KR20120018406A - 전력변환장치의 고장 진단 장치 및 그 방법 - Google Patents

전력변환장치의 고장 진단 장치 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

전력변환장치의 고장진단장치 및 그 방법이 개시된다. 본 발명의 실시예에 따른 전력변환장치의 고장진단장치는, 3상 AC 전력을 발전하는 발전기, 각각 복수 개의 반도체 스위칭 소자로 구성되는 제1 내지 n 컨버터, 제1 내지 n 인버터, 상기 제1 내지 n 컨버터와 제1 내지 n 인버터의 동작을 제어하는 제어부를 포함하며, 상기 제1 내지 n 컨버터는 상기 제어부의 제어에 따라 상기 3상 AC 전력을 DC 전력으로 변환시키고, 상기 제1 내지 n 인버터는 각각 상기 제어부의 제어에 따라 상기 제1 내지 n 컨버터의 동작과 상보적으로 동작하여 상기 DC 전력을 고정 주파수의 3상 AC 전력으로 변환하는, 전력 변환장치; 와 상기 제1 내지 n 컨버터 및 제1 내지 n 인버터 각각에 흐르는 3상 전류를 측정하여, 상기 제1 내지 n 컨버터 및 제1 내지 n 인버터를 구성하는 반도체 스위칭 소자들의 고장을 진단하고, 고장이 발생한 경우 상기 발전기에서 발전 되는 3상 AC 전력 크기를 정상상태보다 낮춰 발생하고 상기 고장이 발생한 반도체 스위칭 소자가 포함된 컨버터 또는 인버터 이외의 정상상태의 컨버터들 및 인버터들을 통해 상기 낮춰진 3상 AC 전력이 고정주파수의 AC 전력으로 변환되도록 상기 전력 변환장치를 제어하는 고장 진단 제어부를 포함한다.

Description

전력변환장치의 고장 진단 장치 및 그 방법{FAULT DETECTION APPARATUS AND METHOD OF POWER CONVERSION APPARATUS}
본 발명은 전력변환장치의 고장 진단 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 전력변환장치의 3상 전류 측정을 통해 간단히 컨버터 및 인버터를 구성하는 반도체 스위칭 소자의 고장을 진단하고 판별하고 고장허용운전을 수행하는 기술에 관한 것이다.
최근 신재생 에너지, 전기자동차, 철도차량 등 전기/전력제어시스템이 각광받음에 따라 이의 필수 구성모듈(Module)인 전력변환장치의 개발이 활발하게 이루어지고 있다. 특히 풍력발전 시스템의 대용량화에 따라 에너지 효율을 올리고 비용절감을 위해 병렬운전 토폴로지(Topology)가 대안으로 연구되고 있다. 이러한 전력변환장치는 반도체 스위칭 소자를 이용하여 구성되고 있다.
그러나 반도체 스위칭 소자의 개방고장 및 단락고장이 종종 발생하여 풍력발전 시스템의 성능 및 안정성 문제와 경제적 손실을 발생시킨다. 따라서 반도체 스위칭 소자의 고장진단 및 고장허용운전 제어를 통해 위의 문제를 최소화하고 유지보수의 편의성 증가를 위한 기법들이 필요하게 된다.
이를 위한 고장진단기법은 모델기반 고장진단기법과 전압신호기반 고장진단기법으로 나누어진다. 모델기반 고장진단기법은 추가적인 센서가 필요하지 않은 장점이 있지만 정확한 시스템 모델이 필요하다. 모델링의 정확성에 따라 잘못된 고장진단 신호를 발생할 수 있어 복잡한 적용시스템의 적용에 한계가 있다. 한편 전압신호기반 고장진단기법은 크게 극전압, 선간전압, 상전압, 중성점전압 측정방법으로 나누어진다. 극전압과 선간전압 측정방법은 전동기 모델에 독립적이고 상전압과 중성점 전압 측정방법은 전동기모델에 의존적이고 중성점전압 측정이 가능해야 하는 특징이 있다. 이러한 네 가지 방법 모두 추가적인 전압센서가 필요하여 추가적인 비용이 든다는 단점이 있다.
전력변환장치에 전압센서를 추가하지 않고 복잡한 시스템의 수학적 모델링 필요없이 간단한 전류측정을 통한 반도체 스위칭 소자의 고장진단 및 고장허용운전제어를 수행하는 전력변환장치의 고장진단장치 및 그 방법이 제안된다.
본 발명의 일 양상에 따른 전력변환장치의 고장진단장치는, 3상 AC 전력을 발전하는 발전기, 각각 복수 개의 반도체 스위칭 소자로 구성되는 제1 내지 n 컨버터, 제1 내지 n 인버터, 상기 제1 내지 n 컨버터와 제1 내지 n 인버터의 동작을 제어하는 제어부를 포함하며, 상기 제1 내지 n 컨버터는 상기 제어부의 제어에 따라 상기 3상 AC 전력을 DC 전력으로 변환시키고, 상기 제1 내지 n 인버터는 각각 상기 제어부의 제어에 따라 상기 제1 내지 n 컨버터의 동작과 상보적으로 동작하여 상기 DC 전력을 고정 주파수의 3상 AC 전력으로 변환하는, 전력 변환장치; 와 상기 제1 내지 n 컨버터 및 제1 내지 n 인버터 각각에 흐르는 3상 전류를 측정하여, 상기 제1 내지 n 컨버터 및 제1 내지 n 인버터를 구성하는 반도체 스위칭 소자들의 고장을 진단하고, 고장이 발생한 경우 상기 발전기에서 발전 되는 3상 AC 전력 크기를 정상상태보다 낮춰 발생하고 상기 고장이 발생한 반도체 스위칭 소자가 포함된 컨버터 또는 인버터 이외의 정상상태의 컨버터들 및 인버터들을 통해 상기 낮춰진 3상 AC 전력이 고정주파수의 AC 전력으로 변환되도록 상기 전력 변환장치를 제어하는 고장 진단 제어부를 포함한다.
상기 고장 진단 제어부는, 상기 제1 내지 n 컨버터 및 제1 내지 n 인버터 각각에 흐르는 3상 전류마다 정지 좌표계(Stationary Reference Frame)로 변환을 통해 2차원 전류로 변환하여 상기 정지 좌표계 상에서 전류벡터로 표현하는 좌표 변환부; 상기 제1 내지 n 컨버터 및 제1 내지 n 인버터 각각에 흐르는 3상 전류에 상응하여 정지 좌표계에 표현된 전류벡터의 넓이변화 및 각도변화를 구하는 전류벡터 특성 추출부; 상기 구해진 전류벡터의 넓이변화들을 이용하여 상기 제1 내지 n 컨버터 및 제1 내지 n 인버터를 구성하는 복수 개의 반도체 스위칭 소자의 고장을 진단하고, 진단결과 고장이 발생한 컨버터 또는 인버터를 구성하는 복수 개의 반도체 스위칭 소자 중 고장을 발생시킨 반도체 스위칭 소자의 위치를, 상기 고장이 발생한 컨버터 또는 인버터 각각에 흐르는 3상 전류에 상응하는 전류벡터의 각도변화를 이용하여 파악하는 고장 진단부; 및 상기 진단결과 고장이 발생한 경우 상기 발전기의 3상 AC 전력을 정상상태의 경우보다 낮춰 발생하고 고장이 발생한 컨버터 또는 인버터를 구성하는 복수 개의 반도체 스위칭 소자를 스위칭 오프 시키고, 고장이 발생하지 않은 정상상태의 컨버터들 및 인버터들을 구성하는 복수 개의 반도체 스위칭 소자를 스위칭 온 시키도록 상기 제어부를 제어하여 상기 낮춰진 3상 AC 전력이 고정주파수의 AC 전력으로 변환되도록 하는, 고장 허용 제어부를 포함할 수 있다.
상기 좌표 변환부는, 상기 제1 내지 n 컨버터 및 제1 내지 n 인버터 각각에 흐르는 3상 전류마다 아래의 수학식을 이용하여 2차원 전류로 변환할 수 있다.
[수 학 식]
Figure pat00001
이때,
Figure pat00002
,
Figure pat00003
는, 가로축에 무효분(
Figure pat00004
)의 전류가 배열되고 세로축에 유효분(
Figure pat00005
)의 전류가 배열되는 정지 좌표계에서, 3상 전류에 대한 각각 무효분의 전류 값, 유효분의 전류 값을 나타내고,
Figure pat00006
,
Figure pat00007
,
Figure pat00008
는 3상 전류를 나타낸다.
상기 전류벡터 특성 추출부는, 아래의 수학식을 이용하여 상기 구해진 전류벡터의 넓이변화를 구할 수 있다.
[수 학 식]
Figure pat00009
,
이때,
Figure pat00010
는 상기 구해진 전류벡터의 넓이 변화를 나타내고,
Figure pat00011
는 정상상태에서의 상기 전류벡터의 넓이를 나타내고,
Figure pat00012
는 고장상태에서의 상기 전류벡터의 넓이를 나타낸다.
상기 전류벡터 특성 추출부는, 아래의 수학식을 이용하여 상기 구해진 전류벡터의 각도변화를 구할 수 있다.
[수 학 식]
Figure pat00013
이때,
Figure pat00014
는 상기 구해진 전류벡터의 각도 변화를 나타내며,
Figure pat00015
은 정지 좌표계에서 상기 전류벡터의 가로축 무게중심을 나타내고,
Figure pat00016
은 정지좌표계에서 상기 전류벡터의 세로축 무게중심을 나타낸다.
상기 고장 진단부는, 상기 구해진 전류벡터의 넓이변화가 양수인 경우에 상기 제1 내지 n 컨버터 및 제1 내지 n 인버터를 구성하는 복수 개의 반도체 스위칭 소자에 고장이 발생한 것으로 진단하고, 상기 구해진 전류벡터의 넓이변화가 없거나 음수인 경우에 상기 제1 내지 n 컨버터 및 제1 내지 n 인버터를 구성하는 복수 개의 반도체 스위칭 소자에 고장이 발생하지 않은 것으로 진단할 수 있다.
상기 낮춰진 3상 AC 전력 크기는 정상상태에서 3상 AC 전력의 2/3 크기일 수 있다.
상기 전류벡터가 원의 모양을 갖는 경우 상기 제1 내지 n 컨버터 및 제1 내지 n 인버터를 구성하는 복수 개의 반도체 스위칭 소자에 고장이 없는 것을 나타내고, 상기 전류벡터가 반원 모양을 갖는 경우 상기 제1 내지 n 컨버터 및 제1 내지 n 인버터를 구성하는 복수 개의 반도체 스위칭 소자에 고장이 발생한 것을 나타낼 수 있다.
상기 전류벡터가 반원모양을 갖는 경우 고장이 발생한 제1 내지 n 컨버터 및 제1 내지 n 인버터를 구성하는 복수 개의 반도체 스위칭 소자의 위치는, 상기 구해진 전류벡터의 각도변화에 의해 결정될 수 있다.
본 발명의 다른 양상에 따른 전력변환장치의 고장진단방법은, 제1 내지 n 컨버터 및 제1 내지 n 인버터 각각에 흐르는 3상 전류를 측정하여, 상기 제1 내지 n 컨버터 및 제1 내지 n 인버터를 구성하는 반도체 스위칭 소자들의 고장을 진단하는 단계; 와 고장이 발생한 경우 상기 발전기에서 발전 되는 3상 AC 전력 크기를 정상상태보다 낮춰 발생하고 상기 고장이 발생한 반도체 스위칭 소자가 포함된 컨버터 또는 인버터 이외의 정상상태의 컨버터들 및 인버터들을 통해 상기 낮춰진 3상 AC 전력이 고정주파수의 AC 전력으로 변환되도록 상기 전력 변환장치를 제어하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 전력변환장치의 고장진단장치 및 그 방법에 따르면, 전력변환장치의 3상 전류 측정을 통해 간단히 컨버터 및 인버터를 구성하는 반도체 스위칭 소자의 고장을 진단하고 판별하고 고장허용운전을 수행함으로써, 전력변환장치에 전압센서를 추가하지 않으며 복잡한 시스템의 수학적 모델링 필요없이 반도체 스위칭 소자의 고장진단 및 고장허용운전제어를 수행할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전력변환장치의 고장진단장치에 대한 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전류벡터를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전류벡터의 각도변화를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전력변환장치의 고장진단방법에 대한 플로차트이다.
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 전력변환장치의 고장진단장치에 대한 구성을 나타낸 도면이다.
도시된 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 전력변환장치의 고장진단장치는, 전력변환장치(9)와 고장진단 제어부(14)를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 전력변환장치(9)는 풍력발전시스템에 적용될 수 있으며, 블레이드(1)의 회전으로부터 가변 주파수의 3상 AC 전력을 발생시키는 발전기(2), 발전기(2)에서 발전된 3상 AC 전력을 n 개의 입력 3상 리액턴스(3), 발생된 3상 AC 전력을 DC 전력으로 변환시키는 제1 내지 n 컨버터(4), DC로 변환된 전력을 고정주파수의 3상 AC 전력으로 변환하는 제1 내지 n 인버터(5), 고정주파수의 3상 AC 전력을 계통(8)으로 공급하는 n 개의 3상 출력 리액턴스(7)와 트랜스포머(8) 및 제1 내지 n 컨버터(4)와 제1 내지 n 인버터(5)의 사이에는 제1 내지 n 컨버터(4)를 통해 변환된 DC전력을 저장 및 전달하면서 고조파를 제거하는 필터 역할을 수행하는 커패시터(6)를 포함한다. 이때, 제1 내지 n 컨버터(4) 및 제1 내지 n 인버터(5)는 복수 개의 반도체 스위칭 소자로 구성될 수 있다. 도 1에는 설명의 편의상 컨버터(4) 및 인버터(5)를 각각 3개만 표시하였다.
나아가, 전력변환장치(9)는 제1 내지 n 컨버터(4) 및 제1 내지 n 인버터(5)의 동작을 제어하는 제어부(미도시)를 더 포함한다. 즉, 제1 내지 n 컨버터(4)는 제어부의 제어에 따라 3상 AC 전력을 DC 전력으로 변환시키고, 제1 내지 n 인버터(5)는 제어부의 제어에 따라 제1 내지 n 컨버터(4)의 동작과 상보적으로 동작하여 DC 전력을 고정 주파수의 3상 AC 전력으로 변환한다. 컨버터(4)는 6개의 반도체 스위칭 소자(a, b, c, d, e, f)를 이용하여 구성되며, 인버터(5)는 6개의 반도체 스위칭 소자(g, h, i, j, k, l)를 이용하여 구성된다. 이때, 반도체 스위칭 소자(a)는 반도체 스위칭 소자(g)와, 제어부의 제어에 따라 각각 반도체 스위칭 소자(b)는 반도체 스위칭 소자(h)와, 반도체 스위칭 소자(c)는 반도체 스위칭 소자(i)와, 반도체 스위칭 소자(d)는 반도체 스위칭 소자(j)와, 반도체 스위칭 소자(e)는 반도체 스위칭 소자(k와, 반도체 스위칭 소자(f)는 반도체 스위칭 소자(l)와 상보적으로 동작할 수 있다.
이제 본 발명의 실시예에 따른 고장 진단 제어부(14)는 좌표 변환부(10), 전류벡터 특성 추출부(11), 고장 진단부(12) 및 고장허용 제어부(13)를 포함한다.
좌표 변환부(10)는 제1 내지 n 컨버터(4) 및 제1 내지 n 인버터(5) 각각에 흐르는 3상 전류마다 정지 좌표계(Stationary Reference Frame)로 변환을 통해 2차원 전류로 변환하여 정지 좌표계 상에서 전류벡터로 표현한다. 이때, 좌표 변환부(10)는, 제1 내지 n 컨버터(4) 및 제1 내지 n 인버터(5) 각각에 흐르는 3상 전류마다 아래의 수학식 1을 이용하여 2차원 전류로 변환할 수 있다. 제1 내지 n 컨버터(4)에 흐르는 3상 전류는 n 개의 3상 입력 리액턴스(3)에 흐르는 전류일 수 있고, 제1 내지 n 인버터(5)에 흐르는 3상 전류는 n개의 3상 출력 리액턴스(7)에 흐르는 전류일 수 있다.
Figure pat00017
이때,
Figure pat00018
,
Figure pat00019
는, 가로축에 무효분(
Figure pat00020
)의 전류가 배열되고 세로축에 유효분(
Figure pat00021
)의 전류가 배열되는 정지 좌표계에서, 3상 전류에 대한 각각 무효분의 전류 값, 유효분의 전류 값을 나타내고,
Figure pat00022
,
Figure pat00023
,
Figure pat00024
는 3상 전류를 나타낸다.
그리고 정지좌표계로 변환된 2차원 전류는 도 2에 도시된 바와 같이 표현될 수 있다. 도 2의 (a)는 정지좌표계로 변환된 2차원 전류의 정상운전 상태 및 고장상태에서의 전류벡터를 나타낸다. 전류벡터는 정상상태의 경우 원의 모양을 가지며 고장상태의 경우 반원의 모양을 가진다. 고장상태는 하나의 반도체 스위칭 소자의 개방고장이 발생한 경우에 발생할 수 있다. 이와 같이 하나의 반도체 스위칭 소자의 개방고장이 발생한 경우 전류벡터가 반원의 모양을 갖는 이유는, 그 상의 전류가 양 또는 음의 값만 갖기 때문이다. 한편 고장이 발생한 반도체 스위칭 소자의 위치에 따라 전류벡터는 일정한 각을 가지며 도 2의 (b)와 같이 정의될 수 있다. 이러한 고장이 발생한 반도체 스위칭 소자의 위치에 따른 전류벡터의 각도를 나타낸 도면이 도 3에 도시되어 있다. 도 3에서 도시된 T1 fault, T2 fault,....등은 각각 도 1의 컨버터(4) 내 반도체 스위칭 소자(a, b, c, d, e, f)에 고장이 났음을 나타낼 수 있다.
상기한 바와 같이 전류벡터의 패턴은 정상상태에서는 원의 모양, 고장상태에서는 반원의 모양이 되고 고장이 발생한 반도체 스위칭 소자의 위치에 따라 반원의 각도가 변화함을 알 수 있다.
이러한 고장진단 및 판별을 위해 두 개의 정보, 전류벡터의 넓이 변화와 각도변화가 이용될 수 있다. 이를 구하기 위해서 전류벡터 특성 추출부(11)는 제1 내지 n 컨버터(4) 및 제1 내지 n 인버터(5) 각각에 흐르는 3상 전류에 상응하여 정지 좌표계에 표현된 전류벡터의 넓이변화 및 각도변화를 구한다. 이때, 전류벡터 특성 추출부(11)는 아래의 수학식 2를 이용하여 구해진 전류벡터의 넓이변화를 구할 수 있다.
Figure pat00025
이때,
Figure pat00026
는 상기 구해진 전류벡터의 넓이 변화를 나타내고,
Figure pat00027
는 정상상태에서의 상기 전류벡터의 넓이를 나타내고,
Figure pat00028
는 고장상태에서의 상기 전류벡터의 넓이를 나타낸다.
한편, 전류벡터 특성 추출부(11)는, 아래의 수학식 3을 이용하여 구해진 전류벡터의 각도변화를 구할 수 있다.
Figure pat00029
이때,
Figure pat00030
는 상기 구해진 전류벡터의 각도 변화를 나타내며,
Figure pat00031
은 정지 좌표계에서 상기 전류벡터의 가로축 무게중심을 나타내고,
Figure pat00032
은 정지좌표계에서 상기 전류벡터의 세로축 무게중심을 나타낸다.
고장 진단부(12)는 전류벡터 특성 추출부(11)에서 구해진 전류벡터의 넓이변화들을 이용하여 제1 내지 n 컨버터(4) 및 제1 내지 n 인버터(5)를 구성하는 복수 개의 반도체 스위칭 소자의 고장을 진단하고, 진단결과 고장이 발생한 컨버터 또는 인버터를 구성하는 복수 개의 반도체 스위칭 소자 중 고장을 발생시킨 반도체 스위칭 소자의 위치를, 고장이 발생한 컨버터 또는 인버터 각각에 흐르는 3상 전류에 상응하는 전류벡터의 각도변화를 이용하여 파악한다. 이때, 고장 진단부(12)는 구해진 전류벡터의 넓이변화가 양수인 경우에 제1 내지 n 컨버터(4) 및 제1 내지 n 인버터(5)를 구성하는 복수 개의 반도체 스위칭 소자에 고장이 발생한 것으로 진단하고, 구해진 전류벡터의 넓이변화가 없거나 음수인 경우에 제1 내지 n 컨버터(4) 및 제1 내지 n 인버터(5)를 구성하는 복수 개의 반도체 스위칭 소자에 고장이 발생하지 않은 것으로 진단할 수 있다. 이는 고장상태에서의 전류벡터의 크기는 정상상태에서의 전류벡터의 크기보다 작기 때문이다. 한편, 고장 진단부(12)는 아래의 표 1의 반도체 스위칭 소자 고장 테이블 및 파악된 전류벡터의 각도변화를 이용하여 고장이 발생한 컨버터 또는 인버터를 구성하는 복수 개의 반도체 스위칭 소자들 중 고장이 발생한 반도체 스위칭 소자를 파악할 수 있게 된다.
Figure pat00033
고장발생 상태에서 운전이 지속 되면 시스템 전체의 성능과 신뢰성이 저하되고 정상적인 반도체 스위칭 소자 및 다른 구성품에 전기적, 기계적 스트레스를 주어 2차적인 고장을 발생시킨다. 고장 발생시 고장진단과 동시에 고장허용제어운전을 통해 유지보수 시간 동안 시스템에 미치는 악영향과 경제적 손상을 최소화하기 위해 고장허용운전제어를 수행한다. 이는 고장허용 제어부(13)에서 수행된다.
고장 허용 제어부(13)는 진단결과 고장이 발생한 경우 발전기(2)의 3상 AC 전력을 정상상태의 경우보다 낮춰 발생하고 고장이 발생한 컨버터 또는 인버터를 구성하는 복수 개의 반도체 스위칭 소자를 스위칭 오프 시키고, 고장이 발생하지 않은 정상상태의 컨버터들 및 인버터들을 구성하는 복수 개의 반도체 스위칭 소자를 스위칭 온 시키도록 제어부를 제어하여 낮춰진 3상 AC 전력이 고정주파수의 AC 전력으로 변환되도록 한다.
이때, 낮춰진 3상 AC 전력의 크기는 정상상태에서 3상 AC 전력의 2/3 크기일 수 있다. 이렇게 발전전력을 감소시키는 이유는 반도체 스위칭 소자가 정격전압 및 전류에서 운전하고 있는 경우, 도 1에 도시된 바와 같이 3병렬 운전에서 고장이 발생한 반도체 스위칭 소자를 포함한 컨버터 또는 인버터를 제외한 나머지 2개의 컨버터 및 2개의 인버터를 이용하여 2병렬 운전을 하게 되면 정격이상의 전류가 흐르기 때문이다. 이에 따라 발전효율의 감소가 발생하지만 다른 반도체 스위칭 소자나 발전기에서 2차 고장을 예방하고 유지보수시간 동안 안정적인 운전을 할 수 있기 때문이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전력변환장치의 고장 진단 방법에 대한 플로차트이다.
도 4에 도시된 전력변환장치의 고장 진단 방법은 도 1에 도시된 고장 진단 제어부에 의해서 수행될 수 있다.
이러한 고장 진단이 수행되는 전력변환장치는 도 1에 도시된 바와 같은 구성을 가질 수 있다.
고장 진단 제어부는 제1 내지 n 컨버터 및 제1 내지 n 인버터 각각에 흐르는 3상 전류를 측정하여, 상기 제1 내지 n 컨버터 및 제1 내지 n 인버터를 구성하는 반도체 스위칭 소자들의 고장을 진단한다(S1). 즉, 고장 진단 제어부는, 제1 내지 n 컨버터 및 제1 내지 n 컨버터 각각에 흐르는 3상 전류마다 정지 좌표계(Stationary Reference Frame)로 변환을 통해 2차원 전류로 변환하여 상기 정지 좌표계 상에서 전류벡터로 표현한다. 이후, 제1 내지 n 컨버터 및 제1 내지 n 컨버터 각각에 흐르는 3상 전류에 상응하여 정지 좌표계에 표현된 전류벡터의 넓이변화 및 각도변화를 구하고, 구해진 전류벡터의 넓이변화들을 이용하여 상기 제1 내지 n 컨버터 및 제1 내지 n 인버터를 구성하는 복수 개의 반도체 스위칭 소자의 고장을 진단한다. 고장 진단 제어부는, 진단결과 고장이 발생한 컨버터 또는 인버터를 구성하는 복수 개의 반도체 스위칭 소자 중 고장을 발생시킨 반도체 스위칭 소자의 위치를, 상기 고장이 발생한 컨버터 또는 인버터 각각에 흐르는 3상 전류에 상응하는 전류벡터의 각도변화를 이용하여 파악할 수 있다.
고장 진단 제어부는 고장이 발생한 경우 상기 발전기에서 발전 되는 3상 AC 전력 크기를 정상상태보다 낮춰 발생하고 상기 고장이 발생한 반도체 스위칭 소자가 포함된 컨버터 또는 인버터 이외의 정상상태의 컨버터들 및 인버터들을 통해 상기 낮춰진 3상 AC 전력이 고정주파수의 AC 전력으로 변환되도록 상기 전력 변환장치를 제어한다(S2). 즉, 고장 진단 제어부는, 진단결과 고장이 발생한 경우 상기 발전기의 3상 AC 전력을 정상상태의 경우보다 낮춰 발생하고, 고장이 발생한 컨버터 또는 인버터를 구성하는 복수 개의 반도체 스위칭 소자를 스위칭 오프 시키고, 고장이 발생하지 않은 정상상태의 컨버터들 및 인버터들을 구성하는 복수 개의 반도체 스위칭 소자를 스위칭 온 시키도록 제어부를 제어하여 상기 낮춰진 3상 AC 전력이 고정주파수의 AC 전력으로 변환되도록 할 수 있다.
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 (19)

  1. 3상 AC 전력을 발전하는 발전기, 각각 복수 개의 반도체 스위칭 소자로 구성되는 제1 내지 n 컨버터, 제1 내지 n 인버터, 상기 제1 내지 n 컨버터와 제1 내지 n 인버터의 동작을 제어하는 제어부를 포함하며, 상기 제1 내지 n 컨버터는 상기 제어부의 제어에 따라 상기 3상 AC 전력을 DC 전력으로 변환시키고, 상기 제1 내지 n 인버터는 각각 상기 제어부의 제어에 따라 상기 제1 내지 n 컨버터의 동작과 상보적으로 동작하여 상기 DC 전력을 고정 주파수의 3상 AC 전력으로 변환하는, 전력 변환장치; 와
    상기 제1 내지 n 컨버터 및 제1 내지 n 인버터 각각에 흐르는 3상 전류를 측정하여, 상기 제1 내지 n 컨버터 및 제1 내지 n 인버터를 구성하는 반도체 스위칭 소자들의 고장을 진단하고, 고장이 발생한 경우 상기 발전기에서 발전 되는 3상 AC 전력 크기를 정상상태보다 낮춰 발생하고 상기 고장이 발생한 반도체 스위칭 소자가 포함된 컨버터 또는 인버터 이외의 정상상태의 컨버터들 및 인버터들을 통해 상기 낮춰진 3상 AC 전력이 고정주파수의 AC 전력으로 변환되도록 상기 전력 변환장치를 제어하는 고장 진단 제어부를 포함하는, 전력변환장치의 고장 진단 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 고장 진단 제어부는,
    상기 제1 내지 n 컨버터 및 제1 내지 n 인버터 각각에 흐르는 3상 전류마다 정지 좌표계(Stationary Reference Frame)로 변환을 통해 2차원 전류로 변환하여 상기 정지 좌표계 상에서 전류벡터로 표현하는 좌표 변환부;
    상기 제1 내지 n 컨버터 및 제1 내지 n 인버터 각각에 흐르는 3상 전류에 상응하여 정지 좌표계에 표현된 전류벡터의 넓이변화 및 각도변화를 구하는 전류벡터 특성 추출부;
    상기 구해진 전류벡터의 넓이변화들을 이용하여 상기 제1 내지 n 컨버터 및 제1 내지 n 인버터를 구성하는 복수 개의 반도체 스위칭 소자의 고장을 진단하고, 진단결과 고장이 발생한 컨버터 또는 인버터를 구성하는 복수 개의 반도체 스위칭 소자 중 고장을 발생시킨 반도체 스위칭 소자의 위치를, 상기 고장이 발생한 컨버터 또는 인버터 각각에 흐르는 3상 전류에 상응하는 전류벡터의 각도변화를 이용하여 파악하는 고장 진단부; 및
    상기 진단결과 고장이 발생한 경우 상기 발전기의 3상 AC 전력을 정상상태의 경우보다 낮춰 발생하고 고장이 발생한 컨버터 또는 인버터를 구성하는 복수 개의 반도체 스위칭 소자를 스위칭 오프 시키고, 고장이 발생하지 않은 정상상태의 컨버터들 및 인버터들을 구성하는 복수 개의 반도체 스위칭 소자를 스위칭 온 시키도록 상기 제어부를 제어하여 상기 낮춰진 3상 AC 전력이 고정주파수의 AC 전력으로 변환되도록 하는, 고장 허용 제어부를 포함하는, 전력변환장치의 고장 진단 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 좌표 변환부는,
    상기 제1 내지 n 컨버터 및 제1 내지 n 인버터 각각에 흐르는 3상 전류마다 아래의 수학식을 이용하여 2차원 전류로 변환하는, 전력변환장치의 고장 진단 장치.
    [수 학 식]
    Figure pat00034

    이때,
    Figure pat00035
    ,
    Figure pat00036
    는, 가로축에 무효분(
    Figure pat00037
    )의 전류가 배열되고 세로축에 유효분(
    Figure pat00038
    )의 전류가 배열되는 정지 좌표계에서, 3상 전류에 대한 각각 무효분의 전류 값, 유효분의 전류 값을 나타내고,
    Figure pat00039
    ,
    Figure pat00040
    ,
    Figure pat00041
    는 3상 전류를 나타낸다.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 전류벡터 특성 추출부는,
    아래의 수학식을 이용하여 상기 구해진 전류벡터의 넓이변화를 구하는, 전력변환장치의 고장 진단 장치.
    [수 학 식]
    Figure pat00042
    ,
    이때,
    Figure pat00043
    는 상기 구해진 전류벡터의 넓이 변화를 나타내고,
    Figure pat00044
    는 정상상태에서의 상기 전류벡터의 넓이를 나타내고,
    Figure pat00045
    는 고장상태에서의 상기 전류벡터의 넓이를 나타낸다.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 전류벡터 특성 추출부는,
    아래의 수학식을 이용하여 상기 구해진 전류벡터의 각도변화를 구하는, 전력변환장치의 고장진단장치.
    [수 학 식]
    Figure pat00046

    이때,
    Figure pat00047
    는 상기 구해진 전류벡터의 각도 변화를 나타내며,
    Figure pat00048
    은 정지 좌표계에서 상기 전류벡터의 가로축 무게중심을 나타내고,
    Figure pat00049
    은 정지좌표계에서 상기 전류벡터의 세로축 무게중심을 나타낸다.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 고장 진단부는,
    상기 구해진 전류벡터의 넓이변화가 양수인 경우에 상기 제1 내지 n 컨버터 및 제1 내지 n 인버터를 구성하는 복수 개의 반도체 스위칭 소자에 고장이 발생한 것으로 진단하고, 상기 구해진 전류벡터의 넓이변화가 없거나 음수인 경우에 상기 제1 내지 n 컨버터 및 제1 내지 n 인버터를 구성하는 복수 개의 반도체 스위칭 소자에 고장이 발생하지 않은 것으로 진단하는, 전력변환장치의 고장진단장치.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 낮춰진 3상 AC 전력 크기는 정상상태에서 3상 AC 전력의 2/3 크기를 갖는, 전력변환장치의 고장진단장치.
  8. 제 2 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전류벡터가 원의 모양을 갖는 경우 상기 제1 내지 n 컨버터 및 제1 내지 n 인버터를 구성하는 복수 개의 반도체 스위칭 소자에 고장이 없는 것을 나타내고, 상기 전류벡터가 반원 모양을 갖는 경우 상기 제1 내지 n 컨버터 및 제1 내지 n 인버터를 구성하는 복수 개의 반도체 스위칭 소자에 고장이 발생한 것을 나타내는, 전력변환장치의 고장진단장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 전류벡터가 반원모양을 갖는 경우 고장이 발생한 제1 내지 n 컨버터 및 제1 내지 n 인버터를 구성하는 복수 개의 반도체 스위칭 소자의 위치는, 상기 구해진 전류벡터의 각도변화에 의해 결정되는, 전력변환장치의 고장진단장치.
  10. 3상 AC 전력을 발전하는 발전기, 각각 복수 개의 반도체 스위칭 소자로 구성되는 제1 내지 n 컨버터, 제1 내지 n 인버터, 상기 제1 내지 n 컨버터와 제1 내지 n 인버터의 동작을 제어하는 제어부를 포함하며, 상기 제1 내지 n 컨버터는 상기 제어부의 제어에 따라 상기 3상 AC 전력을 DC 전력으로 변환시키고, 상기 제1 내지 n 인버터는 각각 상기 제어부의 제어에 따라 상기 제1 내지 n 컨버터의 동작과 상보적으로 동작하여 상기 DC 전력을 고정 주파수의 3상 AC 전력으로 변환하는, 전력 변환장치의 고장 진단 방법에 있어서,
    상기 제1 내지 n 컨버터 및 제1 내지 n 인버터 각각에 흐르는 3상 전류를 측정하여, 상기 제1 내지 n 컨버터 및 제1 내지 n 인버터를 구성하는 반도체 스위칭 소자들의 고장을 진단하는 단계; 와
    고장이 발생한 경우 상기 발전기에서 발전 되는 3상 AC 전력 크기를 정상상태보다 낮춰 발생하고 상기 고장이 발생한 반도체 스위칭 소자가 포함된 컨버터 또는 인버터 이외의 정상상태의 컨버터들 및 인버터들을 통해 상기 낮춰진 3상 AC 전력이 고정주파수의 AC 전력으로 변환되도록 상기 전력 변환장치를 제어하는 단계를 포함하는, 전력변환장치의 고장 진단 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제1 내지 n 컨버터 및 제1 내지 n 인버터 각각에 흐르는 3상 전류를 측정하여, 상기 제1 내지 n 컨버터 및 제1 내지 n 인버터를 구성하는 반도체 스위칭 소자들의 고장을 진단하는 단계는,
    상기 제1 내지 n 컨버터 및 제1 내지 n 컨버터 각각에 흐르는 3상 전류마다 정지 좌표계(Stationary Reference Frame)로 변환을 통해 2차원 전류로 변환하여 상기 정지 좌표계 상에서 전류벡터로 표현하는 단계;
    상기 제1 내지 n 컨버터 및 제1 내지 n 컨버터 각각에 흐르는 3상 전류에 상응하여 정지 좌표계에 표현된 전류벡터의 넓이변화 및 각도변화를 구하는 단계;
    상기 구해진 전류벡터의 넓이변화들을 이용하여 상기 제1 내지 n 컨버터 및 제1 내지 n 인버터를 구성하는 복수 개의 반도체 스위칭 소자의 고장을 진단하는 단계; 및
    상기 진단결과 고장이 발생한 컨버터 또는 인버터를 구성하는 복수 개의 반도체 스위칭 소자 중 고장을 발생시킨 반도체 스위칭 소자의 위치를, 상기 고장이 발생한 컨버터 또는 인버터 각각에 흐르는 3상 전류에 상응하는 전류벡터의 각도변화를 이용하여 파악하는 단계를 포함하는, 전력변환장치의 고장 진단 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 고장이 발생한 경우 상기 발전기에서 발전 되는 3상 AC 전력 크기를 정상상태보다 낮춰 발생하고 상기 고장이 발생한 반도체 스위칭 소자가 포함된 컨버터 또는 인버터 이외의 정상상태의 컨버터들 및 인버터들을 통해 상기 낮춰진 3상 AC 전력이 고정주파수의 AC 전력으로 변환되도록 상기 전력 변환장치를 제어하는 단계는,
    상기 진단결과 고장이 발생한 경우 상기 발전기의 3상 AC 전력을 정상상태의 경우보다 낮춰 발생하는 단계; 와
    상기 고장이 발생한 컨버터 또는 인버터를 구성하는 복수 개의 반도체 스위칭 소자를 스위칭 오프 시키고, 고장이 발생하지 않은 정상상태의 컨버터들 및 인버터들을 구성하는 복수 개의 반도체 스위칭 소자를 스위칭 온 시키도록 상기 제어부를 제어하여 상기 낮춰진 3상 AC 전력이 고정주파수의 AC 전력으로 변환되도록 하는 단계를 포함하는, 전력변환장치의 고장 진단 방법.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 제1 내지 n 컨버터 및 제1 내지 n 컨버터 각각에 흐르는 3상 전류마다 정지 좌표계(Stationary Reference Frame)로 변환을 통해 2차원 전류로 변환하여 상기 정지 좌표계 상에서 전류벡터로 표현하는 단계는,
    상기 제1 내지 n 컨버터 및 제1 내지 n 컨버터 각각에 흐르는 3상 전류마다 아래의 수학식을 이용하여 2차원 전류로 변환하는, 전력변환장치의 고장 진단 방법.
    [수 학 식]
    Figure pat00050

    이때,
    Figure pat00051
    ,
    Figure pat00052
    는, 가로축에 무효분(
    Figure pat00053
    )의 전류가 배열되고 세로축에 유효분(
    Figure pat00054
    )의 전류가 배열되는 정지 좌표계에서, 3상 전류에 대한 각각 무효분의 전류 값, 유효분의 전류 값을 나타내고,
    Figure pat00055
    ,
    Figure pat00056
    ,
    Figure pat00057
    는 3상 전류를 나타낸다.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 제1 내지 n 컨버터 및 제1 내지 n 컨버터 각각에 흐르는 3상 전류에 상응하여 정지 좌표계에 표현된 전류벡터의 넓이변화 및 각도변화를 구하는 단계는,
    아래의 수학식을 이용하여 상기 구해진 전류벡터의 넓이변화를 구하는, 전력변환장치의 고장 진단 방법.
    [수 학 식]
    Figure pat00058
    ,
    이때,
    Figure pat00059
    는 상기 구해진 전류벡터의 넓이 변화를 나타내고,
    Figure pat00060
    는 정상상태에서의 상기 전류벡터의 넓이를 나타내고,
    Figure pat00061
    는 고장상태에서의 상기 전류벡터의 넓이를 나타낸다.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 제1 내지 n 컨버터 및 제1 내지 n 컨버터 각각에 흐르는 3상 전류에 상응하여 정지 좌표계에 표현된 전류벡터의 넓이변화 및 각도변화를 구하는 단계는,
    아래의 수학식을 이용하여 상기 구해진 전류벡터의 각도변화를 구하는, 전력변환장치의 고장 진단 방법.
    [수 학 식]
    Figure pat00062

    내고,
    Figure pat00063
    는 상기 구해진 전류벡터의 각도 변화를 나타내며,
    Figure pat00064
    은 정지 좌표계에서 상기 전류벡터의 가로축 무게중심을 나타내고,
    Figure pat00065
    은 정지좌표계에서 상기 전류벡터의 세로축 무게중심을 나타낸다.
  16. 제 11 항에 있어서,
    상기 구해진 전류벡터의 넓이변화들을 이용하여 상기 제1 내지 n 컨버터 및 제1 내지 n 인버터를 구성하는 복수 개의 반도체 스위칭 소자의 고장을 진단하는 단계는,
    상기 구해진 전류벡터의 넓이변화가 양수인 경우에 상기 제1 내지 n 컨버터 및 제1 내지 n 인버터를 구성하는 복수 개의 반도체 스위칭 소자에 고장이 발생한 것으로 진단하고, 상기 구해진 전류벡터의 넓이변화가 없거나 음수인 경우에 상기 제1 내지 n 컨버터 및 제1 내지 n 인버터를 구성하는 복수 개의 반도체 스위칭 소자에 고장이 발생하지 않은 것으로 진단하는, 전력변환장치의 고장 진단 방법.
  17. 제 11 항에 있어서,
    상기 낮춰진 3상 AC 전력 크기는 정상상태에서 3상 AC 전력의 2/3 크기를 갖는, 전력변환장치의 고장 진단 방법.
  18. 제 11 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전류벡터가 원의 모양을 갖는 경우 상기 제1 내지 n 컨버터 및 제1 내지 n 인버터를 구성하는 복수 개의 반도체 스위칭 소자에 고장이 없는 것을 나타내고, 상기 전류벡터가 반원 모양을 갖는 경우 상기 제1 내지 n 컨버터 및 제1 내지 n 인버터를 구성하는 복수 개의 반도체 스위칭 소자에 고장이 발생한 것을 나타내는, 전력변환장치의 고장 진단 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 전류벡터가 반원모양을 갖는 경우 고장이 발생한 제1 내지 n 컨버터 및 제1 내지 n 인버터를 구성하는 복수 개의 반도체 스위칭 소자의 위치는, 상기 구해진 전류벡터의 각도변화에 의해 결정되는, 전력변환장치의 고장 진단 방법.
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