逆变器在风力发电系统与电网接口上的作用

逆变器作为风力发电系统与电网的接口，承担着核心电能变换和控制的作用，同时是系统中极易发生故障的薄弱环节，系统能否向电网或负载提供优质的电能，逆变器起到至关重要的作用。为了确保电网稳定运行，提高电能质量，逆变器的故障诊断尤为重要，因此近些年逆变器的故障诊断研究成为了国内外学者的研究热点。TMS320F28335 DSP作为TI公司推出的32位浮点数字控制处理器，其主频150 MHz，具有外设丰富、性价比高、存储空间大、处理速度快等优点^[4-5]，一直被用作逆变器智能控制及故障检测与诊断系统的核心控制器。

逆变器系统是典型的相互依赖、错综复杂的混杂系统^[6]，传统的DSP系统的代码编程费时费工、效率低。Mathworks公司和TI公司联合推出TSP工具，使得在Simulink环境下即可进行嵌入式系统建模、仿真、代码生成及调试工作，大大提高了工程开发效率。本文在逆变器系统上实现代码自动生成。

1 代码生成技术

代码自动生成技术是指用特定的软件（MATLAB）或者软件中特定的工具箱，建立目标代码的系统仿真模型，并根据特定的目标配置自动生成嵌入式系统应用程序^[7-8]。

Embedded Coder是MathWorks公司提供给Simulink用户针对嵌入式系统开发的强有力的工具。TSP TI C2000(Embedded Coder Target Support Package for Texas Instruments C2000 Processors)工具箱由TI公司和MathWorks公司联合开发，可与TI公司的CCS(Coder Composer Studio)集成开发环境(IDE)无缝对接，是针对基于C2000系列DSP嵌入式系统开发的工具箱^[9-10]。该工具箱提供了DSP外围资源一对一的接口模块，可以将系统模型转换为可优化的、可移植的、自定义的产品级嵌入式C代码^[11-12]。将模型的信号源和信号接收部分模块替换成I/O端口，由软件提供的系统.tlc文件负责统筹调用代码生成的整个过程，根据目标配置自动生成系统应用程序。

应用代码生成技术不需要逐句逐行的编写模型仿真所需要代码，并较容易进行相应的调试。与传统设计方法相比，明显具有开发周期短、费用低、效率高等特点。

2 基于代码生成技术的开发流程

首先根据需求确定系统设计标准，在Simulink平台中根据设计思路建立系统仿真模型；其次，根据系统设计要求设置模型参数及仿真环境，并植入相应的智能算法，完成配置工作后进行模型仿真，在仿真过程中实时观测仿真结果。如若仿真结果与预计结果有偏差，则及时完善仿真模型或参数设置并进行反复修正，直至仿真结果与理论结果吻合。仿真完成后对Simulink模型进行目标环境配置，设置系统文件及硬件调试环境，编译代码生成模型，生成代码执行文件（.out），连接硬件调试板，下载执行文件，运行程序，观察并测试系统参数。其开发流程如图1所示。

3 三电平逆变器

三电平逆变器是常见的电力电子电路拓扑结构，由以两电平变换器的一个桥臂为基本开关单元经过串并联拓扑而成^[13]，基本开关单元为图2结构，此电路只输出两种电平，通过此基本开关单元的串联或并联的形式加以组合，以达到输出端输出多于两个电压等级的电压值。可构成如图3所示的三电平逆变器的单相桥臂，3个同样的桥臂并联再与直流电源等必要器件相结合，即可得到三电平全桥逆变器结构。

对桥臂上的IGBT按调制算法规律进行有序的控制，使IGBT按照固有的规律工作，即可输出三电平全桥交流电压波。其调制算法如图4所示，正半轴载波和调制波生成互补的两列触发脉冲，分别触发VT₁和VT₃；负半轴载波和调制波生成互补的两列触发脉冲，分别触发VT₂和VT₄。VT₁和VT₂的控制脉冲p1和p2如图5所示。输出线电压U_ab如图6所示，与传统两电平逆变器相比，三电平逆变器功率管的耐压、容量提高了一倍，降低了输出线电压的du/dt，波形得到明显改善，对比与两电平线电压更趋近于正弦波。

4 三电平PWM代码生成

三电平PWM为12路触发脉冲，如若在CCS中逐句逐行编写程序，则是非常庞大的任务量，而且在编程过程中不可避免地会出现错误，需要不停地修改和测试代码，需花费大量的人力。为节约人力和时间，减少出错率，提高开发效率，利用自动代码生成技术来生成三电平PWM控制脉冲。建立三电平PWM自动代码生成模型如图7所示。

TSP工具箱中只提供DSP的外围接口，需要利用Simulink的其他工具搭建三电平PWM模型，再由TSP中的Digital Output模块定义输出端口^[14-15]。其中PWM模块来自Simulink>Power Systems>SpecializedTechnology>Control&Measurements>Pulse&Signal Generators，此模块为三电平PWM输出模块，设置频率、相位、采样周期等参数，使逆变输出电压为50 Hz。三电平PWM输出有12路脉冲，而每个Digital Output模块只提供8个GPIO接口，需要用Demux和Mux模块组合，用两个Digital Output模块输出脉冲。图7中OUT1模块GPIO0~GPIO7设置使用，OUT2模块GPIO8~GPIO11设置使用，如图8所示，共12路脉冲，控制IGBT工作。

模型建立成功后，设置目标环境。打开Simulation>Model Configuration Parameter环境配置，在Solver中设置仿真环境为离散环境，Hardware Implementation>Hardware board设置TI Delfino F2833x目标板，在Code Generation>System target file设置ert.tlc系统文件，Toolchain选择CCS开发环境TI CCSV6 C2000，Interface>Code replacement library设置为TI C28x。代码优化Code Placement>File packaging format设置为Compact，可优化生成代码的逻辑结构，提高代码的可读性。

以上建模及目标环境配置完成后，按Ctrl+B组合快捷键编译模型，或者在模型工具栏中找到编译工具点击编辑模型，如若模型设计及环境配置无误，即可生成.out执行文件，此文件可由CCS下载到DSP中运行。

从整个设计过程来看，DSP开发人员只需在MATLAB中进行Simulink模型设计、构建、仿真及目标环境配置，替代了编写、调试DSP代码的复杂过程，减低了出错率，提高了工作效率。

5 系统测试

本文设计了以TI公司的TMS320F28335为主控芯片的逆变器系统，系统由PC、电源、电源扩展模块、光电隔离模块、核心控制模块、逆变模块等组成。该系统中逆变器结构可从两电平—三电平的结构拓扑，并可以提供逆变器结构性故障全模式，可进行逆变器智能控制及故障诊断技术的研究。

连接各模块组建实验系统，所有硬件电路接电等待开启。将自动生成的三电平PWM可执行.out文件下载到DSP芯片并运行，开启所有电路电源开关，观测脉冲信号和逆变器输出线电压波形。观测到VT1和VT2的控制脉冲波形如图9所示，与图5仿真结果吻合。

示波器显示波形如图10所示。对比图10与图6，可看出示波器波形与仿真结果完全吻合。

6 结论

针对工作在高频状态下的典型混杂系统——逆变器系统的智能控制及故障诊断的DSP代码开发周期长、效率低、实现比较繁琐的问题，提出基于代码生成技术实现的方法。介绍了代码生成技术及其开发流程，并以三电平PWM代码生成为例展开说明，最后在逆变器实物系统中实现三电平PWM代码的调试。结果证明，该方法简单实用、开发周期短、错误率低、效率有明显提高。为逆变器智能控制及故障检测与诊断算法实践验证提供了方便，具有很高的实用价值。