1 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。虽然从技术角度来讲，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。

（1）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１４００km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８００kv，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，因而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。而其用于风电应用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内容。

（2）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。正因为如此，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不稳定的问题，则需用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。

2　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在于以下几个方面.

（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，以及兼有前两种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。

（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证障是应用变压器、耦合电容器、光耦合器作为隔离电路。然而此技术却存在明显不足之外，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）应用中使用受限。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。

（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口的发展，使逆变器并网发电系统安全证障技术有了突破，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，图1为新型隔离器安全应用基本示意图。

而在独特的隔离技术中，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。

（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即可提高可靠性，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。

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。

（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，该设备能将高速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２．７~５．５Ｖ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。

ＡＤＵＭ１４１０已符合安全和法规认证，即ＵＬ认证：１min２５００Ｖｒｍｓ，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＝５６０Ｖ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进行应用。

3 风电机组中所采用的电缆的性能要求与标准及测试

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。

3．1 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为优越。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，风电应用电缆以根据其使用场合及功能可分为以下三类：第一，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；第二，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；第三，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。上述使用的电缆在风电应用中应满足的要求为：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，采用短的同芯绞线构造；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、抗燃料、耐溶剂腐蚀等能力，并且在低温下具有出色的柔韧性。

3．2 风力发电专用低温柔性电缆与和柔电缆等是有效选择

（1）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℃，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）。

（2）新型和柔电缆技术的选用举例

1）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、规格齐全如下： 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。

2）用于海上风力发电机的柔性电缆

该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，所描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，它不适用于露天环境。

3）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者稳定的性能。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。

4　结束语

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。

（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（如图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为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。其解决办法是用于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。

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３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３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（它置于图３　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。

（2）电缆测试是质量保证的重要措施

这里应当注意的是，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。最终用户采用的般测试方法有两种：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，只是换成厂电缆束。