WO2013176348A1 - 3-레벨 티타입 인버터의 스위치 고장진단장치 및 방법 - Google Patents

3-레벨 티타입 인버터의 스위치 고장진단장치 및 방법 Download PDF

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WO2013176348A1
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phase
voltage
link capacitor
level
current
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PCT/KR2012/008836
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Inventor
이교범
최의민
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아주대학교산학협력단
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    • G01R31/40—Testing power supplies
    • G01R31/42—AC power supplies

Definitions

  • the present invention relates to an inverter, and more particularly, to a technique for diagnosing a failure of a switch in a three-level T-type inverter.
  • a power converter using an semiconductor switch element that is, an inverter
  • an inverter is an essential module for controlling not only an electric / power control system but also a renewable energy generation system that is in the spotlight due to recent environmental problems.
  • the demand for a three-level inverter is increasing due to the large capacity of the power converter, low total harmonic distortion (THD), and the reduction of filter inductance, which can reduce the loss of the switch.
  • TDD total harmonic distortion
  • Model-based techniques have the advantage of not requiring additional sensors, but require accurate system modeling. Depending on the accuracy of the modeling, fault diagnosis signals can be generated, and there are limitations in applying them to complex systems.
  • Voltage signal-based techniques are divided into extreme voltage, line voltage, and phase voltage measurement methods. The method of measuring pole voltage and line voltage is independent of the motor model, and the method of measuring phase voltage is dependent on the motor model and should be capable of measuring the neutral point voltage. However, the method of measuring extreme voltage has the disadvantage that additional voltage sensor is required and additional cost is required.
  • Switch fault diagnosis of 3-level T-type inverters that diagnose switch failures by simply measuring standardized average values of current and capacitor voltages without additional voltage sensors and mathematical modeling of complex systems. An apparatus and method are proposed.
  • a first DC link capacitor connected to a first DC link and a second DC link capacitor connected to a second DC link are connected in series, and every three phases, a plurality of antiparallel diodes and switches.
  • a three-level T-type inverter connected to a neutral point that is a connection node between the first DC link and the second DC link, the first DC link capacitor, and the second DC link capacitor;
  • a voltage calculator configured to calculate a voltage difference between the voltage of the first DC link capacitor and the second DC link capacitor;
  • An average value calculator configured to calculate an average value of currents normalized for each phase by using the three-phase current output of the three-level T-type inverter;
  • a failure leg diagnosis unit for diagnosing the failure of each phase by using an average value of currents normalized for each phase calculated by the average value calculator;
  • a fault switch in the faulted phase by using a mean value of a standardized current of a faulted phase and a difference value between the voltage of the first DC link capacitor and the voltage of the
  • the average value calculator may convert the three-phase current into a stationary coordinate system current and calculate an average value of the standardized currents for each of the phases using the currents of each of the stationary coordinate system and the three-phase current.
  • the failure leg diagnosis unit may diagnose that a failure has occurred when the average value of currents normalized for each phase is not '0'.
  • the fault switching determining unit when a fault occurs as a result of the diagnosis of the fault leg diagnosis unit, the negative reactive current flows to the output terminal of the three-level T-type inverter, and further negative to the output terminal of the three-level T-type inverter Receiving a difference value between the first DC link capacitor voltage and the second DC link capacitor voltage from the voltage calculator after a reactive current flows, and a negative value or a positive value state of an average value of the standardized currents of the faulted phase; And the fault switch may be determined using a difference value between the first DC link capacitor voltage and the second DC link capacitor voltage.
  • the negative reactive current flowing additionally to the output terminal of the three-level T-type inverter may be a negative reactive current having a predetermined magnitude so that the magnitude of the output current of each phase is less than or equal to the magnitude of the rated current.
  • the first DC link capacitor connected to the first DC link and the second DC link capacitor connected to the second DC link is connected in series Per phase, a plurality of anti-parallel diodes and switches are connected in a T-type at a neutral point, which is a connection node between the first DC link and the second DC link, the first DC link capacitor and the second DC link capacitor.
  • a switch failure diagnosis method of a level T type inverter comprising: calculating an average value of standardized currents for each phase by using an output of a three phase current of the three level T type inverter; Diagnosing the failure of each phase by using an average value of currents normalized for each phase; Allowing a negative reactive current to flow in an output terminal of the three-level T-type inverter when a failure occurs in at least one of the phases; Calculating a difference value between the first DC link capacitor voltage and the second DC link capacitor voltage after a reactive current flows in an output terminal of the three-level T-type inverter; And determining the fault switch using a negative or positive state of the mean value of the normalized current of the faulty phase and a difference value between the first DC link capacitor voltage and the second DC link capacitor voltage. do.
  • the calculating of the average value may include converting the three-phase current into a stationary coordinate system current and calculating an average value of the standardized currents for each phase using the current of each phase of the stationary coordinate system current and the three-phase current.
  • the step of diagnosing the failure of each phase may diagnose that a failure has occurred when the average value of the standardized current for each phase is not '0'.
  • the average value of the current simply standardized without additional voltage sensor and mathematical modeling of complex system in the three-level T-type inverter at the time of grid connection
  • switch faults can be easily diagnosed without additional voltage sensors and mathematical modeling of complex systems in a three-level T-type inverter during grid connection.
  • FIG. 1 is a view showing the configuration of a switch failure diagnosis apparatus of a three-level T-type inverter according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 shows 27 spatial voltage vectors of a three-level T-type inverter.
  • FIG 3 is a view showing the state of the neutral point voltage according to the switching state of each phase of a three-level T-type inverter according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a change in a capacitor voltage according to a switch failure.
  • FIG. 5 is a view showing a change in the capacitor voltage according to the switch failure when the magnitude of the phase current is small.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a change in the voltage of the first DC link capacitor and the voltage of the second DC link capacitor.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating a fault diagnosis result of the S a1 switch.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating a failure diagnosis result of the S a2 switch.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating a fault diagnosis result of the S a3 switch.
  • 10 is a diagram illustrating a failure diagnosis result of the S a4 switch.
  • FIG. 1 is a view showing the configuration of a switch failure diagnosis apparatus of a three-level T-type inverter according to an embodiment of the present invention.
  • a switch failure diagnosis apparatus of a three-level T-type inverter includes a three-level T-type inverter 1, a voltage calculator 10, an average value calculator 20, And a failure leg calculation unit 30 and a failure switch determination unit 40.
  • the three-level T-type inverter 1 includes a first DC link capacitor 2 connected to the first DC link and a second DC link capacitor 3 connected to the second DC link, and includes three phases. Each phase consists of a number of anti-parallel diodes and switches. The first DC link capacitor 2 and the second DC link capacitor 3 are connected in series.
  • Phase a of the three phases is composed of antiparallel diodes (D a1 , D a2 , D a3 , D a4 ) and switches (S a1 , S a2 , S a3 , S a4 ), and the switch S a1 is connected to the first DC link.
  • an antiparallel diode D a1 is connected, and a switch S a4 and an antiparallel diode D a4 are connected to the second DC link, and a neutral point that is a connection node of the first DC link capacitor 2 and the second DC link capacitor 3.
  • the switches S a2 , S a3 and the antiparallel diodes D a2 , D a3 are connected.
  • b phase is composed of antiparallel diodes (D b1 , D b2 , D b3 , D b4 ) and switches (S b1 , S b2 , S b3 , S b4 ), and the switch S b1 is connected to the first DC link.
  • an antiparallel diode D b1 is connected and a switch S b4 and an antiparallel diode D b4 are connected to a second DC link, and between the neutral point z and a connection node of the switches S b1 and S b4 , a switch S b2.
  • S b3 is connected to the antiparallel diodes D b2 and D b3 .
  • c phase is composed of antiparallel diodes (D c1 , D c2 , D c3 , D c4 ) and switches (S c1 , S c2 , S c3 , S c4 ), and the switch S c1 is connected to the first DC link.
  • an antiparallel diode D c1 is connected and a switch S c4 and an antiparallel diode D c4 are connected to a second DC link, and between the neutral point z and a connection node of the switches S c1 and S c4 , a switch S c2.
  • S c3 and the antiparallel diodes D c2 , D c3 are connected.
  • the average value calculator 20 calculates an average value of currents normalized for each phase by using the three-phase current output from the three-level T-type inverter 1.
  • the average value calculation section 20 is a three-phase currents (i a, i b, i c) output from the formula T-type three-level inverter (1) by using a one-to-rotating coordinates ( ⁇ i, ⁇ i)
  • the current is converted into current, and the average value of the current normalized for each phase is calculated using the static coordinate system current and the output three-phase current.
  • i a , i b , i c represent the output current of phase a, the output current of phase b, and the output current of phase c, respectively, Represents the magnitude of the static coordinate system current, Denotes the current normalized for each phase. In other words Represents the normalized current of phase a, Represents the normalized current in phase b, Represents the normalized current of phase c.
  • the normalized current of each phase is normalized to 10 [A], which is only an example and is not limited thereto. Represents the average value of the current normalized for each phase.
  • the failure leg calculator 30 diagnoses the failure of each phase by using the average value of the current normalized for each phase calculated by the average value calculator 30.
  • the failure leg calculation unit 30 diagnoses that a failure occurs when the average value of the current normalized for each phase is not '0'. If no switch failure occurs, the output current waveform of each phase is a sine wave, so the average value of the output current is '0'. However, if the switch fails, the output current waveform will be distorted, so the average value of the standardized current will have a value other than '0'. That is, it is determined that a switch failure has occurred in a phase where the average value of the standardized current is not '0'.
  • the switching state cannot be changed to 'P' or 'O', so that the positive output voltage of the failed phase is distorted, and thus the failed phase Since distortion occurs in the positive output current, the average value of the normalized current in that phase is negative and the average value of the standardized current in the other phase is positive. If the average value of the normalized current of the phase in which the fault occurs has a negative value, the average value of the normalized current of the other phase is positive in order to maintain the output of the three-level T inverter in a state before failure.
  • the switching state cannot be changed to 'N' or 'O' so that the negative output voltage of the failed phase is distorted, thereby distorting the negative output current of the failed phase. This occurs so that the average value of the normalized current in that phase is positive and the average value of the standardized current in the other phase is negative. If the average value of the normalized current of the faulted phase has a positive value, the reason of the negative value of the normalized current of the other phases is to maintain the output of the three-level T inverter in a state before failure.
  • the voltage calculator 10 calculates a difference between the voltage of the first DC link capacitor 2 and the voltage of the second DC link capacitor 3.
  • the magnitude of the voltage of the first DC link capacitor 2 and the voltage of the second DC link capacitor 3 depends on the switching state of each phase switch.
  • 2 shows 27 spatial voltage vectors of the three-level T-type inverter.
  • the spatial voltage vectors may be divided into zero, small, medium, and large voltage vectors according to their magnitudes.
  • the vectors affecting the neutral (z) voltage are small voltage vectors (POO / ONN, PPO / OON, OPO / NON, OPP / NOO, OOP / NNO, POP / ONO) and intermediate voltage vectors (PON, OPN, NPO, ONP, PNO) and zero voltage vectors (PPP, NNN, OOO) and large voltage vectors (PNP, PPN, NPP, NNP, PNN) are neutral voltage fluctuations because the inverter output is not connected to the DC link neutral point (z).
  • PPP sequentially represents a switching state of a phase, a switching state of b phase, and a switching state of c phase from left to right.
  • the first P indicates that the switching state of the switches included in the a phase (leg) is P type
  • the second P indicates that the switching state of the switches included in the b phase is P type
  • the third P is c Indicates that the switching state of the switches included in the phase is P type.
  • the switching control signal for controlling the switch states of the switches included in the a phase, the switches included in the b phase, and the switches included in the c phase are not shown in FIG. Can be generated by a generator.
  • Small voltage vectors (POO / ONN, PPO / OON, OPO / NON, OPP / NOO, OOP / NNO, POP / ONO) can be divided into P type small voltage vector and N type small voltage vector according to the switching state.
  • P-type small vector vectors (POO, PPO, OPO, OPP, OOP, POP) include the P and O states in a small vector switching combination
  • N-type small voltage vectors (ONN, OON, NON, NOO, NNO, ONO) is a case including the N and O states.
  • FIG. 3 is a view showing the state of the neutral point voltage according to the switching state of each phase of a three-level T-type inverter according to an embodiment of the present invention.
  • the three-level T-type inverter of the present invention has three switching states (P, N, O) for each leg.
  • the switching state P represents a state in which the switches S x1 and S x2 are turned on and S x3 and S x4 are turned off in each phase, and the pole voltage is Vdc / 2 [V].
  • the N state represents a state in which the switches S x1 and S x2 are turned off and S x3 and S x4 are turned on, and the pole voltage is -Vdc / 2 [V].
  • the switching state O represents a state in which the switches S x2 and S x3 are turned on and S x1 and S x4 are turned off in each phase, and the pole voltage is 0 [V].
  • a small voltage vector of P type increases the neutral point voltage as shown in FIG. 3B, and a small voltage vector of N type (switches S x3 and S x4 turns on). Decreases the neutral point voltage as shown in FIG.
  • the intermediate voltage vector increases or decreases the neutral point voltage according to the current direction of the phase connected to the neutral point, as shown in FIG.
  • the failure switch determination unit 40 uses the average value of the standardized current of the phase where the failure results from the diagnosis of the failure leg diagnosis unit 30, the difference value between the voltage of the first DC link capacitor and the voltage of the second DC link capacitor. Then, the fault switch in the phase where the fault has occurred is determined. That is, the fault switching determination unit 40 causes a negative reactive current to flow through the output terminal of the three-level T-type inverter when a failure occurs as a result of the diagnosis of the failure leg diagnosis unit 30, and the output terminal of the three-level T-type inverter.
  • the difference value between the first DC link capacitor voltage and the second DC link capacitor voltage is received from the voltage calculating unit 10, and the average value of the normalized current of the phase in which the fault occurs.
  • the fault switch is determined using a negative or positive state and a difference value between the first DC link capacitor voltage and the second DC link capacitor voltage.
  • the negative reactive current flowing additionally to the output stage of the three-level T-type inverter although not shown in Figure 1 may be provided by a three-level T-type inverter current controller.
  • the output stage of the three-level T-type inverter may be a line connecting the connection node of the switches Sx1 and Sx4 and the filter or a line connecting the filter and the grid for each phase.
  • the P switching state (switches Sx1 and Sx2 are turned on) is not possible. Assuming that a fault occurs in the a-leg, the P-type small voltage vector cannot be switched between PPO, POO, and POP, and the N-type small voltage vector is possible. Therefore, the voltage of V DC1 is greater than the voltage of V DC2 .
  • V DC1 is equal to the voltage of V DC2 because all P-type small voltage vectors are possible and N-type small voltage vectors [NON], [NOO], and [NNO] are impossible. Becomes smaller.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a change in a capacitor voltage according to a switch failure.
  • (a) of FIG. 4 illustrates a change in the first DC link capacitor voltage V DC1 and the second DC link capacitor voltage V DC2 when the S x1 switch fails.
  • ) is the in the case where the first DC link capacitor voltage (V DC1) and the second shows the change of the dc link capacitor voltage (V DC2)
  • (c) is S x3 switch of Figure 4 in the case where the S x2 switch failed failed 4 illustrates a change in the one DC link capacitor voltage V DC1 and the second DC link capacitor voltage V DC2
  • FIG. 4D illustrates the first DC link capacitor voltage V DC1 when the S x4 switch fails.
  • a change in the second DC link capacitor voltage V DC2 is shown.
  • FIG. 5 shows a change in capacitor voltage according to a switch failure when the magnitude of the phase current is small.
  • (a) of FIG. 5 illustrates a change in the first DC link capacitor voltage V DC1 and the second DC link capacitor voltage V DC2 when the S x2 switch fails when the phase current is small.
  • 5B shows the change of the first DC link capacitor voltage V DC1 and the second DC link capacitor voltage V DC2 when the S x3 switch fails when the magnitude of the phase current is small.
  • the failed switch can be distinguished using the voltage of the first DC link capacitor and the voltage of the second DC link capacitor. do.
  • S X2 , S X3 6 is a view illustrating a change in the voltage of the first DC link capacitor and the voltage of the second DC link capacitor according to a switch failure.
  • the 3-level T type inverter current controller A negative reactive current can be arbitrarily generated, and when the generated negative reactive current is additionally flown to the output terminal of the 3-level T-type inverter, the magnitude of the output current increases in each phase, and FIG. 6 shows a reactive current of -10 [A]. Is the voltage of the first DC link capacitor and the voltage of the second DC link capacitor in case of additional flow to the output terminal of the 3-level T type inverter. At this time, the negative reactive current is preferably injected so that the output current of each phase does not exceed the rated current. By modifying the reference value of the 3-level T-type inverter current controller, a negative reactive current can flow through the output of the 3-level T-type inverter.
  • Switch failure diagnosis of a three-level T-type inverter using the three-phase current output from the three-level T-type inverter to obtain the average value of the standardized current of each phase, the standardized Using the average value of the current to determine the fault (leg), to ensure that the negative reactive current flows to the output stage of the three-level T-type inverter so that the output current of each phase does not exceed the rated current, and then the negative reactive current Location of the faulty switch is determined by using the average value of the voltage of the first DC link capacitor and the voltage of the second DC link capacitor and the normalized current of the faulted phase, which are changed in accordance with the additional flow to the output of the 3-level T-type inverter. do.
  • a process of determining a location of a failed switch will be described by taking a case of failure in a of FIG. 1 as an example.
  • a negative reactive current is additionally flown to the output stage of the three-level T-type inverter, and then the voltage of the first DC link capacitor and the second is the calculation of voltage difference between the direct current link capacitor and the first calculation result and the DC link capacitor voltage to the second DC link voltage is greater than the switch S is a1 of failure of the capacitor, small, S a2 switch is out of order.
  • Represents the average value of the current normalized for each phase Represents the average reference value of the normalized current of each phase, Denotes a reference value of the difference between the voltage of the first DC link capacitor and the second DC link capacitor, And In the case of, it is a state that a failure does not occur in the switch of each phase, that is, a normal state.
  • the switch failure diagnosis result of the three-level T-type inverter according to the embodiment of the present invention when a phase is broken is shown in FIGS. 7 to 10.
  • 7 is S a1
  • the fault diagnosis result of the switch is shown, and the reactive current indicates the reactive current.
  • 8 is S a2
  • the fault diagnosis result of the switch is shown
  • FIG. 9 shows S a3
  • the fault diagnosis result of the switch is shown
  • FIG. 10 shows S a4 Shows the fault diagnosis result of the switch. 7 to 10, ⁇ b Is shown in green and ⁇ c Are shown in black and ⁇ in the drawings of each (b) b And ⁇ c Are superimposed on each other.
  • the present invention can be used in the field of troubleshooting of a switch using an inverter.

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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 티타입 인버터의 스위치 고장진단장치 및 방법
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.
수학식 1
Figure PCTKR2012008836-appb-M000001
이때, ia, ib, ic는 각각 a상의 출력전류, b상의 출력전류, c상의 출력전류를 나타내며,
Figure PCTKR2012008836-appb-I000001
는 정지 좌표계 전류의 크기를 나타내며,
Figure PCTKR2012008836-appb-I000002
은 각 상에서 표준화된 전류를 나타낸다. 즉
Figure PCTKR2012008836-appb-I000003
은 a상의 표준화된 전류를 나타내고,
Figure PCTKR2012008836-appb-I000004
은 b상의 표준화된 전류를 나타내고,
Figure PCTKR2012008836-appb-I000005
은 c상의 표준화된 전류를 나타낸다. 상기 각 상의 표준화된 전류는 10[A]로 표준화되어 있으며, 이는 일 실시예에 불과하며 이에 한정되지는 않는다. 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.
수학식 2
Figure PCTKR2012008836-appb-M000002
Figure PCTKR2012008836-appb-I000007
Figure PCTKR2012008836-appb-I000008
이때,
Figure PCTKR2012008836-appb-I000009
는 상기 각 상마다 표준화된 전류의 평균값을 나타내고,
Figure PCTKR2012008836-appb-I000010
는 각 상의 표준화된 전류의 평균 기준값을 나타내며,
Figure PCTKR2012008836-appb-I000011
는 제1직류링크 커패시터의 전압과 제2직류링크 커패시터 전압의 차이의 기준값을 나타내고,
Figure PCTKR2012008836-appb-I000012
및
Figure PCTKR2012008836-appb-I000013
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.
표 1
Figure PCTKR2012008836-appb-T000001
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.
본 발명은 인버터를 이용한 스위치의 고장진단 분야에 이용될 수 있다.

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 고장스위칭 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 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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Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106680647A (zh) * 2016-12-06 2017-05-17 西南交通大学 一种动车组逆变器igbt单管断路故障诊断方法
CN108761319A (zh) * 2018-04-08 2018-11-06 阳光电源股份有限公司 光伏并网逆变器的继电器失效检测方法、装置以及系统
WO2021078083A1 (zh) * 2019-10-22 2021-04-29 华中科技大学 一种T-type三相四线整流器开路故障实时检测方法
CN113189435A (zh) * 2021-05-31 2021-07-30 锦浪科技股份有限公司 T型三电平逆变器功率模块检测电路及检测方法
CN113325288A (zh) * 2021-05-18 2021-08-31 长安大学 一种基于电流注入法的npc三电平逆变器故障上电自检方法
TWI742900B (zh) * 2020-10-29 2021-10-11 國立勤益科技大學 三階t型變頻器故障診斷方法

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101538094B1 (ko) * 2013-11-28 2015-07-20 현대중공업 주식회사 인버터 시스템의 스위칭 소자 고장 검출 장치 및 방법
CN113238146B (zh) * 2021-05-12 2022-05-24 阳光电源股份有限公司 一种储能逆变器系统的中线继电器故障检测方法及装置
CN113765337B (zh) * 2021-11-10 2022-02-22 青岛鼎信通讯股份有限公司 一种应用于svg的t型三电平逆变器开关管自检方法

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20110062945A (ko) * 2009-12-04 2011-06-10 충북대학교 산학협력단 다중레벨 인버터의 다단 스위치 고장 진단 장치 및 방법

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20080075309A (ko) * 2007-02-12 2008-08-18 삼성전자주식회사 인버터의 입력전류 검출장치 및 그 방법
KR20100050159A (ko) * 2008-11-05 2010-05-13 삼성중공업 주식회사 정격감소 연속운전 장치 및 방법을 실행하는 전자장치가 판독 가능한 기록매체
KR101090509B1 (ko) * 2009-08-05 2011-12-07 울산대학교 산학협력단 인버터 및 인버터의 제어 방법
KR101242250B1 (ko) * 2011-07-04 2013-03-11 아주대학교산학협력단 엔피시 인버터의 스위칭 소자 고장진단장치 및 방법

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20110062945A (ko) * 2009-12-04 2011-06-10 충북대학교 산학협력단 다중레벨 인버터의 다단 스위치 고장 진단 장치 및 방법

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
JANG, DAE MIN ET AL.: "Detection Method of an Open Circuit Fault in a Grid Connected NPC Inverter System", JOURNAL OF INTERNATIONAL CONFERENCE ON POWER ELECTRONICS, July 2011 (2011-07-01), pages 417 - 418 *
PARK, JANG-HWAN ET AL.: "Fault Diagnosis of 3 Phase Induction Motor Drive Systems Using Clustering", JOURNAL OF THE KOREAN INSTITUTE OF ILLUMINATING AND ELECTRICAL INSTALLATION ENGINEERS, vol. 18, no. 6, November 2004 (2004-11-01), pages 70 - 77 *
PARK, JONG-JE ET AL.: "A Study on the Neutral Point Potential Variation under Open-Circuit Fault of Three-Level NPC Inverter", JOURNAL OF POWER ELECTRONICS, vol. 14, no. 4, August 2009 (2009-08-01), pages 333 - 342 *

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106680647A (zh) * 2016-12-06 2017-05-17 西南交通大学 一种动车组逆变器igbt单管断路故障诊断方法
CN106680647B (zh) * 2016-12-06 2019-03-01 西南交通大学 一种动车组逆变器igbt单管断路故障诊断方法
CN108761319A (zh) * 2018-04-08 2018-11-06 阳光电源股份有限公司 光伏并网逆变器的继电器失效检测方法、装置以及系统
CN108761319B (zh) * 2018-04-08 2020-08-28 阳光电源股份有限公司 光伏并网逆变器的继电器失效检测方法、装置以及系统
WO2021078083A1 (zh) * 2019-10-22 2021-04-29 华中科技大学 一种T-type三相四线整流器开路故障实时检测方法
TWI742900B (zh) * 2020-10-29 2021-10-11 國立勤益科技大學 三階t型變頻器故障診斷方法
CN113325288A (zh) * 2021-05-18 2021-08-31 长安大学 一种基于电流注入法的npc三电平逆变器故障上电自检方法
CN113325288B (zh) * 2021-05-18 2023-08-29 长安大学 一种基于电流注入法的npc三电平逆变器故障上电自检方法
CN113189435A (zh) * 2021-05-31 2021-07-30 锦浪科技股份有限公司 T型三电平逆变器功率模块检测电路及检测方法

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