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(dòng)計劃，以應對長(cháng)期復雜的減少CO2排放的挑戰。CO2排放已證實(shí)是造成氣候變化嚴重后果的原因，同時(shí)對新型高效能源轉換技術(shù)和改進(jìn)電池化學(xué)組成的需求也在迅速增長(cháng)。

 

包括可再生和不可再生能源在內，僅去年一年，世界人口就消耗了近18萬(wàn)億千瓦時(shí)，而這一需求還在繼續增長(cháng)；事實(shí)上，在過(guò)去的15年里，消耗了超過(guò)一半的現有能源。

 

為此，我們的電網(wǎng)和發(fā)電機還在不斷地增長(cháng)；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(kāi)發(fā)人員使用交流電(ac)向世界供電，但在許多地區，直流電(dc)可顯著(zhù)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)濟型功率轉換技術(shù)發(fā)展的推動(dòng)下，許多應用現在都看到了轉換為直流電能的好處。因此，精確的直流電能計量變得越來(lái)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(dòng)汽車(chē)充電站、可再生能源發(fā)電、服務(wù)器場(chǎng)、微電網(wǎng)和點(diǎn)對點(diǎn)能源共享方面的發(fā)展機會(huì )，并介紹一種直流電表設計。

 

直流電能計量應用

 

電動(dòng)汽車(chē)直流充電站

 

預計到2018年¹，插電式電動(dòng)汽車(chē)(EV)的復合年均增長(cháng)率為+70%，并且預計2017至2024年將以+25%的復合年均增長(cháng)率增長(cháng)。²充電站市場(chǎng)從2018至2023年將以41.8%的復合年均增長(cháng)率增長(cháng)。³然而，為了加速減少私人交通造成的二氧化碳排放，電動(dòng)汽車(chē)需求成為汽車(chē)市場(chǎng)的首選。

 

近年來(lái)，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(shí)必須提供廣泛的電動(dòng)汽車(chē)充電網(wǎng)絡(luò )，這樣才能無(wú)需擔心行駛里程或充電時(shí)間問(wèn)題，從容實(shí)現長(cháng)途旅行。許多能源供應商和私營(yíng)企業(yè)都在部署高達150 kW的快速充電器，并且每個(gè)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(jià)率，電動(dòng)汽車(chē)充電將成為一個(gè)巨大的電能交換市場(chǎng)，隨之需要進(jìn)行準確的電能計費。

 

目前，標準電動(dòng)汽車(chē)充電器在交流側計量，缺點(diǎn)是無(wú)法測量交流-直流轉換過(guò)程中損失的電能，因此，對最終客戶(hù)來(lái)說(shuō)，計費不準確。自2019年以來(lái)，新的歐盟法規要求能源供應商只能向客戶(hù)收取傳輸到電動(dòng)汽車(chē)的電能費用，使得電源轉換和分配損失都由能源供應商來(lái)承擔。

 

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

 

圖1. 未來(lái)電動(dòng)汽車(chē)充電站的直流電能計量。

 

圖2. 可持續微電網(wǎng)基礎設施的直流電能計量。

 

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。因此，需要安全、可靠、高效的電源。醫院、軍事基地都可能使用微電網(wǎng)，微電網(wǎng)甚至會(huì )作為公用系統的一部分，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(gè)可靠的能源分配系統。

 

樓宇建筑中也會(huì )使用微電網(wǎng)。隨著(zhù)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(yáng)能電池板和小型風(fēng)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，每臺電子設備都必須將交流電轉換為直流電，在這個(gè)過(guò)程中會(huì )損失高達20%的電能，與傳統交流配電相比，估計總能耗可節省多達28%。⁴

 

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

 

隨著(zhù)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(gè)即將推出的標準，將規定住宅直流系統和封閉式電表（類(lèi)似于直流電能計量的等效交流計量）的要求和標稱(chēng)水平。

 

截止2017年⁵，直流微電網(wǎng)領(lǐng)域價(jià)值約為70億美元，并且隨著(zhù)新興直流配電的發(fā)展趨勢將會(huì )進(jìn)一步增長(cháng)。

 

直流供電數據中心
 

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

 

數據中心運營(yíng)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(jìn)行的最少轉換次數，而且與可再生能源的整合也更輕松、更高效。轉換級數的減少按下式估計：

 

●     節能5%至25%：提高傳輸和轉換效率，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. 與傳統交流配電相比，數據中心直流供電需要的組件更少，損耗也更低。 

 

圖4. 直流供電數據中心的可再生能源整合

 

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

 

向托管客戶(hù)收取電費的兩種常用方式：

 

●     每次（每個(gè)出口固定費用）

●     消耗的電能（計量出口—對所消耗的每千瓦時(shí)收取電費）

 

為了鼓勵提高電源效率，計量輸出方法越來(lái)越受歡迎，客戶(hù)定價(jià)涉及以下幾部分：

 

經(jīng)常性費用 = 空間費用 +（IT設備抄表 × PUE）

 

●     空間費用：固定，包括安全保障和所有建筑物運營(yíng)成本

●     IT設備抄表：IT設備消耗的千瓦時(shí)數乘以電能成本

●     電源使用效率(PUE)：考慮IT背后基礎設施的效率，例如散熱冷卻

 

一個(gè)典型的現代機架會(huì )消耗高達40 kW的直流電。因此，需要使用計費級直流電表來(lái)監測高達100 A的電流。

 

精密直流電能計量挑戰

 

20世紀初，傳統交流電表完全是機電式。使用電壓和電流線(xiàn)圈的組合在旋轉鋁盤(pán)中感應渦流。鋁盤(pán)上產(chǎn)生的轉矩與電壓和電流線(xiàn)圈產(chǎn)生的磁通量的乘積成正比。最后，在鋁盤(pán)上添加一個(gè)破碎磁鐵，使轉速與負載消耗的實(shí)際功率成正比。此時(shí)，只需計算一段時(shí)間內的旋轉次數即可計量耗電量。

 

現代交流電表則更復雜，也更準確，并可防止竊電?，F在，先進(jìn)的智能電表甚至可以監測其絕對精度，并且安裝在現場(chǎng)時(shí)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(wú)論是現代電表、傳統電表、交流電表還是直流電表，都是根據其每千瓦時(shí)脈沖常數和百分比等級精度進(jìn)行分類(lèi)的。每千瓦時(shí)脈沖數表示電能更新率，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(lèi)似，給定時(shí)間間隔內的電能也是通過(guò)計算這些脈沖數進(jìn)行計量；脈沖頻率越高，瞬時(shí)功率也越高，反之亦然。

 

直流電表架構

 

直流電表的基本架構如圖5所示。要測量負載所消耗的功率(P = V × I)，至少需要一個(gè)電流傳感器和一個(gè)電壓傳感器。當低電壓側為地電位時(shí)，流過(guò)電表的電流通常在高電壓側測量，以便盡量減少未計量漏電的風(fēng)險，但電流也可在低電壓側測量，如果設計架構需要，也可以在兩側測量。通常使用測量和比較負載兩側電流的技術(shù)，使電表具有故障和竊電檢測能力。但是，在測量?jì)蓚鹊碾娏鲿r(shí)，至少需要隔離一個(gè)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(lái)測量，其中使用階梯電阻將電位以一定比例降低到與系統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(shí)現精確的電壓測量。但是，必須注意所選組件的溫度系數和電壓系數，以確保在整個(gè)溫度范圍內具有所需的精度。

 

如前所述，用于電動(dòng)汽車(chē)充電站等應用的直流電表有時(shí)需要專(zhuān)門(mén)對傳輸到車(chē)輛的電能計費。為了滿(mǎn)足測量要求，電動(dòng)汽車(chē)充電器的直流電表可能需要有多個(gè)電壓通道，使電表也能在車(chē)輛的入口點(diǎn)檢測電壓（4線(xiàn)測量）。采用4線(xiàn)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. 直流電表系統架構。

 

直流電能計量的電流測量

 

電流可通過(guò)直接連接測量，也可通過(guò)感應電荷載體流動(dòng)所產(chǎn)生的磁場(chǎng)來(lái)間接測量。下一節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(guò)一個(gè)已知阻值的分流電阻。根據歐姆定律(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(jìn)行數字化處理，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(wú)限的帶寬。但是，這種方法有一些缺點(diǎn)。

 

當電流流過(guò)電阻時(shí)，產(chǎn)生的焦耳熱與電流的平方成比例。這不僅會(huì )造成效率損失，而且自熱效應還會(huì )影響分流電阻值，從而導致精度下降。為了限制自熱效應，可使用低值電阻。但是，使用小電阻時(shí)，通過(guò)傳感元件的電壓也很小，有時(shí)會(huì )與系統的直流偏移相當。在這些情況下，要在動(dòng)態(tài)范圍的低端實(shí)現所需精度并不容易?？墒褂镁哂谐椭绷髌坪统蜏仄南冗M(jìn)模擬前端，來(lái)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(huì )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十ppm/°C。

 

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

 

在4線(xiàn)連接的分流器中，焦耳熱會(huì )在電阻合金元件的中心形成，與銅傳感導線(xiàn)一起傳播，銅傳感導線(xiàn)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(chēng)分布；因此，將大致抵消正負極傳感導線(xiàn)上的結電勢。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(xiàn)，會(huì )導致溫度分布不匹配，從而產(chǎn)生由熱電動(dòng)勢效應引起的測量誤差。

 

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(dòng)勢。

 

磁場(chǎng)感應—間接電流測量

 

開(kāi)環(huán)霍爾效應

 

傳感器由一個(gè)高磁導率環(huán)構成，感應電流導線(xiàn)通過(guò)該環(huán)。這會(huì )將被測導體周?chē)拇帕€(xiàn)集中到一個(gè)霍爾效應傳感器上，該傳感器插在磁芯的橫截面內。該傳感器的輸出經(jīng)過(guò)預先處理，通常有不同的配置可供選擇。最常見(jiàn)的有：0 V至5 V、4 mA至20 mA或數字接口。以相對低成本提供隔離和高電流范圍的同時(shí)，絕對精度通常不低于1%。

 

閉環(huán)霍爾效應

 

由電流放大器驅動(dòng)的磁通磁芯上的多匝次級繞組提供負反饋，以實(shí)現總磁通量為零的情況。通過(guò)測量補償電流，線(xiàn)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(kāi)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(shí)帶寬也受到限制。

 

磁通門(mén)

 

是一個(gè)復雜的開(kāi)環(huán)或閉環(huán)系統，通過(guò)監測有意飽和磁芯的磁通量變化來(lái)測量電流。線(xiàn)圈繞在高磁導率鐵磁芯上，磁芯由對稱(chēng)方波電壓驅動(dòng)的二次線(xiàn)圈有意飽和。每當磁芯接近正負飽和時(shí)，線(xiàn)圈的電感就會(huì )崩潰，其電流變化率也會(huì )增加。線(xiàn)圈的電流波形保持對稱(chēng)，除非外加一個(gè)外部磁場(chǎng)，這樣波形就會(huì )變得不對稱(chēng)。通過(guò)測量這種不對稱(chēng)性的大小，就可以估算出外部磁場(chǎng)的強度，以及由此產(chǎn)生的電流。它可以提供良好的溫度穩定性和0.1%的精度。但是，傳感器中復雜的電子器件使其成為一種昂貴的解決方案，其價(jià)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(kāi)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

 

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

 

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(gè)標稱(chēng)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(jìn)行了限制。此外，與交流計量要求一樣，定義了動(dòng)態(tài)范圍內的具體精度，以及空載條件下的電流閾值。

 

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

 

電動(dòng)汽車(chē)充電應用中的直流計量有時(shí)符合德國標準VDE-AR-E 2418或舊鐵路標準EN 50463-2。根據EN 50463-2，對每個(gè)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EN 50463-2標準確定的最大電流誤差百分比

 

表2. 根據EN 50463-2標準確定的最大電壓誤差百分比

 

結語(yǔ)：符合概念驗證標準的直流電表

 

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(mǎn)足嚴格的標準要求。下一節將介紹符合即將推出的專(zhuān)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)和數據中心計費級直流電能計量的空間，我們可以假設表3中所示的需求。

 

表3. 直流電表規格—概念驗證

使用低值和低電動(dòng)勢分流器可以實(shí)現準確的低成本電流檢測(<1 μVEMF/°C)。采用低值分流電阻對于減少自熱效應并使功率電平低于標準要求的限值至關(guān)重要。

 

商用75 μΩ分流器將會(huì )使功耗保持在0.5 W以下

 

圖9. 直流電表系統架構。 

 

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

 

ADA4528的最大失調電壓為2.5 μV，最大失調電壓漂移為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輸入參考失調漂移量。

 

通過(guò)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(shí)現簡(jiǎn)單的逐樣本、中斷驅動(dòng)計量功能，其中對于每個(gè)ADC樣本，中斷例程為：

 

●     讀取電壓和電流樣本

●     計算瞬時(shí)功率(P = I × V)

●     在電能累加器中累加瞬時(shí)功率

●     檢查電能累加器是否超過(guò)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級接口，如RS-485、LCD顯示和按鈕。

 

圖10. 概念驗證—原型制作。

 

參考電路

 

¹ Tom Turrentine, Scott Hardman, and Dahlia Garas. "引導電動(dòng)汽車(chē)向可持續發(fā)展過(guò)渡。" 國家可持續交通中心，加州大學(xué)戴維斯分校，2018年7月。

 

² "按類(lèi)型（純電動(dòng)汽車(chē)、混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)、插電式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)）、車(chē)輛類(lèi)型（兩輪車(chē)、客車(chē)、商務(wù)車(chē)）和地區劃分的全球電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)報告—行業(yè)趨勢、規模、份額、增長(cháng)、估計和預測，2017-2024。"Value Market Research。

 

³ 按充電站（交流充電站、直流充電站）、安裝類(lèi)型（住宅、商業(yè)）和地區（北美、歐洲、亞太地區和世界其它地區）劃分的電動(dòng)汽車(chē)充電站市場(chǎng)—到2023年的全球預測。 Research and Markets，2018年4月。

 

⁴ Venkata Anand Prabhala, Bhanu Prashant Baddipadiga, Poria Fajri, and Mehdi Ferdowsi. "直流配電系統架構及優(yōu)勢概述。" MDPI，2018年9月。

 

⁵ "按類(lèi)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(yáng)能、燃料電池、熱電聯(lián)產(chǎn)、柴油等）、應用（醫療健康、工業(yè)、軍事、公用電力事業(yè)和教育機構）、地區（北美、歐洲、亞太地區、南美以及中東和非洲地區）劃分的全球微電網(wǎng)市場(chǎng)、全球行業(yè)分析、市場(chǎng)規模、份額、增長(cháng)、趨勢和預測，2018-2025。"Researchstore.biz。

 

 

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