摘要：  本文研讨在太阳能与风力发电系统中应用光纤和光电耦合隔离技术及解决方案问题。

关键字：  变压器，电源变压器，电源

1 新挑战与新机遇
太阳能与风力发电再生能源已经成为全球策略性能源规划的发展趋势，2009年最少就有73个国家发表能源政策目标，并有超过64个国家制定提倡可再生能源发电的政策例如中国的总风力发电量已经连续五年倍数成长，在今年达到了12GW，超前两年达到计划于2010年达到每年10GW的目标。因为太阳能与风力发电再生能源不再局限于研究领域，而是已经被大量采用并且高速增长的工农业及大型商业市场等领域。尤其是通过发电网连接的太阳能电厂是目前增长最快的发电技术，为此公用事业级太阳能电厂数目在世界各国提升，我国也在规划并发展兴建新的太阳能电厂。
面对太阳能与风力发电系统的高度增长及其在国民经济中的与重要地位，必然带来的是对最佳发电效率与安全性的要求愈来愈高，从而使开发厂商面临更大的挑战。如何应对？则其中很重要的问题是在太阳能与风力发电系统中的应用与选择光纤与光电耦合隔离技术，那将是一种比较理想的解决方案，这也是本文研讨的主题。
2 用于太阳能与风力发电系统的光纤与光电耦合隔离技术新理念。
当今对于光纤与隔离产品的开发，尤如数字光电耦合器、门驱动、隔离放大器以及固态继电器除了本身独特的隔离功能外还提供了安全隔离以及绝缘功能。其光纤组件还带来抗EMI、风力发电厂远程通信，以及太阳能光伏系统中发电面板与面板间的通信功能，这些控制与通信通道对于分布式太阳能系统的安全性与最佳发电效率非常重要，特别是海上风力发电设施，为此将首先对应用于太阳能的光纤技术特征作分析。
2.1 光纤技术在太阳能系统中的应用
目前光纤收发器是太阳能系统以及太阳能发电厂内的控制与通信链路主要部件（图1所示的为太阳能发电厂中的光纤数据连接示意图）。
从图1可看出新型的太阳能发电系统与常规太阳能发电系统之最大区别，就在于控制与通信链路应用了光纤收发器（图1中的虚线框内所示）。该图1中的光纤可以抵抗EMI并承受恶劣环境，收发器支持POF、HCS以及多模光纤，其塑胶光纤支持达50米的传输距离，对于较长距离的需求，200μm HCS以及62.5/25pm光纤可以支持2700米的连线距离，最长传输距离则依数据率的不同可以达到80公里。而1/5/10/20/160MBd数据率的产品（如安华高科技公司产品）还提供有多种不同连接器型式，包括LC、SC、SFP以及MT-RJ等选择。
2.2 光纤技术在风力发电机网络、控制与通信中的应用
可从图2风力发电机中的光纤通信连线示意图中分析起。
*光纤技术应用的重要性
光纤技术的应用是风力发电机网络、控制与通信之中可靠性的重要保证，这是为什么呐？
其一、在风力涡轮发电应用中，进行维护与修复要比在地面上的太阳能发电厂困难许多，尤其是海上的风力发电设施；其二、大型的机械负载以及多变的天气状况也必须以接近实时的方式进行监测以得到最好的发电输出、安全性与控制，因此长时间的可靠性与质量对于组件的选择非常重要。
*光纤技术的选择
从图2中可知，在风力发电设备中的涡轮机箱内，短程的光纤连线（见图2中虚线框内）将发电次系统与涡轮速度控制器连接到主系统控制器。对于大于2MW的风力涡轮，最好的选择还是光纤，原因是它提供有抗EMI、闪电与电气隔离等功能，更长距离的光纤连线则可以连接到发电塔基站以及风力发电厂网络。值此有多种光纤技术产品可选，例如在涡轮监测与太阳能系统中，带DMI与SC-RJ连接器的快速以太网收发器，例如安华高的AFBR-5978Z非常普遍，主要原因是它们以65μm在POF与HCS光缆上运行，并拥有-25℃到85℃的工作温度范围。除此之外，还有新的多模SFP小型化尺寸带DMI功能HFBR-57E5APZ快速以太网收发器功耗仅611mW，并以3.3V电源工作。
3 光电耦合器、门驱动、隔离放大器与数字光电耦合器等隔离与绝缘技术及器件在风力发电或太阳能系统中的应用
3.1 问题的引出
通常该风力发电系统由风轮、发电机、尾舵和电气控制部分等构成。由于风能的随机性，发电机所发出电能的频率和电压都是不稳定的，以及蓄电池只能存储直流电能，无法为交流负载直接供电。因此，为了给负载提供稳定、高质量的电能和满足交流负载用电，需要在发电机和负载之间加入电力变换装置，这种电力变换装置主要由整流器、逆变器、控制器、蓄电池等组成（见图3所示常规风力发电系统示意图）。
其整流器的主要功能是对风力发电机输出的三相交流电进行整流，整流后的直流电经过控制器再对蓄电池进行充电；逆变器是在电力变换过程中经常使用到的一种电力电子装置，它的主要作用就是将蓄电池存储的或由整流桥输出的直流电转变为负载所能使用的交流电；在风力发电系统中，广泛采用蓄电池作为蓄能装置。蓄电池的作用是当风力较强或负荷减小时，可以将来自风力发电机发出的电能中的一部分储存在蓄电池中，也就是向蓄电池充电。
然而风力控制系统必须随着多变的风力情况调整，由于风速变幻莫测，使对其的利用存在一定的困难。风速的变化使风力机输出机械功率发生变化，从而使发电机输出功率产生波动而使电能质量下降，使风力发电机的输出电能质量稳定成为风力发电技术中的重要问题。为此可通过精确监测次系统避免发生失效情况。
而应用高电压隔离、电流隔离以及抗EMI能力对于可靠且稳固的控制系统非常重要，太阳能与风力发电厂都面临严苛的环境条件，并且分布在容易受到闪电与极端温度影响的广大区域工作，安华高科技公司的光电耦合器、门驱动、隔离放大器与数字光电耦合器拥有达成安全可靠控制系统所需的绝缘与隔离规格，尤其所有的数字光电耦合器产品都符合所有国际安全标准的绝缘与隔离规范，许多器件并拥有超过1768Vrms的工作电压，并提供高达7500Vrms的隔离电压。因此它在太阳能与风力发电系统中的应用是解决可靠性的最佳选择。
3.2 隔离与绝缘器件理想选择与应用方案举例
应该说新型隔离功率MOSFET门与IGBT驱动器件，拥有高尖峰输出电流、高CMR、广大工作温度范围、低电流、表面贴装式封装并且内置保护电路等特点，光电MOSFET或固态继电器SSR可以在60V到600V的电压下工作，电流高达2A，适合能量存储管理系统应用，所以非常适合电机控制、逆变器与电池充电电路应用。
*光隔离门驱动。它拥有5A尖峰驱动电流与欠压锁定保护，其它器件则提供0.4A到2.5A的尖峰驱动电流，为了得到最高的可靠性与设计灵活度，其器件集成各种保护功能，例如VCE检测、UVLO、IGBT软关断、隔离开集电极错误反馈以及有源米勒箝位等功能，带来最高的设计灵活度与电路保护，米勒箝位可以在高度电压变化情况下控制米勒电容的电流，免除负电源的需求。其典型的是ACNW3190型光隔离门驱动。
*模拟隔离放大器。则可以简单、安全并且精确地进行电机控制、逆变器与电池应用中的电流与电压监测，相位电流与直流连线电压可以在保持隔离的条件下简单测量，放大器的工作电压达到1140V提高安全性，增益精确度范围则由±1％到±5％。
*光电耦合技术。如应用ACPL-796J 1-bit二阶Σ-Δ (Sigma-Delta)调制器可以将模拟输入信号转换成带有电气隔离的高速数据流，还可以在5V电源下工作，通过适当的数字滤波，动态范围可以达到80dB。其±200mV的差分输入以及±320mV的全幅输出非常适合直接连接分流电阻或其他低电平信号源的电机相位电流测量的应用。
*数字光电耦合器。它以10MBd速度工作，多通道与双向光电耦合器，例如2/3/4通道的ACSL-6210/6310/64x0带来了最多样的设计选择并且可以节省电路板占用空间，在极端的环境条件下，(如ACPL—M61U数字光电耦合器)可以在-40℃到125℃下工作，ACPL—M61L/061L/064L/W61L/K64L为适合高能效系统应用的超低功耗光电耦合器并且是较高速的器件，又例如ACPL-772L/072L则可以在25MBd的速度工作，工作温度范围_40℃到105℃。
*图4为隔离门驱动、数字光电耦合器、电平转换器与隔离放大器在太阳能与风力发电系统中应用示意框图。
图4中在充电控制器与DC/AC转换器与逆变器之间应用了ACNW3190隔离门驱动器作为栅极驱动器；在蓄电池解码电路与微处理器之间应用了数字光电耦合器ACPL—M61U；在电平转换与ADC之间应用了光电耦合电路ACPL-C787。
尤其要指出的是，图4中常用CPU来监测并控制蓄电池的充放电过程，较多采用分阶段法来优化充电过程。这是由于目前在大多数风电系统或太阳能光伏系统中采用的都是阀控式密封铅酸蓄电池。蓄电池是影响风电系统寿命的关键因素，对阀控式密封铅酸蓄电池充放电的控制直接影响蓄电池的寿命，不合理的充放电将直接导致蓄电池的崩溃。故在大多数的风电系统中，都是由CPU来监测并控制蓄电池的充放电过程，较多采用分阶段法来优化充电过程。以能很好地保护蓄电池，延长其使用寿命。
4 模块式DC/AC高频大功率变换模块逆变器的应用
上述隔离与绝缘器件理想选择与应用方案中逆变器部件是影响风电系统或太阳能光伏系统中的可靠性重要部件，为此逆变器部件往往采用新型模块式DC/AC逆变器，它的特点是本身含数字光电耦合器并作为隔离门驱动器。其典型的是IMP-4M模块式DC/AC高频大功率变换模块逆变器（见图5所示），它已广泛用于再生能源电力（如风电系统或太阳能光伏系统）供电之中。
4.1 值此对其应用特征作如下说明：
*具有功能较强的电源管理器电路（电源控制芯片），即电流型PWM及辅助保护电路：
所谓电流型即在比较器的输入端直接用感应到的输出电流信号与误差放大器进行比较，来控制输出的峰值电流跟随误差电压变化。这种控制方式可以改善整个开关电源电压和电流的调整率，改善整个系统的瞬态响应。电流型PWM 还具有重选脉冲抑制电路，消除在一种输出里出现两个连续脉冲的可能性。这对于半桥电路或全桥电路组成的开关电源能否可靠工作是极为重要的。
* 内含IC驱动电路代替脉冲变压器隔离：
在半桥电路或全桥电路中高端和低端的驱动器是不接地的，一般采用脉冲变压器隔离。当频率在数Hz到数百kHz范围内变化时，普通的脉冲变压器是无法胜任的。而采用IC驱动电路就不存在上述问题，它的固有死区能防止产生直通信号，它的图腾柱电路能吸收桥电路的“米勒效应”。
* 采用全桥DC-AC变换器：
采用性能优良的MOSFET或IGBT，在公共接地点上伴有0.1Ω的电流取样电阻，它能感应到内部任一桥路或任一桥路的外部过流、短路，将检测信号送往保护辅助电路进行判断调整或极限保护。并有4×1500pf电容，输出串接1mH电感可成为零电压开通、关断的谐振电路(ZVS)。
* 应用P1电流检测，实现恒流控制：
将流过第P1脚的电流感应检波取样送至第9脚，经过调整送至第8脚可进行恒流控制。
* 具有辅助电源供电流型PWM及辅助保护电路正常工作：
由启动电源和内反馈电源组成，它要求电压在20-500V范围内能正常工作。（一般情况下在交流220V整流后350V-360V直流电压下工作）。
由其模块内部结构分析所知，它大大减少或克服了后级(DC-AC)分立组合所带来的制作调试麻烦和大功率管被击穿或烧毁等弊病。只需方便的使用模块的引脚，就可实现功能DC-AC。
*外形尺寸（长宽厚）为：115mm*66mm*23mm。
*模块使用时应按装在散热板上。
*高频大功率变压器设计公式
由于DC/AC模块应用领域很多，但大多数都使用到了高频大功率变压器，现提供设计公式和例子。
全桥式高频变压器设计公式：
E=4fN1BS  N1—初级匝数
例：

E=U1为变压器初级直流电压
N1为初级匝数；
E=U1为加在变压器初级的最高电压；
f变压器的工作频率；
S磁芯的有效面积；
4.44为系数（对正弦波—4.44）或4（对于矩形波--4）；
4.2 应用举例
应用DC/AC IPM—4M 模块与前级PF1000A-360型AC/DC大功率变换模块及高频大功率脉冲变压器T等三大部分一起组合而成模块型高频大功率开关电源，如可用于高声强度高可靠超声波管道清洗机的高频大功率开关电源，见图6所示。