逆變器在風力發電系統與電網接口上的作用

逆變器作為風力發電系統與電網的接口，承擔著核心電能變換和控制的作用，同時是系統中極易發生故障的薄弱環節，系統能否向電網或負載提供優質的電能，逆變器起到至關重要的作用。為了確保電網穩定運行，提高電能質量，逆變器的故障診斷尤為重要，因此近些年逆變器的故障診斷研究成為了國內外學者的研究熱點。TMS320F28335 DSP作為TI公司推出的32位浮點數字控制處理器，其主頻150 MHz，具有外設豐富、性價比高、存儲空間大、處理速度快等優點

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，一直被用作逆變器智能控制及故障檢測與診斷系統的核心控制器。

逆變器系統是典型的相互依賴、錯綜複雜的混雜系統^[6]，傳統的DSP系統的代碼編程費時費工、效率低。Mathworks公司和TI公司聯合推出TSP工具，使得在Simulink環境下即可進行嵌入式系統建模、仿真、代碼生成及調試工作，大大提高了工程開發效率。本文在逆變器系統上實現代碼自動生成。

1 代碼生成技術

代碼自動生成技術是指用特定的軟體（MATLAB）或者軟體中特定的工具箱，建立目標代碼的系統仿真模型，並根據特定的目標配置自動生成嵌入式系統應用程式^[7-8]。

Embedded Coder是MathWorks公司提供給Simulink用戶針對嵌入式系統開發的強有力的工具。TSP TI C2000(Embedded Coder Target Support Package for Texas Instruments C2000 Processors)工具箱由TI公司和MathWorks公司聯合開發，可與TI公司的CCS(Coder Composer Studio)集成開發環境(IDE)無縫對接，是針對基於C2000系列DSP嵌入式系統開發的工具箱^[9-10]。該工具箱提供了DSP外圍資源一對一的接口模塊，可以將系統模型轉換為可優化的、可移植的、自定義的產品級嵌入式C代碼^[11-12]。將模型的信號源和信號接收部分模塊替換成I/O埠，由軟體提供的系統.tlc文件負責統籌調用代碼生成的整個過程，根據目標配置自動生成系統應用程式。

應用代碼生成技術不需要逐句逐行的編寫模型仿真所需要代碼，並較容易進行相應的調試。與傳統設計方法相比，明顯具有開發周期短、費用低、效率高等特點。

2 基於代碼生成技術的開發流程

首先根據需求確定系統設計標準，在Simulink平臺中根據設計思路建立系統仿真模型；其次，根據系統設計要求設置模型參數及仿真環境，並植入相應的智能算法，完成配置工作後進行模型仿真，在仿真過程中實時觀測仿真結果。如若仿真結果與預計結果有偏差，則及時完善仿真模型或參數設置並進行反覆修正，直至仿真結果與理論結果吻合。仿真完成後對Simulink模型進行目標環境配置，設置系統文件及硬體調試環境，編譯代碼生成模型，生成代碼執行文件（.out），連接硬體調試板，下載執行文件，運行程序，觀察並測試系統參數。其開發流程如圖1所示。

3 三電平逆變器

三電平逆變器是常見的電力電子電路拓撲結構，由以兩電平變換器的一個橋臂為基本開關單元經過串並聯拓撲而成^[13]，基本開關單元為圖2結構，此電路只輸出兩種電平，通過此基本開關單元的串聯或並聯的形式加以組合，以達到輸出端輸出多於兩個電壓等級的電壓值。可構成如圖3所示的三電平逆變器的單相橋臂，3個同樣的橋臂並聯再與直流電源等必要器件相結合，即可得到三電平全橋逆變器結構。

對橋臂上的IGBT按調製算法規律進行有序的控制，使IGBT按照固有的規律工作，即可輸出三電平全橋交流電壓波。其調製算法如圖4所示，正半軸載波和調製波生成互補的兩列觸發脈衝，分別觸發VT₁和VT₃；負半軸載波和調製波生成互補的兩列觸發脈衝，分別觸發VT₂和VT₄。VT₁和VT₂的控制脈衝p1和p2如圖5所示。輸出線電壓U_ab如圖6所示，與傳統兩電平逆變器相比，三電平逆變器功率管的耐壓、容量提高了一倍，降低了輸出線電壓的du/dt，波形得到明顯改善，對比與兩電平線電壓更趨近於正弦波。

4 三電平PWM代碼生成

三電平PWM為12路觸發脈衝，如若在CCS中逐句逐行編寫程序，則是非常龐大的任務量，而且在編程過程中不可避免地會出現錯誤，需要不停地修改和測試代碼，需花費大量的人力。為節約人力和時間，減少出錯率，提高開發效率，利用自動代碼生成技術來生成三電平PWM控制脈衝。建立三電平PWM自動代碼生成模型如圖7所示。

TSP工具箱中只提供DSP的外圍接口，需要利用Simulink的其他工具搭建三電平PWM模型，再由TSP中的Digital Output模塊定義輸出埠^[14-15]。其中PWM模塊來自Simulink>Power Systems>SpecializedTechnology>Control&Measurements>Pulse&Signal Generators，此模塊為三電平PWM輸出模塊，設置頻率、相位、採樣周期等參數，使逆變輸出電壓為50 Hz。三電平PWM輸出有12路脈衝，而每個Digital Output模塊只提供8個GPIO接口，需要用Demux和Mux模塊組合，用兩個Digital Output模塊輸出脈衝。圖7中OUT1模塊GPIO0~GPIO7設置使用，OUT2模塊GPIO8~GPIO11設置使用，如圖8所示，共12路脈衝，控制IGBT工作。

模型建立成功後，設置目標環境。打開Simulation>Model Configuration Parameter環境配置，在Solver中設置仿真環境為離散環境，Hardware Implementation>Hardware board設置TI Delfino F2833x目標板，在Code Generation>System target file設置ert.tlc系統文件，Toolchain選擇CCS開發環境TI CCSV6 C2000，Interface>Code replacement library設置為TI C28x。代碼優化Code Placement>File packaging format設置為Compact，可優化生成代碼的邏輯結構，提高代碼的可讀性。

以上建模及目標環境配置完成後，按Ctrl+B組合快捷鍵編譯模型，或者在模型工具欄中找到編譯工具點擊編輯模型，如若模型設計及環境配置無誤，即可生成.out執行文件，此文件可由CCS下載到DSP中運行。

從整個設計過程來看，DSP開發人員只需在MATLAB中進行Simulink模型設計、構建、仿真及目標環境配置，替代了編寫、調試DSP代碼的複雜過程，減低了出錯率，提高了工作效率。

5 系統測試

本文設計了以TI公司的TMS320F28335為主控晶片的逆變器系統，系統由PC、電源、電源擴展模塊、光電隔離模塊、核心控制模塊、逆變模塊等組成。該系統中逆變器結構可從兩電平—三電平的結構拓撲，並可以提供逆變器結構性故障全模式，可進行逆變器智能控制及故障診斷技術的研究。

連接各模塊組建實驗系統，所有硬體電路接電等待開啟。將自動生成的三電平PWM可執行.out文件下載到DSP晶片並運行，開啟所有電路電源開關，觀測脈衝信號和逆變器輸出線電壓波形。觀測到VT1和VT2的控制脈衝波形如圖9所示，與圖5仿真結果吻合。

示波器顯示波形如圖10所示。對比圖10與圖6，可看出示波器波形與仿真結果完全吻合。

6 結論

針對工作在高頻狀態下的典型混雜系統——逆變器系統的智能控制及故障診斷的DSP代碼開發周期長、效率低、實現比較繁瑣的問題，提出基於代碼生成技術實現的方法。介紹了代碼生成技術及其開發流程，並以三電平PWM代碼生成為例展開說明，最後在逆變器實物系統中實現三電平PWM代碼的調試。結果證明，該方法簡單實用、開發周期短、錯誤率低、效率有明顯提高。為逆變器智能控制及故障檢測與診斷算法實踐驗證提供了方便，具有很高的實用價值。