直流電能計量應(yīng)用

　　為什么直流電能計量很重要?

　　21世紀，世界各國政府都在制定行動計劃，以應(yīng)對長期復(fù)雜的減少CO2排放的挑戰(zhàn)。CO2排放已證實是造成氣候變化嚴重后果的原因，同時對新型高效能源轉(zhuǎn)換技術(shù)和改進電池化學組成的需求也在迅速增長。

　　包括可再生和不可再生能源在內(nèi)，僅去年一年，世界人口就消耗了近18萬億千瓦時，而這一需求還在繼續(xù)增長;事實上，在過去的15年里，消耗了超過一半的現(xiàn)有能源。

　　為此，我們的電網(wǎng)和發(fā)電機還在不斷地增長;如今，對更高效、更環(huán)保的能源的需求與日俱增。由于更容易使用，早期的電網(wǎng)開發(fā)人員使用交流電(ac)向世界供電，但在許多地區(qū)，直流電(dc)可顯著提高效率。

　　在基于寬帶隙半導體(例如GaN和SiC器件)的高效經(jīng)濟型功率轉(zhuǎn)換技術(shù)發(fā)展的推動下，許多應(yīng)用現(xiàn)在都看到了轉(zhuǎn)換為直流電能的好處。因此，精確的直流電能計量變得越來越重要，特別是涉及到電能計費的地方。本文將討論直流計量在電動汽車充電站、可再生能源發(fā)電、服務(wù)器場、微電網(wǎng)和點對點能源共享方面的發(fā)展機會，并介紹一種直流電表設(shè)計。

　　直流電能計量應(yīng)用

　　電動汽車直流充電站

　　預(yù)計到2018年1，插電式電動汽車(EV)的復(fù)合年均增長率為+70%，并且預(yù)計2017至2024年將以+25%的復(fù)合年均增長率增長。2充電站市場從2018至2023年將以41.8%的復(fù)合年均增長率增長。3然而，為了加速減少私人交通造成的二氧化碳排放，電動汽車需求成為汽車市場的首選。

　　近年來，人們在提高電池容量和使用壽命方面做了大量工作，但同時必須提供廣泛的電動汽車充電網(wǎng)絡(luò)，這樣才能無需擔心行駛里程或充電時間問題，從容實現(xiàn)長途旅行。許多能源供應(yīng)商和私營企業(yè)都在部署高達150 kW的快速充電器，并且每個充電樁功率高達500 kW的超快充電器也引發(fā)了公眾的興趣?？紤]到局部充電峰值功率高達兆瓦的超快充電站和相關(guān)的快速充電能源溢價率，電動汽車充電將成為一個巨大的電能交換市場，隨之需要進行準確的電能計費。

　　目前，標準電動汽車充電器在交流側(cè)計量，缺點是無法測量交流-直流轉(zhuǎn)換過程中損失的電能，因此，對最終客戶來說，計費不準確。自2019年以來，新的歐盟法規(guī)要求能源供應(yīng)商只能向客戶收取傳輸?shù)诫妱悠嚨碾娔苜M用，使得電源轉(zhuǎn)換和分配損失都由能源供應(yīng)商來承擔。

　　雖然先進的SiC電動汽車轉(zhuǎn)換器可達到97%以上的效率，但快速和超快充電器直接連接到汽車電池時，電能以直流方式傳輸，在這種情況下，顯然需要在直流側(cè)實現(xiàn)準確計費。除了涉及電動汽車充電計量公共利益外，私人和住宅點對點電動汽車充電計劃可能對于直流側(cè)進行精確的電能計費具有更大的激勵作用。

圖1.未來電動汽車充電站的直流電能計量

圖2.可持續(xù)微電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的直流電能計量

　　直流配電—微電網(wǎng)

　　什么是微電網(wǎng)?從本質(zhì)上講，微電網(wǎng)是更小版本的公用電力系統(tǒng)。因此，需要安全、可靠、高效的電源。醫(yī)院、軍事基地都可能使用微電網(wǎng)，微電網(wǎng)甚至會作為公用系統(tǒng)的一部分，其中可再生能源發(fā)電、燃料發(fā)電機和儲能共同作用形成一個可靠的能源分配系統(tǒng)。

　　樓宇建筑中也會使用微電網(wǎng)。隨著可再生能源發(fā)電機的廣泛使用，建筑物甚至可以自行供電，屋頂太陽能電池板和小型風力渦輪機產(chǎn)生的電能足夠使用，獨立運行但仍提供公共電網(wǎng)支持。

　　此外，建筑物多達50%的電力負載是直流電。目前，每臺電子設(shè)備都必須將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，在這個過程中會損失高達20%的電能，與傳統(tǒng)交流配電相比，估計總能耗可節(jié)省多達28%。4

　　在部署直流電的建筑物中，可以通過將交流電一次轉(zhuǎn)換為直流電，并將直流電直接饋入所需設(shè)備(如LED燈和電腦)來降低能耗。

　　隨著大家對直流微電網(wǎng)日益關(guān)注，對標準化的需求也在增加。

　　IEC 62053-41是一個即將推出的標準，將規(guī)定住宅直流系統(tǒng)和封閉式電表(類似于直流電能計量的等效交流計量)的要求和標稱水平。

　　截止2017年5，直流微電網(wǎng)領(lǐng)域價值約為70億美元，并且隨著新興直流配電的發(fā)展趨勢將會進一步增長。

　　直流供電數(shù)據(jù)中心

　　數(shù)據(jù)中心運營商正在積極考慮使用不同的技術(shù)和解決方案來提高設(shè)施的電力效率，因為電力是其最大的成本之一。

　　數(shù)據(jù)中心運營商看到了直流配電的相關(guān)好處，不僅可減少交流和直流之間需要進行的最少轉(zhuǎn)換次數(shù)，而且與可再生能源的整合也更輕松、更高效。轉(zhuǎn)換級數(shù)的減少按下式估計：

　　? 節(jié)能5%至25%：提高傳輸和轉(zhuǎn)換效率，并減少熱量產(chǎn)生

　　? 雙倍可靠性和可用性

　　? 占地面積減少33%

圖3.與傳統(tǒng)交流配電相比，數(shù)據(jù)中心直流供電需要的組件更少，損耗也更低

圖4.直流供電數(shù)據(jù)中心的可再生能源整合

　　配電總線電壓范圍高達380 VDC左右，由于許多運營商開始采用按用電量向托管客戶收費的測量方法，因此精確的直流電能計量越來越倍受關(guān)注。

　　向托管客戶收取電費的兩種常用方式：

　　? 每次(每個出口固定費用)

　　? 消耗的電能(計量出口—對所消耗的每千瓦時收取電費)

　　為了鼓勵提高電源效率，計量輸出方法越來越受歡迎，客戶定價涉及以下幾部分：

　　經(jīng)常性費用 = 空間費用 +(IT設(shè)備抄表 × PUE)

　　? 空間費用：固定，包括安全保障和所有建筑物運營成本

　　? IT設(shè)備抄表：IT設(shè)備消耗的千瓦時數(shù)乘以電能成本

　　? 電源使用效率(PUE)：考慮IT背后基礎(chǔ)設(shè)施的效率，例如散熱冷卻

　　一個典型的現(xiàn)代機架會消耗高達40 kW的直流電。因此，需要使用計費級直流電表來監(jiān)測高達100 A的電流。

　　精密直流電能計量挑戰(zhàn)

　　20世紀初，傳統(tǒng)交流電表完全是機電式。使用電壓和電流線圈的組合在旋轉(zhuǎn)鋁盤中感應(yīng)渦流。鋁盤上產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩與電壓和電流線圈產(chǎn)生的磁通量的乘積成正比。最后，在鋁盤上添加一個破碎磁鐵，使轉(zhuǎn)速與負載消耗的實際功率成正比。此時，只需計算一段時間內(nèi)的旋轉(zhuǎn)次數(shù)即可計量耗電量。

　　現(xiàn)代交流電表則更復(fù)雜，也更準確，并可防止竊電?，F(xiàn)在，先進的智能電表甚至可以監(jiān)測其絕對精度，并且安裝在現(xiàn)場時可全天候檢測是否存在竊電跡象。ADI公司的ADE9153B 計量IC就具有此功能，它采用mSure?技術(shù)。

　　無論是現(xiàn)代電表、傳統(tǒng)電表、交流電表還是直流電表，都是根據(jù)其每千瓦時脈沖常數(shù)和百分比等級精度進行分類的。每千瓦時脈沖數(shù)表示電能更新率，即分辨率。等級精度表示電能的最大計量誤差。

　　與老式機械電表類似，給定時間間隔內(nèi)的電能也是通過計算這些脈沖數(shù)進行計量;脈沖頻率越高，瞬時功率也越高，反之亦然。

　　直流電表架構(gòu)

　　直流電表的基本架構(gòu)如圖5所示。要測量負載所消耗的功率(P = V × I)，至少需要一個電流傳感器和一個電壓傳感器。當?shù)碗妷簜?cè)為地電位時，流過電表的電流通常在高電壓側(cè)測量，以便盡量減少未計量漏電的風險，但電流也可在低電壓側(cè)測量，如果設(shè)計架構(gòu)需要，也可以在兩側(cè)測量。通常使用測量和比較負載兩側(cè)電流的技術(shù)，使電表具有故障和竊電檢測能力。但是，在測量兩側(cè)的電流時，至少需要隔離一個電流傳感器，以便處理導體間的高電位。

　　電壓測量

　　電壓通常用電阻分壓器來測量，其中使用階梯電阻將電位以一定比例降低到與系統(tǒng)ADC輸入兼容的電平。

　　由于輸入信號的幅度很大，使用標準組件可輕松實現(xiàn)精確的電壓測量。但是，必須注意所選組件的溫度系數(shù)和電壓系數(shù)，以確保在整個溫度范圍內(nèi)具有所需的精度。

　　如前所述，用于電動汽車充電站等應(yīng)用的直流電表有時需要專門對傳輸?shù)杰囕v的電能計費。為了滿足測量要求，電動汽車充電器的直流電表可能需要有多個電壓通道，使電表也能在車輛的入口點檢測電壓(4線測量)。采用4線配置的直流電能計量方式，就可以將充電樁和電纜的所有電阻損耗從總電能賬單中扣除。

圖5.直流電表系統(tǒng)架構(gòu)

　　直流電能計量的電流測量

　　電流可通過直接連接測量，也可通過感應(yīng)電荷載體流動所產(chǎn)生的磁場來間接測量。下一節(jié)將討論最常用的直流電流測量傳感器。

　　分流電阻

　　直接連接電流檢測是一種成熟可靠的交流和直流電流測量方法。電流流過一個已知阻值的分流電阻。根據(jù)歐姆定律(V = R × I)，分流電阻兩端的壓降與流經(jīng)電阻的電流成正比，將壓降放大和進行數(shù)字化處理，就可以精確地得出電路中的電流。

　　分流電阻檢測是適合測量mA至kA電流的準確高效的低成本方法，理論上具有無限的帶寬。但是，這種方法有一些缺點。

　　當電流流過電阻時，產(chǎn)生的焦耳熱與電流的平方成比例。這不僅會造成效率損失，而且自熱效應(yīng)還會影響分流電阻值，從而導致精度下降。為了限制自熱效應(yīng)，可使用低值電阻。但是，使用小電阻時，通過傳感元件的電壓也很小，有時會與系統(tǒng)的直流偏移相當。在這些情況下，要在動態(tài)范圍的低端實現(xiàn)所需精度并不容易?？墒褂镁哂谐椭绷髌坪统蜏仄南冗M模擬前端，來克服低值分流電阻的限制。但是，由于運算放大器具有恒定增益-帶寬乘積，高增益將會限制可用帶寬。

　　低值電流檢測分流器通常由特定的金屬合金制成，如錳銅或鎳鉻，這些金屬合金可以抵消其各成分的反向溫度漂移，從而導致總漂移約為數(shù)十ppm/°C。

　　直接連接直流測量中的另一個誤差因素是熱電動勢(EMF)現(xiàn)象，也稱為塞貝克效應(yīng)。在塞貝克效應(yīng)這種現(xiàn)象中，在形成結(jié)的至少兩個不同電導體或半導體之間的溫差會在兩者之間產(chǎn)生電位差。塞貝克效應(yīng)是一種眾所周知的現(xiàn)象，廣泛用于檢測熱電偶的溫度。

　　在4線連接的分流器中，焦耳熱會在電阻合金元件的中心形成，與銅傳感導線一起傳播，銅傳感導線可能連接到PCB(或其他介質(zhì))，也可能有不同的溫度。

　　傳感電路將形成不同材料的對稱分布;因此，將大致抵消正負極傳感導線上的結(jié)電勢。但是，熱容量的任何差異，如連接到更大銅塊(接地層)的負極傳感導線，會導致溫度分布不匹配，從而產(chǎn)生由熱電動勢效應(yīng)引起的測量誤差。

　　因此，必須注意分流器的連接和所產(chǎn)生熱量的分布情況。

圖6.由溫度梯度引起的分流器中的熱電動勢。

　　磁場感應(yīng)—間接電流測量

　　開環(huán)霍爾效應(yīng)

　　傳感器由一個高磁導率環(huán)構(gòu)成，感應(yīng)電流導線通過該環(huán)。這會將被測導體周圍的磁力線集中到一個霍爾效應(yīng)傳感器上，該傳感器插在磁芯的橫截面內(nèi)。該傳感器的輸出經(jīng)過預(yù)先處理，通常有不同的配置可供選擇。最常見的有：0 V至5 V、4 mA至20 mA或數(shù)字接口。以相對低成本提供隔離和高電流范圍的同時，絕對精度通常不低于1%。

　　閉環(huán)霍爾效應(yīng)

　　由電流放大器驅(qū)動的磁通磁芯上的多匝次級繞組提供負反饋，以實現(xiàn)總磁通量為零的情況。通過測量補償電流，線性度得到了提高，不存在磁芯磁滯，總體上具有出色的溫漂，并且精度比開環(huán)解決方案更高。典型誤差范圍下降到0.5%，但是額外的補償電路使傳感器成本更高，有時帶寬也受到限制。

　　磁通門

　　是一個復(fù)雜的開環(huán)或閉環(huán)系統(tǒng)，通過監(jiān)測有意飽和磁芯的磁通量變化來測量電流。線圈繞在高磁導率鐵磁芯上，磁芯由對稱方波電壓驅(qū)動的二次線圈有意飽和。每當磁芯接近正負飽和時，線圈的電感就會崩潰，其電流變化率也會增加。線圈的電流波形保持對稱，除非外加一個外部磁場，這樣波形就會變得不對稱。通過測量這種不對稱性的大小，就可以估算出外部磁場的強度，以及由此產(chǎn)生的電流。它可以提供良好的溫度穩(wěn)定性和0.1%的精度。但是，傳感器中復(fù)雜的電子器件使其成為一種昂貴的解決方案，其價格比其他隔離式解決方案高10倍。

圖7.基于通量集中器和磁性傳感器的開環(huán)電流傳感器

圖8.閉環(huán)電流傳感器的工作原理示例

　　直流電能計量：要求和標準化

　　雖然與現(xiàn)有交流計量標準生態(tài)系統(tǒng)相比，直流電能計量的標準化似乎不難實現(xiàn)，但行業(yè)利益相關(guān)者仍在討論不同應(yīng)用的要求，這就需要更多的時間來敲定直流計量的具體細節(jié)。

　　IEC正在制定IEC 62053-41，以定義精度等級為0.5%和1%的有功電能直流靜電電表的具體要求。

　　該標準提出了一個標稱電壓和電流的范圍，并對電表的電壓和電流通道的最大功耗進行了限制。此外，與交流計量要求一樣，定義了動態(tài)范圍內(nèi)的具體精度，以及空載條件下的電流閾值。

　　草案中對系統(tǒng)帶寬沒有具體要求，但要求成功完成快速負載變化測試，并對系統(tǒng)最小帶寬定義了隱含要求。

　　電動汽車充電應(yīng)用中的直流計量有時符合德國標準VDE-AR-E 2418或舊鐵路標準EN 50463-2。根據(jù)EN 50463-2，對每個傳感器都指定了精度，組合電能誤差是電壓、電流和計算誤差的正交和：

　　表1.根據(jù)EN 50463-2標準確定的最大電流誤差百分比

　　表2.根據(jù)EN 50463-2標準確定的最大電壓誤差百分比

　　ADI公司是精密傳感技術(shù)的行業(yè)領(lǐng)導者，為精密電流和電壓測量提供完整信號鏈，以滿足嚴格的標準要求。下一節(jié)將介紹符合即將推出的專用標準IEC 62053-41要求的直流電表的概念驗證。

　　考慮到微電網(wǎng)和數(shù)據(jù)中心計費級直流電能計量的空間，我們可以假設(shè)表3中所示的需求。

　　表3.直流電表規(guī)格—概念驗證

　　商用75 μΩ分流器將會使功耗保持在0.5 W以下。

圖9.直流電表系統(tǒng)架構(gòu)

　　但是，在75 μΩ分流器上，80 A標稱電流的1%會產(chǎn)生60 μV的小信號，需要使用在亞微伏的失調(diào)漂移性能范圍內(nèi)的信號鏈。

　　ADA4528的最大失調(diào)電壓為2.5 μV，最大失調(diào)電壓漂移為0.015 μV/°C，非常適合為小分流信號提供超低漂移、100 V/V放大。因此，同步采樣、24位ADC AD7779可直接連接到放大級，具有5 nV/°C輸入?yún)⒖际д{(diào)漂移量。

圖10.概念驗證—原型制作

　　通過直接與AD7779 ADC輸入端相連的1000:1比率的電阻電位分壓器，可以精確測量高直流電壓。

　　最后，利用微控制器實現(xiàn)簡單的逐樣本、中斷驅(qū)動計量功能，其中對于每個ADC樣本，中斷例程為：

　　? 讀取電壓和電流樣本

　　? 計算瞬時功率(P = I × V)

　　? 在電能累加器中累加瞬時功率

　　? 檢查電能累加器是否超過電能閾值以產(chǎn)生電能脈沖，并清除電能累加寄存器

　　此外，除了計量功能，微控制器還支持系統(tǒng)級接口，如RS-485、LCD顯示和按鈕。

　　參考資料

　　1 Tom Turrentine、Scott Hardman和Dahlia Garas?！耙龑щ妱悠囅蚩沙掷m(xù)發(fā)展過渡?！眹铱沙掷m(xù)交通中心，加州大學戴維斯分校，2018年7月。

　　2 “按類型(純電動汽車、混合動力電動汽車、插電式混合動力電動汽車)、車輛類型(兩輪車、客車、商務(wù)車)和地區(qū)劃分的全球電動汽車市場報告—行業(yè)趨勢、規(guī)模、份額、增長、估計和預(yù)測，2017-2024?！盫alue Market Research。

　　3 按充電站(交流充電站、直流充電站)、安裝類型(住宅、商業(yè))和地區(qū)(北美、歐洲、亞太地區(qū)和世界其它地區(qū))劃分的電動汽車充電站市場—到2023年的全球預(yù)測。Research and Markets，2018年4月。

　　4 Venkata Anand Prabhala、Bhanu Prashant Baddipadiga、Poria Fajri和Mehdi Ferdowsi?！爸绷髋潆娤到y(tǒng)架構(gòu)及優(yōu)勢概述?！盡DPI，2018年9月。

　　5 “按類型(交流微電網(wǎng)、直流微電網(wǎng)、混合)、連接(并網(wǎng)、遠程/孤島)、產(chǎn)品(硬件、服務(wù)、軟件)、電源(天然氣、太陽能、燃料電池、熱電聯(lián)產(chǎn)、柴油等)、應(yīng)用(醫(yī)療健康、工業(yè)、軍事、公用電力事業(yè)和教育機構(gòu))、地區(qū)(北美、歐洲、亞太地區(qū)、南美以及中東和非洲地區(qū))劃分的全球微電網(wǎng)市場、全球行業(yè)分析、市場規(guī)模、份額、增長、趨勢和預(yù)測，2018-2025?！盧esearchstore.biz。

　　作者簡介

　　Luca Martini于2016年獲得意大利博洛尼亞大學能源電子及通信工程碩士學位。在攻讀碩士學位期間，他在德國紐倫堡弗勞恩霍夫集成電路研究所(Fraunhofer IIS)工作了7個月，開發(fā)了用于表征壓電能量收集器的精密實時控制系統(tǒng)。從2006至2016年，Luca從事生物醫(yī)學領(lǐng)域的系統(tǒng)和硬件開發(fā)工作。2016年，Luca加入英國愛丁堡ADI公司的能源和工業(yè)系統(tǒng)事業(yè)部。

（轉(zhuǎn)載）