摘要：  本文对与风光发电系统安全可靠运行及低损耗输电、防止误码或数据丢失密切相关的技术问题，即风电机组中电缆的性能要求与标准应用与太阳能发电系统中独特的数字隔离技术应用等问题作重点分析研讨。

关键字：  数字隔离，逆变器，柔性电缆，技术与安全认证

0 前言
目前新能源技术与市场主要面临两大挑战。一是资金投入的挑战。二是建立统一技术标准和行业标准的问题，尤其是安全标准与法规认证。虽然从技术角度来说，太阳能和风能发电已经解决了大部分的技术问题，技术也已经从成长期发展到成熟期，但对于中国来说，市场标准的建立始终落后于市场的发展：边市场运作，边发现问题，边建立标准这对制造厂商企或设计人员来说，挑战很大。
风能作为一种成熟技术，正成为最具吸引力的可再生能源。而提高能源效率之一就是低损耗输电。
可再生能源发电厂往往建在与电力消费集中区相距甚远的地方。如现有的一项重点工程是架设在中国云南省和广东省之间，绵延1400公里长的“电力高速公路”高压直流输电线路。其输电容量达到5000兆瓦，输电电压达800千伏，是世界所有高压直流输电项目中最高的。由于风电设施通常选址在可最高效利用风能的恶劣环境，风能使用的电缆面临着一系列的挑战。作为风力发电系统内的不可缺少的各种各样的电线电缆，能否在严酷的环境中正常运转，关系到整个风力发电设备的安全运转，因此，对风力发电专用电缆（电线）的研究开发及其技术标准和行规已迫在眉睫。而其用于风电的柔性电缆性能要求与标准乃至测试是关系低损耗输电一个重要方面。
太阳能发电的应用在中国已从起步阶段逐步走向成熟阶段，主要以太阳能电厂为主，而且大多数采用多种光伏发电逆变器系统并网发电。因此，为保证逆变器并网发电的安全可靠，除了需要更大电流、更高电压的功率半导体器件（高压大电流的IGBT模块和功率组件Stack）外。给太阳能和风能发电方面带来最大挑战的是电力供给的不稳定。则独特隔离技术的应用是面临的又一挑战。
据此本文对与风光发电系统安全可靠运行及低损耗输电、防止误码或数据丢失密切相关的技术问题，即风电机组中电缆的性能要求与标准应用与太阳能发电系统中数字隔离技术的应用的问题作重点分析研讨。
1 太阳能光伏发电逆变器独特的iC0upler数字隔离器的应用
为太阳能光伏发电逆变器提供光耦合器无法比拟的重要优势。
1.1 新的挑战
当今太阳能光伏发电逆变器系统有多种类型，包括基于中央逆变器的系统、采用分布式微型逆变器的系统与集中式逆变器并网发电，以及兼有前二类系统之优点的新型直流优化器，但无论何种类型，都必须实现隔离。其原因有二：一是系统的各部分以差异很大的直流和交流电平工作，隔离必不可少：二是基于安全理由，法规要求满足最低的电气隔离栅要求。
1.2 传统光耦合器和变压器隔离电路存在的问题
隔离用来保护设备以防由电源浪涌或接地环路引起的高电压或电流，这在任何有多个接地通路的系统中都有可能发生。如果不采用隔离，上述电流会引入噪声，降低测量质量，甚至毁坏系统元件。传统电子系统安全保障是应用变压器、耦合电容器、光耦合器作为隔离电路。然而此技术有明显不足，这是因为：光耦合器速度慢，在温度和老化变化过程中性能很不稳定。它们都是单端器件，因此具有较差的共模瞬变免疫。此外，光耦合器基于砷化镓(GaAs)处理工艺，固有的内在损耗导致在高温和/或LED大电流条件下发光强度降低。这种衰减降低了光耦合器的可靠性、性能和使用寿命。光耦合器电路一般采用重度过驱设计，但这又会产生新的问题，如散热和烧毁等。即便采用过驱机制，光耦合器能否持续使用20年（许多逆变器的标准寿命）也值得怀疑；而变压器虽然可提供优于光电耦合器的更高速度和可靠性，但它们无法通过直流和低频信号，从而在系统定时（例如，开启时间和占空周期）应用中受限。而且变压器一般体积大、效率低，往往需要额外的核心复位电路。
1.3 独特的隔离技术呼之而出
随着半导体集成工艺和通信接囗的发展，使逆变器并网发电系统安全保障技术有了突破，即数字iCoupler隔离器、CMOS隔离和二氧化硅(Si02)隔离势垒数字隔离器及USB隔离等新型技术呼之而出。都是提供电流隔离的典型方法，它们能阻断两点之间的电流，同时允许数据顺利通过，见图1所示为新型隔离器安全应用基本示意框图。
而独特的隔离技术中的数字iCoupler隔离器是基于芯片尺寸变压器的磁耦合器，这是与光耦合器中采用的发光二极管(LED)和光电二极管对比的不同之处。
1.4 独特的iC0upler数字隔离器优势
数据速率和时序特性提高了4倍，连接其它数字器件所需的外部元件最少，集成多个隔离通道和其它功能，可缩小尺寸以降低成本，无需光耦合器所用的LED可提高可靠性，与光耦合器相比，功耗节省高达90％。图2是iC0upler数字隔离器在太阳能系统中的应用示意图。
该图2显示了直流优化器系统中常见的隔离边界，优化器的输出电压串联在一起，构成中央逆变器的高值直流链路电压。每块面板通过一个嵌入隔离电源的隔离式RS—485收发器（如ADM2687E等）传输状态和控制信息。DC/DC栅极驱动器模块可以利用一个四通道数字隔离器AduM1410来驱动，但如上文所述iC0upler数字隔离器技术可以与片内DC/DC转换器集成，为栅极驱动器提供隔离电源。图中还显示了一个储能库，不需要的能源可以储存起来供日后使用。逆变器控制器和储能控制器通过ADM3053实现的隔离式CAN接口相互通信，ADM3053是一款2.5kVrms信号和电源隔离CAN物理层收发器。
1.5 iCoupler隔离技术的应用是系统安全的保障
图2中采用iCoupler数字隔离器ADUM1410，能将高速CMOS与单芯片空芯变压器技术融为一体，具有优于光耦合器等替代器件的出色性能特征。iCoupler器件不用LED和光电二极管，因而不存在一般与光耦合器相关的设计困难。简单的iCoupler数字接口和稳定的性能特征，可消除光耦合器通常具有的电流传输比不确定、非线性传递函数以及温度和使用寿命影响等问题。这些iCoupler产品不需要外部驱动器和其它分立器件。此外，在信号数据速率相当的情况下，iCoupler器件的功耗只有光耦合器的1/10至1/6。其ADUM1410功能框图见图3所示。
从图3可知，ADuM1410是 四通道数字隔离器，可支持多种通道配置和最高达10Mbps的数据速率。所有型号均可采用2.7V至5.5V电源电压工作，与低压系统兼容，并且能够跨越隔离栅实现电压转换功能。使用20m厚的聚酰亚胺隔离层，实现了电子设备等级的隔离度。利用编码/解码方案在隔离层之间传输信号，数据速率高达10Mbps，传输延迟低，可确保不存在输入逻辑转换时及上电/关断条件下的直流正确性。在高压条件下的100％产品测试确保iCoupler产品隔离度，并通过UL认证与CSA元件验收标准。[#page#]
ADUM1410已符合安全和法规认证，即UL 认证：1分钟2500 Vrms，符合UL 1577标准；CSA 元件验收通过#5A；VDE 合格证书；DIN V VDE V 0884-10 (VDE V 0884-10): 2006-12VIORM = 560 V峰值。
由此可知，利用iCoupler数字隔离器，设计师可以摆脱光耦合器的成本、尺寸、功耗、性能和可靠性限制，在设计中实现较理想的隔离性能。此外，除数字信号隔离功能以外，该技术还支持集成隔离电源。在逆变器中，隔离电源可以用来实现完整的隔离栅极驱动器，使它在所有条件下都能以低功耗工作并提供严格的时序特性。所以它是一项低成本、低功耗和便于使用的数字隔离技术，并且是一种适合需要可靠的高电压隔离多通道应用的理想解决方案。它可在通用多通道隔离、SPI接口/数据转换器隔离、 RS-232/RS-422/RS-485 收发器及工业现场总线隔离领域中广泛应用。
2 风电机组中所采用的电缆的性能要求与标准及测试
2.1 问题的提出
风能作为一种成熟技术，正迅速成为最具吸引力的可再生能源。由于风电设施通常选址在可最高效利用风能的恶劣环境，风能使用的电缆面临着一系列的挑战。就现有风机的维护和新建风电场来说，不可避免地要为这些应用选择合适的电缆。例如：风电机舱内部应该使用可连续挠曲的控制和数据电缆；在风电机塔内应该使用可扭转挠曲的电缆。此外，还应考虑耐热、抗磨损、抗油及其它化学物质等要求。电缆选择的复杂性很容易造成决策错误，并导致不必要的死机和代价高昂的维护。由此引出其安全标准及法规，因此技术标准关系到风力发电系统的安全可靠运行问题。值此以用风力发电机的电缆性能要求与标准及测试为重点作研讨。
2.2 风电应用对电缆的要求
一般来说，风场位于特殊气候条件的恶劣环境中，例如，强风、强紫外线和含盐度很高的空气等。因此，风电应用中的电缆性能比其它应用更高。而风机内的运动部件又进一步提高了正确选择电缆的重要性。
据此，风电应用电缆根据其使用场合及功能可分为以下三类：其一、风力发电专用低温柔性动力电缆：主要用于风力发电设备间电能的传输、风力发电所产生的电能的输出；其二、风力发电专用低温柔性仪表电缆：主要用于风力发电系统中的电气控制系统、信号传输系统等；其三、风力发电专用低温柔性拖链电缆：主要用于风力发电系统中往复运转、频繁移动信号、控制等场合。那末上述使用的电缆在风电应用中应满足哪些要求呐？可概括为：
导线
为尽量提高柔曲性，推荐只使用多股数的退火软铜线。在弯曲绕折类应用中，采用短的同心绞线构造；在扭转绕折类应用中，采用长的同心绞线构造。面积大于6mm2(10AWG)的导线要求使用复合绞线结构。
绝缘
为增加低温柔韧性，通常选择热塑性橡胶(TPE)、乙丙橡胶（EPR，一种EPM或EPDM）或硅橡胶(SiR)作为绝缘材料，以抵抗臭氧腐蚀和发热引起的老化。PVC/尼龙绝缘由于具有高电介强度也得到了广泛应用。
护套电缆护套既可以是诸如聚氯乙烯(CPE)，聚氯丁烯（氯丁橡胶）、氯磺化聚乙烯(CSPE)合成橡胶等热固性化合物；也可是类似TPE、TPE-PVC合金和聚亚安酯等热塑性化合物。这些材料都具有抗油、抗燃、耐溶剂腐蚀等能力，并且在低温下具有出色的柔韧性。
2.2 风力发电专用低温柔性电缆与柔性电缆等是有效选择
风力发电专用低温柔性电缆：
它具有优异的耐低温、耐高温、高柔性、抗撕裂、抗扭转等性能，可在-40℃～90℃的环境中保持性能不变，同时能在低温环境中抗撕裂、能承受高落差，-40℃、-30℃条件下分别持续扭转1000次，2000次（每次正负扭转1080度，次/min）的要求，以保证风力发电系统的正常运转。风力发电专用信号电缆还具有优异的屏蔽性能，其屏蔽层采用高编织密度的镀锡铜丝屏蔽，在具有优异屏蔽性能的同时，也可防止恶劣气候造成的腐蚀氧化。风力发电专用动力电缆还具有良好的阻燃、防腐蚀等优点。　
它专门用于风力发电设备，能够满足国内各风场恶劣环境条件要求，产品经国家电线电缆质量监督检验中心检验，符合Q/71301389-9.10-2006《额定电压0.6/1kV及以下风力发电专用低温柔性电缆（电线）》标准的要求。应该说它是风力发电专用低温柔性电缆（动力电缆、仪表电缆、拖链系统电缆）。
新型和柔电缆技术的选用例举：
如今国内外新型和柔电缆技术成熟，产品均通过CE、ROHS、VDE认证，电缆外径小，从而节省电缆安装所需空间满足高质量要求的所有电气和机械安装，柔软、抗油脂和化学物等特性，适用于机床制造、成套设备安装工程、喷漆车间、电站、冷冻设备及办公自动化设备、工业生产线中干燥及潮湿的室内的所有电气安装、特别是在工业使用环境下无应力缓释或强制引导的自由非连续往复运动下的安装及固定敷设使用寿命长、经济实惠性能好、适用更大温度范围、库存充足、规格齐全：控制电缆/拖链电缆/屏蔽电缆/双绞电缆/耐高温电缆/耐油电缆。
用于海上风力发电机的柔性电缆  本实用新型用于海上风力发电机的柔性电缆，属一种电力传输电缆，包括外护套、至少一根软电导体与填充层，软电导体置于外护套的内部，外护套的内侧还设置有绕包层，软电导体的外部还设置有绝缘层和屏蔽层，所述的屏蔽层包括内屏蔽层与外屏蔽层，且绝缘层位于内屏蔽层与外屏蔽层之间；所述的外护套内部还设置有地线导体，地线导体由地线绝缘层包覆；填充层位于外屏蔽层、地线绝缘层与外护套之间。  
该新型的结构简单，更加适合于在海上风力系统使用，且其耐候性强，应用范围广这些电缆用于需要柔性电缆的场合，这个场合是指中等机械应力，并可以在无拉伸应力下自由运动或在力的作用下发生运动的干燥和潮湿的室内环境，它不适用于露天。
•能防止误码或数据丢失时高柔性电缆的应用  目前市场上符合IEEE1394a标准的大多数电缆是为静止的工作环境而设计的，但是一旦应用在运动的环境，这些电缆就无法满足IEEE1394电气标准。而且，当这些电缆被弯曲时，衰减就会大大增加。如戈尔(Gore)型高柔性电缆具有高速串行输入/输出技术，其高柔性电缆组件在弯曲使用过程一直保持着稳定的性能。它是特别为满足机器运动控制和视觉系统的要求而设计的，在弯曲过程中，能防止误码或数据丢失。[#page#]
3 后话
除了上述关系到风光再生能源发电系统安全可靠运行所采用的数字隔离技术与电缆的性能要求与安全标准之外，还值得指出的是还有二个问题：其一、对IGBT与MOSFET大功率器件实行保护的门驱动光耦与隔离放大器的应用；其二、电缆的性能的测试。它们对确保系统安全可靠运行是起到相互相辅乃至相得益彰的作用。为此作如下说明。
3.1 用于IGBT与MOSFET保护的门驱动光耦与隔离放大器应用例举
对于太阳能与风能发电系统（见图4所示）或电机驱动等大功率逆变产品而言，保护其大功率IGBT与MOSFET管的功能是确保功率转换操作安全可靠的重要因素，因为也涉及风光发电系统安全可靠运行问题。
图4所示太阳能与风能发电系统示意图中，逆变器安全可靠与所构建的IGBT与MOSFET等各种功率器件安全保护息息相关，即必须以避免环境导致的损害，如：短路、过载、密勒电容引起的寄生电流、关断过程引起的高压击穿、欠压等。如何解决？则用于IGBT与MOSFET保护的门驱动光耦与隔离放大器的应用是有效措施。值此作应用例举。
如风力发电机系统中ACPL-K342／ACPL-H342型的选用，它包含一个AIGaAs LED，它与一个功率输出级集成电路进行了光电耦合。该光电耦合器可完美适用于功率逆变器（见图4中IC1）应用中驱动功率IGBT和MOSFET。又如ACPL-C79B／C79A/C790隔离放大器选用，它是专门面可再生能源系统中电子功率变频器（见图4中IC1）其电流和电压感应的应用而设计。
如太阳能发电机系统中ACPL-332J智能型门驱动隔离开关的选用（它于图4 IC2逆变器之中）可令IGBT的VCE故障保护功能变得紧凑便宜且易于执行。对于IGBT的集成VCE检测、自动故障恢复、欠压锁死保护(UVLO)、“软”IGBT关断、隔离集电极开路输出故障反馈与有源密勒箝位等特性则ACPL-332J智能型门驱动隔离开关可提供强大的设计灵活性与电路保护功能。
3.2 电缆测试是质量保证的重要措施
应当注意，电缆结构也是电缆柔韧性的决定性因素。采用平衡结构的对称导线设计通常具有高柔韧性。即使电缆制造时遵循这些—般规则，仍建议进行完全的测试，以仿真“实际”应用。最终用户采用的一般测试方法有二：其一、单根电绕在低温(-40℃)下的扭转应力测试；其二、 一束电缆的扭转应力测试，测试程序与单根电缆相同，只是换成了电缆束。