逆變器在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)接口上的作用

逆變器作為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)的接口，承擔(dān)著核心電能變換和控制的作用，同時(shí)是系統(tǒng)中極易發(fā)生故障的薄弱環(huán)節(jié)，系統(tǒng)能否向電網(wǎng)或負(fù)載提供優(yōu)質(zhì)的電能，逆變器起到至關(guān)重要的作用。為了確保電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行，提高電能質(zhì)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(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)。TMS320F28335 DSP作為TI公司推出的32位浮點(diǎn)數(shù)字控制處理器，其主頻150 MHz，具有外設(shè)豐富、性價(jià)比高、存儲空間大、處理速度快等優(yōu)點(diǎn)^[4-5]，一直被用作逆變器智能控制及故障檢測與診斷系統(tǒng)的核心控制器。

逆變器系統(tǒng)是典型的相互依賴、錯綜復(fù)雜的混雜系統(tǒng)^[6]，傳統(tǒng)的DSP系統(tǒng)的代碼編程費(fèi)時(shí)費(fèi)工、效率低。Mathworks公司和TI公司聯(lián)合推出TSP工具，使得在Simulink環(huán)境下即可進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)建模、仿真、代碼生成及調(diào)試工作，大大提高了工程開發(fā)效率。本文在逆變器系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)代碼自動生成。

1 代碼生成技術(shù)

代碼自動生成技術(shù)是指用特定的軟件（MATLAB）或者軟件中特定的工具箱，建立目標(biāo)代碼的系統(tǒng)仿真模型，并根據(jù)特定的目標(biāo)配置自動生成嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用程序^[7-8]。

Embedded Coder是MathWorks公司提供給Simulink用戶針對嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的強(qiáng)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(lián)合開發(fā)，可與TI公司的CCS(Coder Composer Studio)集成開發(fā)環(huán)境(IDE)無縫對接，是針對基于C2000系列DSP嵌入式系統(tǒng)開發(fā)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(tǒng)模型轉(zhuǎn)換為可優(yōu)化的、可移植的、自定義的產(chǎn)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端口，由軟件提供的系統(tǒng).tlc文件負(fù)責(zé)統(tǒng)籌調(diào)用代碼生成的整個(gè)過程，根據(jù)目標(biāo)配置自動生成系統(tǒng)應(yīng)用程序。

應(yīng)用代碼生成技術(shù)不需要逐句逐行的編寫模型仿真所需要代碼，并較容易進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)試。與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法相比，明顯具有開發(fā)周期短、費(fèi)用低、效率高等特點(diǎn)。

2 基于代碼生成技術(shù)的開發(fā)流程

首先根據(jù)需求確定系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，在Simulink平臺中根據(jù)設(shè)計(jì)思路建立系統(tǒng)仿真模型；其次，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求設(shè)置模型參數(shù)及仿真環(huán)境，并植入相應(yīng)的智能算法，完成配置工作后進(jìn)行模型仿真，在仿真過程中實(shí)時(shí)觀測仿真結(jié)果。如若仿真結(jié)果與預(yù)計(jì)結(jié)果有偏差，則及時(shí)完善仿真模型或參數(shù)設(shè)置并進(jìn)行反復(fù)修正，直至仿真結(jié)果與理論結(jié)果吻合。仿真完成后對Simulink模型進(jìn)行目標(biāo)環(huán)境配置，設(shè)置系統(tǒng)文件及硬件調(diào)試環(huán)境，編譯代碼生成模型，生成代碼執(zhí)行文件（.out），連接硬件調(diào)試板，下載執(zhí)行文件，運(yùn)行程序，觀察并測試系統(tǒng)參數(shù)。其開發(fā)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由以兩電平變換器的一個(gè)橋臂為基本開關(guān)單元經(jīng)過串并聯(lián)拓?fù)涠?sup style="">[13]，基本開關(guān)單元為圖2結(jié)構(gòu)，此電路只輸出兩種電平，通過此基本開關(guān)單元的串聯(lián)或并聯(lián)的形式加以組合，以達(dá)到輸出端輸出多于兩個(gè)電壓等級的電壓值。可構(gòu)成如圖3所示的三電平逆變器的單相橋臂，3個(gè)同樣的橋臂并聯(lián)再與直流電源等必要器件相結(jié)合，即可得到三電平全橋逆變器結(jié)構(gòu)。

對橋臂上的IGBT按調(diào)制算法規(guī)律進(jìn)行有序的控制，使IGBT按照固有的規(guī)律工作，即可輸出三電平全橋交流電壓波。其調(diào)制算法如圖4所示，正半軸載波和調(diào)制波生成互補(bǔ)的兩列觸發(fā)脈沖，分別觸發(fā)VT₁和VT₃；負(fù)半軸載波和調(diào)制波生成互補(bǔ)的兩列觸發(fā)脈沖，分別觸發(fā)VT₂和VT₄。VT₁和VT₂的控制脈沖p1和p2如圖5所示。輸出線電壓U_ab如圖6所示，與傳統(tǒng)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于正弦波。

4 三電平PWM代碼生成

三電平PWM為12路觸發(fā)脈沖，如若在CCS中逐句逐行編寫程序，則是非常龐大的任務(wù)量，而且在編程過程中不可避免地會出現(xiàn)錯誤，需要不停地修改和測試代碼，需花費(fèi)大量的人力。為節(jié)約人力和時(shí)間，減少出錯率，提高開發(fā)效率，利用自動代碼生成技術(shù)來生成三電平PWM控制脈沖。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模塊定義輸出端口^[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(shè)置頻率、相位、采樣周期等參數(shù)，使逆變輸出電壓為50 Hz。三電平PWM輸出有12路脈沖，而每個(gè)Digital Output模塊只提供8個(gè)GPIO接口，需要用Demux和Mux模塊組合，用兩個(gè)Digital Output模塊輸出脈沖。圖7中OUT1模塊GPIO0~GPIO7設(shè)置使用，OUT2模塊GPIO8~GPIO11設(shè)置使用，如圖8所示，共12路脈沖，控制IGBT工作。

模型建立成功后，設(shè)置目標(biāo)環(huán)境。打開Simulation>Model Configuration Parameter環(huán)境配置，在Solver中設(shè)置仿真環(huán)境為離散環(huán)境，Hardware Implementation>Hardware board設(shè)置TI Delfino F2833x目標(biāo)板，在Code Generation>System target file設(shè)置ert.tlc系統(tǒng)文件，Toolchain選擇CCS開發(fā)環(huán)境TI CCSV6 C2000，Interface>Code replacement library設(shè)置為TI C28x。代碼優(yōu)化Code Placement>File packaging format設(shè)置為Compact，可優(yōu)化生成代碼的邏輯結(jié)構(gòu)，提高代碼的可讀性。

以上建模及目標(biāo)環(huán)境配置完成后，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(diǎn)擊編輯模型，如若模型設(shè)計(jì)及環(huán)境配置無誤，即可生成.out執(zhí)行文件，此文件可由CCS下載到DSP中運(yùn)行。

從整個(gè)設(shè)計(jì)過程來看，DSP開發(fā)人員只需在MATLAB中進(jìn)行Simulink模型設(shè)計(jì)、構(gòu)建、仿真及目標(biāo)環(huán)境配置，替代了編寫、調(diào)試DSP代碼的復(fù)雜過程，減低了出錯率，提高了工作效率。

5 系統(tǒng)測試

本文設(shè)計(jì)了以TI公司的TMS320F28335為主控芯片的逆變器系統(tǒng)，系統(tǒng)由PC、電源、電源擴(kuò)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(tǒng)中逆變器結(jié)構(gòu)可從兩電平—三電平的結(jié)構(gòu)拓?fù)?，并可以提供逆變器結(jié)構(gòu)性故障全模式，可進(jìn)行逆變器智能控制及故障診斷技術(shù)的研究。

連接各模塊組建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，所有硬件電路接電等待開啟。將自動生成的三電平PWM可執(zhí)行.out文件下載到DSP芯片并運(yùn)行，開啟所有電路電源開關(guān)，觀測脈沖信號和逆變器輸出線電壓波形。觀測到VT1和VT2的控制脈沖波形如圖9所示，與圖5仿真結(jié)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(jié)果完全吻合。

6 結(jié)論

針對工作在高頻狀態(tài)下的典型混雜系統(tǒng)——逆變器系統(tǒng)的智能控制及故障診斷的DSP代碼開發(fā)周期長、效率低、實(shí)現(xiàn)比較繁瑣的問題，提出基于代碼生成技術(shù)實(shí)現(xiàn)的方法。介紹了代碼生成技術(shù)及其開發(fā)流程，并以三電平PWM代碼生成為例展開說明，最后在逆變器實(shí)物系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)三電平PWM代碼的調(diào)試。結(jié)果證明，該方法簡單實(shí)用、開發(fā)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(shí)踐驗(yàn)證提供了方便，具有很高的實(shí)用價(jià)值。