균값은 '0'이 된다. 하지만 스위치에 고장이 발생하면 출력 전류파형에 왜곡이 발생하게 되어 결국 표준화된 전류의 평균값은 '0'이 아닌 값을 가지게 된다. 즉 표준화된 전류의 평균값이 '0'이 아닌 상에 스위치 고장이 발생한 것으로 판단한다.
이때 고장이 발생한 스위치들 중 Sx1, Sx2 스위치에 고장이 발생하면 스위칭 상태 'P' 또는 'O'가 될 수 없게 되어 고장이 발생한 상의 양의 출력 전압이 왜곡되고 이로 인해서 상기 고장이 발생한 상의 양의 출력 전류에 왜곡이 발생하므로 그 상의 표준화된 전류의 평균값은 음의 값이 되며 다른 상의 표준화된 전류의 평균값은 양의 값을 갖는다. 상기 고장이 발생한 상의 표준화된 전류의 평균값이 음의 값을 갖는 경우 다른 상의 표준화된 전류의 평균값이 양이 되는 이유는 3-레벨 T인버터의 출력을 고장 전의 상태로 유지해주기 위해서이다.
한편 Sx3, Sx4 스위치에 고장이 발생하면 스위칭 상태 'N' 또는 'O'가 될 수 없게 되어 고장이 발생한 상의 음의 출력 전압이 왜곡되고 이로 인해서 상기 고장이 발생한 상의 음의 출력 전류에 왜곡이 발생하므로 그 상의 표준화된 전류의 평균값은 양의 값이 되며 다른 상의 표준화된 전류의 평균값은 음의 값을 갖는다. 상기 고장이 발생한 상의 표준화된 전류의 평균값이 양의 값을 갖는 경우 다른 상의 표준화된 전류의 평균값이 음이 되는 이유는 3-레벨 T인버터의 출력을 고장 전의 상태로 유지해주기 위해서이다.
전압 계산부(10)는 제1직류링크 커패시터(2)의 전압과 제2직류링크 커패시터(3)의 전압의 차를 계산한다.
여기서, 제1직류링크 커패시터(2)의 전압과 제2직류링크 커패시터(3)의 전압의 크기는 각 상의 스위치의 스위칭 상태에 따라 달라진다. 이에 대해서 살펴보면, 도 2는 3레벨 T타입 인버터의 27개 공간전압벡터를 나타낸다. 공간 전압벡터는 그 크기에 따라 영(zero), 작은(small), 중간(medium), 큰(large) 전압벡터로 나눌 수 있다. 이중에서 중성점(z) 전압에 영향을 주는 벡터는 작은 전압벡터(POO/ONN, PPO/OON, OPO/NON, OPP/NOO, OOP/NNO, POP/ONO)와 중간 전압벡터(PON, OPN, NPO, ONP, PNO)이고 영 전압벡터(PPP, NNN, OOO)와 큰 전압벡터(PNP, PPN, NPP, NNP, PNN)는 인버터 출력단이 직류링크 중성점(z)에 연결되지 않기 때문에 중성점 전압변동에 영향을 끼치지 않는다. 이때, 예를 들어 PPP는 좌측에서 우측으로 순차적으로 a상의 스위칭 상태, b상의 스위칭 상태, c상의 스위칭 상태를 나타낸다. 즉, 첫 번째 P는 a 상(leg)에 포함된 스위치들의 스위칭 상태가 P 타입이라는 것을 나타내며, 두 번째 P는 b 상에 포함된 스위치들의 스위칭 상태가 P 타입이라는 것을 나타내며, 세 번째 P는 c 상에 포함된 스위치들의 스위칭 상태가 P타입이라는 것을 나타낸다. 그리고 a상에 포함된 스위치들, b상에 포함된 스위치들, c상에 포함된 스위치들의 스위치 상태를 제어하기 위한 스위칭 제어신호는, 도 1에 도시되지 않았으나, 3-레벨 T타입 인버터 PWM 신호 발생기에 의해서 발생될 수 있다.
작은 전압벡터(POO/ONN, PPO/OON, OPO/NON, OPP/NOO, OOP/NNO, POP/ONO)는 스위칭 상태에 따라 P타입 작은 전압벡터와 N타입 작은 전압벡터로 나뉠 수 있다. P 타입 작은 벡터벡터(POO, PPO, OPO, OPP, OOP, POP)는 작은 벡터 스위칭 조합에서 P와 O 상태를 포함하는 경우이며, N타입 작은 전압벡터(ONN, OON, NON, NOO, NNO, ONO)는 N과 O 상태를 포함하는 경우이다. 그리고 중복성을 가지는 한 쌍의 P타입과 N타입 작은 전압벡터(POO/ONN, PPO/OON, OPO/NON, OPP/NOO, OOP/NNO, POP/ONO)는 각각 전압 레벨을 갖지만 중성점 전류의 방향은 서로 반대가 된다. 따라서 중성점에서의 전압변동 양상도 반대로 나타난다.
이에 대해서 도 3을 참조하여 구체적으로 살펴보기로 한다. 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 3-레벨 T타입 인버터의 각 상의 스위칭 상태에 따른 중성점 전압의 상태를 나타낸 도면이다.
도 3의 (a)는 영 전압벡터의 경우를 나타내며 3-레벨 T타입 인버터의 출력단이 직류링크(dc link) 중성점(z)에 연결되어 있지 않으므로 중성점전압 변동에 영향을 주지 않음을 나타낸다.
도 3의 (e)는 큰 전압벡터의 경우를 나타내며 3-레벨 T타입 인버터의 출력단이 직류링크 중성점(z)에 연결되어 있지 않으므로 중성점(z) 전압변동에 영향을 주지 않음을 나타낸다.
도 3의 (b)는 P 타입 작은 전압벡터의 경우를 나타내며 3-레벨 T타입 인버터의 출력단이 직류링크 상단과 중성점(z)에 연결되어 있으므로 전류 iz가 중성점 방향으로 들어가며 이는 하단의 커패시터 전압을 증가시킨다.
도 3의 (c)는 N 타입 작은 전압벡터의 경우를 나타내며 3-레벨 T타입 인버터의 출력단이 중성점(z)과 직류링크 하단에 연결되어 있으므로 전류 iz가 중성점에서 흘러나오며 이는 하단의 커패시터 전압을 감소시킨다.
도 3의 (d)는 중간 전압벡터의 경우를 나타내며 3-레벨 T타입 인버터의 출력단이 중성점에 연결되어 있으므로 중성점에 연결된 상의 전류 방향에 따라 중성점 전압이 증가 혹은 감소한다.
즉 본 발명의 3-레벨 T타입 인버터는 각 상(leg)에 대하여 3가지의 스위칭 상태(P, N, O)를 가진다. 스위칭 상태 P는 각 상에서 스위치Sx1, Sx2가 턴 온되고 Sx3, Sx4가 턴 오프되는 상태를 나타내며, 이때 폴(Pole)전압은 Vdc/2[V]이다. 반면 N상태는 각 상에서 스위치 Sx1, Sx2가 턴 오프되고 Sx3, Sx4가 턴 온되는 상태를 나타내며, 이때 폴(Pole)전압은 -Vdc/2[V]이다. 스위칭 상태 O는 각 상에서 스위치 Sx2, Sx3이 턴 온되고 Sx1, Sx4가 턴 오프되는 상태를 나타내며, 이때 폴(Pole)전압은 0[V]이다.
P형(스위치 Sx1, Sx2가 턴 온) 작은 전압벡터는 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이 중성점 전압을 증가시키며, N형(스위치 Sx3, Sx4가 턴 온) 작은 전압 벡터는 도 3의 (c)에 도시된 바와 같이 중성점 전압을 감소시킨다. 중간 전압벡터는 도 3의 (d)에 도시된 바와 같이 중성점에 연결된 상의 전류 방향에 따라 중성점 전압을 증가 혹은 감소시킨다.
고장스위치 판별부(40)는 고장 레그 진단부(30)의 진단결과 고장이 발생한 상의 표준화된 전류의 평균값, 상기 제1직류링크 커패시터의 전압과 상기 제2직류링크 커패시터의 전압 간 차이 값을 이용하여, 상기 고장이 발생한 상 내의 고장 스위치를 판별한다. 즉 고장스위칭 판별부(40)는 상기 고장 레그 진단부(30)의 진단결과 고장이 발생한 경우 3-레벨 T타입 인버터의 출력단에 음의 무효전류가 흐르도록 하고, 3-레벨 T타입 인버터의 출력단에 추가적으로 음의 무효전류가 흐른 후, 상기 전압 계산부(10)로부터 상기 제1직류링크 커패시터 전압과 제2직류링크 커패시터 전압 간 차이 값을 수신하고, 상기 고장이 발생한 상의 표준화된 전류의 평균값의 음의 값 또는 양의 값 상태와 상기 제1직류링크 커패시터 전압과 제2직류링크 커패시터 전압 간 차이 값을 이용하여 상기 고장 스위치를 판별한다. 이때, 3-레별 T타입 인버터의 출력단에 추가적으로 흐르는 음의 무효전류는, 도 1에는 도시되지 않았지만, 3-레벨 T타입 인버터 전류제어기에 의해서 제공될 수 있다. 그리고 3-레벨 T타입 인버터의 출력단은 각 상마다, 스위치 Sx1 및 Sx4의 연결 노드와 필터를 연결하는 라인 또는 필터와 계통을 연결하는 라인일 수 있다.
SX1 스위치에 개방성 고장이 발생하면 P 스위칭 상태(스위치 Sx1, Sx2가 턴 온되는 상태)가 불가능하다. a 상(leg)에 고장이 발생하였다고 가정한다면 P타입 작은 전압벡터는 PPO, POO, POP 스위칭 상태가 불가능하고 N타입 작은 전압벡터는 모두 가능하므로 VDC1의 전압이 VDC2의 전압보다 크게 된다.
중성점에 양의 전류가 흐를 경우 O 스위칭 상태(스위치 Sx2, Sx3가 턴 온되는 상태)는 불가능하지만 중성점에 음의 전류가 흐를 경우에는 SX3 스위치와 DX2 다이오드를 통하여 전류가 흐를 수 있으므로 O 스위칭 상태가 가능하다. a 상의 Sa2 스위치에 고장이 발생하였다고 가정한다면 P타입 작은 전압벡터는 모두 가능하지만 N타입 작은 전압벡터 [ONN], [OON], [ONO]는 불가능 하므로 VDC1의 전압이 VDC2의 전압보다 작게 된다.
중성점에 음의 전류가 흐를 경우 O 스위칭 상태는 불가능 하지만 중성점에 양의 전류가 흐를 경우에는 SX2 스위치와 DX3 다이오드를 통하여 전류가 흐를 수 있으므로 O 스위칭 상태가 가능하다. P형 작은 전압벡터 [OPO], [OPP], [OOP]가 불가능하므로 VDC1의 전압이 VDC2의 전압보다 크게 된다.
SX4 스위치에 개방성 고장이 발생하면 N 스위칭 상태가 불가능하다. a 상(leg)에 고장이 발생하였다고 가정한다면, P타입 작은 전압벡터는 모두 가능하고 N타입 작은 전압벡터 [NON], [NOO], [NNO]가 불가능하므로 VDC1의 전압이 VDC2의 전압보다 작게 된다.
스위치 고장에 따른 커패시터 전압의 변화를 나타낸 도면이 도 4에 도시되어 있다. 도 4를 참조하면 도 4의 (a)는 Sx1 스위치가 고장난 경우의 제1직류링크 커패시터 전압(VDC1)과 제2직류링크 커패시터 전압(VDC2)의 변화를 나타내고, 도 4의 (b)는 Sx2 스위치가 고장난 경우의 제1직류링크 커패시터 전압(VDC1)과 제2직류링크 커패시터 전압(VDC2)의 변화를 나타내고, 도 4의 (c)는 Sx3 스위치가 고장난 경우의 제1직류링크 커패시터 전압(VDC1)과 제2직류링크 커패시터 전압(VDC2)의 변화를 나타내고, 도 4의 (d)는 Sx4 스위치가 고장난 경우의 제1직류링크 커패시터 전압(VDC1)과 제2직류링크 커패시터 전압(VDC2)의 변화를 나타낸다.
도 5는 상 전류의 크기가 작을 때 스위치 고장에 따른 커패시터 전압의 변화를 나타낸다. 도 5를 참조하면, 도 5의 (a)는 상 전류의 크기가 작을 때 Sx2 스위치가 고장난 경우의 제1직류링크 커패시터 전압(VDC1)과 제2직류링크 커패시터 전압(VDC2)의 변화를 나타내고, 도 5의 (b)는 상 전류의 크기가 작을 때 Sx3 스위치가 고장난 경우의 제1직류링크 커패시터 전압(VDC1)과 제2직류링크 커패시터 전압(VDC2)의 변화를 나타낸다.
도 5의 (a)에서와 같이 상 전류의 크기가 작을 때 Sx2 스위치가 고장난 경우의 제1직류링크 커패시터 전압(VDC1)과 제2직류링크 커패시터 전압(VDC2)의 변화는 도 4의 (a)에 도시된 Sx1 스위치가 고장난 경우의 제1직류링크 커패시터 전압(VDC1)과 제2직류링크 커패시터 전압(VDC2)의 변화와 같고, 도 5의 (b)에서와 같이 상 전류의 크기가 작을 때 Sx3 스위치가 고장난 경우의 제1직류링크 커패시터 전압(VDC1)과 제2직류링크 커패시터 전압(VDC2)의 변화는 도 4의 (d)에 도시된 Sx4 스위치가 고장난 경우의 제1직류링크 커패시터 전압(VDC1)과 제2직류링크 커패시터 전압(VDC2)의 변화와 같다. Sx2 스위치가 고장나게 되면 O 스위칭 상태에서 출력전압은 '0'이 아닌 -Vdc/2가 된다. 이 왜곡된 전압에 의해 출력 전류의 왜곡이 발생하지만 출력 전류가 큰 경우에는 양의 전류 왜곡이 심하게 발생하지 않고 왜곡된 전류가 흐르게 된다. 하지만 상 전류가 작을 경우에는 양의 출력 전류가 거의 '0'이 되며 이는 Sx1 스위치가 고장 났을 때의 출력 전류와 같게 되므로, Sx2 스위치가 고장났을 때 제1직류링크 커패시터 전압 및 제2직류링크 커패시터 전압의 변화가 Sx1 스위치가 고장났을 때 제1직류링크 커패시터 전압 및 제2직류링크 커패시터 전압의 변화와 같게 된다.
따라서 상 전류가 작을 경우에는 커패시터 전압의 변화로 고장 난 스위치의 위치를 판별할 수 없게 된다.
따라서 커패시터 전압의 차이를 고장 스위치 판별에 이용하기 위해서 음의 무효전류가 3-레벨 T타입 인버터의 출력단에 추가적으로 흐르면 각 상에 출력되는 전류의 크기가 커지게 되고 제1직류링크 커패시터의 전압 및 제2직류링크 커패시터의 전압이 상기 각 상에 출력되는 전류의 크기가 커진 경우와 같은 변화를 보이므로 제1직류링크 커패시터의 전압 및 제2직류링크 커패시터의 전압을 이용하여 고장 난 스위치를 구분할 수 있게 된다.
일 실시예에 있어서 각 상에서 출력전류(=유효전류 + 무효전류)가 3[A]인 경우, -10[A]의 무효전류가 3-레벨 T타입 인버터의 출력단에 흐르면, SX2, SX3 스위치 고장에 따른 제1직류링크 커패시터의 전압 및 제2직류링크 커패시터의 전압의 변화를 나타낸 도면이 도 6에 도시되어 있다.
출력전류가 3[A]이며 무효전류는 태양광 발전시스템 또는 풍력발전기에 의해 생성되는 유효 전력에 상관없이 3-레벨 T타입 인버터 전류제어기에 의해서 출력가능하므로, 3-레벨 T타입 인버터 전류제어기는 음의 무효전류를 임의로 생성가능하며 생성한 음의 무효전류를 3-레벨 T타입 인버터의 출력단에 추가적으로 흐르게 하면 각 상에서 출력전류의 크기가 커지게 되며, 도 6은 -10[A]의 무효전류가 3-레벨 T타입 인버터의 출력단에 추가적으로 흐르는 경우에 제1직류링크 커패시터의 전압 및 제2직류링크 커패시터의 전압 변화를 나타낸다. 이때 음의 무효전류는 각 상의 출력전류가 정격전류를 넘지 않도록 주입되는 것이 바람직하다. 그리고 3-레벨 T타입 인버터 전류제어기의 레퍼런스 값을 변형함으로써 음의 무효전류가 3-레벨 T타입 인버터의 출력단에 흐를 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 3-레벨 T타입 인버터의 스위치 고장진단은, 상기 3-레벨 T타입 인버터에서 출력되는 3상 전류를 이용하여 각 상의 표준화된 전류의 평균값을 구하고, 상기 각 상의 표준화된 전류의 평균값을 이용하여 고장난 상(leg)을 판별하고, 각 상의 출력전류가 정격전류를 넘지 않도록 음의 무효전류가 추가적으로 3-레벨 T타입 인버터의 출력단에 흐르도록 하고, 이후 상기 음의 무효전류가 3-레벨 T타입 인버터의 출력단에 추가적으로 흐름에 따라 변하는 제1직류링크 커패시터의 전압 및 제2직류링크 커패시터의 전압 및 상기 고장이 발생한 상의 표준화된 전류의 평균값을 이용하여 고장난 스위치의 위치를 판별한다. 일 실시예에 있어서, 도 1의 a 상에 고장이 난 경우를 예로 하여 고장난 스위치의 위치를 판별하는 과정에 대해서 살펴보기로 한다.
a 상에서 출력되는 3상 전류를 이용하여 구해진 표준화된 전류의 평균값이 음의 값을 가진 경우, 음의 무효전류를 3-레벨 T타입 인버터의 출력단에 추가적으로 흐르게 하고 이후 제1직류링크 커패시터의 전압 및 제2직류링크 커패시터의 전압차이를 계산하고 계산결과 제1직류링크 커패시터의 전압이 제2직류링크 커패시터의 전압보다 크면 Sa1 스위치가 고장이고, 작으면 Sa2 스위치가 고장이다. 반면, a 상에서 출력되는 3상 전류를 이용하여 구해진 표준화된 전류의 평균값이 양의 값을 가진 경우, 음의 무효전류를 3-레벨 T타입 인버터의 출력단에 추가적으로 흐르게 하고 이후 제1직류링크 커패시터의 전압 및 제2직류링크 커패시터의 전압차이를 계산하고 계산결과 제1직류링크 커패시터의 전압이 제2직류링크 커패시터의 전압보다 크면 Sa3 스위치가 고장이고, 작으면 Sa4 스위치가 고장이다.
이를 규칙화하면 하기의 수학식 2와 같다.
Figure 112012041598374-pat00008
이때,
Figure 112012041598374-pat00009
는 상기 각 상마다 표준화된 전류의 평균값을 나타내고,
Figure 112012041598374-pat00010
는 각 상의 표준화된 전류의 평균 기준값을 나타내며,
Figure 112012041598374-pat00011
는 제1직류링크 커패시터의 전압과 제2직류링크 커패시터 전압의 차이의 기준값을 나타내고,
Figure 112012041598374-pat00012
및
Figure 112012041598374-pat00013
인 경우는 각 상의 스위치에 고장이 발생하지 않은 상태 즉 정상인 상태를 나타낸다.
상기 수학식 2에 기초하여 스위치 고장에 따른 고장진단 변수의 값이 하기의 표 1에 도시되어 있다.
Figure 112012041598374-pat00014
상기 표 1에 기초하여 a상에 고장이 난 경우 본 발명의 실시예에 따른 3-레벨 T타입 인버터의 스위치 고장진단 결과는 도 7 내지 도 10에 도시되어 있다. 도 7은 Sa1 스위치의 고장 진단 결과를 나타내며, Reactive current는 무효 전류를 나타낸다. 도 8은 Sa2 스위치의 고장 진단 결과를 나타내며, 도 9는 Sa3 스위치의 고장 진단 결과를 나타내며, 도 10은 Sa4 스위치의 고장 진단 결과를 나타낸다. 도7 내지 도 10에서, μb는 초록색으로 표시되어 있고 μc는 검정색으로 표시되어 있으며, 각각의 (b)의 도면에서 μb 및 μc는 서로 겹쳐져 있는 상태이다.
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.

Claims (9)

  1. 제1직류링크에 연결된 제1직류링크 커패시터와 제2직류링크에 연결된 제2직류링크 커패시터가 직렬 연결되며, 3개의 상(leg)마다, 다수의 역병렬 다이오드 및 스위치가 상기 제1직류링크 및 제2 직류링크, 상기 제1직류링크 커패시터 및 제2직류링크 커패시터 간 연결 노드인 중성점에 T타입으로 연결된 3-레벨 T타입 인버터;
    상기 제1 직류링크 커패시터의 전압과 상기 제2 직류링크 커패시터의 전압 차를 계산하는 전압 계산부;
    상기 3-레벨 T타입 인버터의 출력되는 3상 전류를 이용하여 상기 각 상마다 표준화된 전류의 평균값을 계산하는 평균값 계산부;
    상기 평균값 계산부에서 계산된 각 상마다 표준화된 전류의 평균값을 이용하여 상기 각 상의 고장 여부를 진단하는 고장 레그 진단부; 및
    상기 고장 레그 진단부의 진단결과 고장이 발생한 상의 표준화된 전류의 평균값, 상기 제1직류링크 커패시터의 전압과 상기 제2직류링크 커패시터의 전압 간 차이 값을 이용하여, 상기 고장이 발생한 상 내의 고장 스위치를 판별하는 고장스위치 판별부를 포함하는 3-레벨 T타입 인버터의 스위치 고장진단장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 평균값 계산부는,
    상기 3상 전류를 정지 좌표계 전류로 변환하고 상기 정지 좌표계 전류 및 상기 3상 전류 중 각 상의 전류를 이용하여 상기 각 상마다 표준화된 전류의 평균값을 계산하는 3-레벨 T타입 인버터의 스위치 고장진단장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 고장 레그 진단부는,
    상기 각 상마다 표준화된 전류의 평균값이 '0'이 아닌 경우 고장이 발생한 것으로 진단하는 3-레벨 T타입 인버터의 스위치 고장진단장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 고장스위치 판별부는,
    상기 고장 레그 진단부의 진단결과 고장이 발생한 경우 상기 3-레벨 T타입 인버터의 출력단에 음의 무효전류가 흐르도록 하고, 상기 3-레벨 T타입 인버터의 출력단에 추가적으로 음의 무효전류가 흐른 후 상기 전압 계산부로부터 상기 제1직류링크 커패시터 전압과 제2직류링크 커패시터 전압 간 차이 값을 수신하고, 상기 고장이 발생한 상의 표준화된 전류의 평균값의 음의 값 또는 양의 값 상태와 상기 제1직류링크 커패시터 전압과 제2직류링크 커패시터 전압 간 차이 값을 이용하여 상기 고장 스위치를 판별하는 3-레벨 T타입 인버터의 스위치 고장진단장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 3-레벨 T타입 인버터의 출력단에 추가적으로 흐르는 음의 무효전류는, 각 상의 출력전류의 크기가 정격전류의 크기보다 작거나 같도록, 소정 크기를 갖는 음의 무효전류인 것을 특징으로 하는 3-레벨 T타입 인버터의 스위치 고장진단장치.
  6. 제1직류링크에 연결된 제1직류링크 커패시터와 제2직류링크에 연결된 제2직류링크 커패시터가 직렬 연결되며, 3개의 상(leg)마다, 다수의 역병렬 다이오드 및 스위치가 상기 제1직류링크 및 제2 직류링크, 상기 제1직류링크 커패시터 및 제2직류링크 커패시터 간 연결 노드인 중성점에 T타입으로 연결되는 3-레벨 T타입 인버터의 스위치 고장진단 방법에 있어서,
    상기 3-레벨 T타입 인버터의 출력되는 3상 전류를 이용하여 상기 각 상마다 표준화된 전류의 평균값을 계산하는 단계;
    상기 계산된 각 상마다 표준화된 전류의 평균값을 이용하여 상기 각 상의 고장 여부를 진단하는 단계;
    상기 각 상 중 적어도 하나에 고장이 발생한 경우 상기 3-레벨 T타입 인버터의 출력단에 추가적으로 음의 무효전류가 흐르도록 하는 단계;
    상기 3-레벨 T타입 인버터의 출력단에 추가적으로 음의 무효전류가 흐른 후 상기 제1직류링크 커패시터 전압과 제2직류링크 커패시터 전압 간 차이 값을 계산하는 단계; 및
    상기 고장이 발생한 상의 표준화된 전류의 평균값의 음의 값 또는 양의 값 상태와 상기 제1직류링크 커패시터 전압과 제2직류링크 커패시터 전압 간 차이 값을 이용하여 상기 고장이 발생한 상 내의 고장 스위치를 판별하는 단계를 포함하는 3-레벨 T타입 인버터의 스위치 고장진단방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 평균값을 계산하는 단계는,
    상기 3상 전류를 정지 좌표계 전류로 변환하고 상기 정지 좌표계 전류 및 상기 3상 전류 중 각 상의 전류를 이용하여 상기 각 상마다 표준화된 전류의 평균값을 계산하는 3-레벨 T타입 인버터의 스위치 고장진단방법.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 각 상의 고장 여부를 진단하는 단계는,
    상기 각 상마다 표준화된 전류의 평균값이 '0'이 아닌 경우 고장이 발생한 것으로 진단하는 3-레벨 T타입 인버터의 스위치 고장진단방법.
  9. 청구항 6에 있어서,
    상기 3-레벨 T타입 인버터의 출력단에 추가적으로 흐르는 음의 무효전류는, 각 상의 출력전류의 크기가 정격전류의 크기보다 작거나 같도록, 소정 크기를 갖는 음의 무효전류인 것을 특징으로 하는 3-레벨 T타입 인버터의 스위치 고장진단방법.
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