為什么直流電能計(jì)量很重要？

在 21圣世紀(jì)，世界各國政府正在制定行動(dòng)計(jì)劃，以應(yīng)對(duì)減少一氧化碳的復(fù)雜和長期挑戰(zhàn)2排放。一氧化碳2排放已被證明是氣候變化破壞性影響的原因，對(duì)新的高效能量轉(zhuǎn)換技術(shù)和改進(jìn)的電池化學(xué)的需求正在迅速增長。

包括可再生能源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(shí)，而且需求持續(xù)增長;事實(shí)上，在過去15年中，超過一半的能源被消耗掉了。

我們的電網(wǎng)和發(fā)電機(jī)不斷擴(kuò)大;對(duì)更高效、更環(huán)保的電力的需求從未如此強(qiáng)烈。由于它更易于使用，早期的電網(wǎng)開發(fā)人員使用交流電 （ac） 向世界供電，但在許多領(lǐng)域，直流電 （dc） 可以顯著提高效率。

在基于寬帶隙半導(dǎo)體（如GaN和SiC器件）的高效經(jīng)濟(jì)功率轉(zhuǎn)換技術(shù)發(fā)展的推動(dòng)下，許多應(yīng)用現(xiàn)在都看到了切換到直流能量交換的好處。因此，精確的直流電能計(jì)量變得越來越重要，尤其是在涉及能源計(jì)費(fèi)的情況下。在本文中，將討論電動(dòng)汽車充電站、可再生能源發(fā)電、服務(wù)器場、微電網(wǎng)和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)能源共享中的直流計(jì)量機(jī)會(huì)，并提出直流電表設(shè)計(jì)。

直流電能計(jì)量應(yīng)用

直流電動(dòng)汽車充電站

截至2018年，插電式電動(dòng)汽車（EV）的增長率估計(jì)為+70%1預(yù)計(jì)從 2017 年到 2024 年，復(fù)合年增長率將逐年增長 +25%。2從2018年到2023年，充電站市場將以41.8%的復(fù)合年增長率增長。3但是，為了加速減少一氧化碳2由于私人交通造成的足跡，電動(dòng)汽車需要成為汽車市場的首選。

近年來，人們在提高電池的容量和使用壽命方面付出了巨大的努力，但廣泛的電動(dòng)汽車充電網(wǎng)絡(luò)也是允許長途旅行而不必?fù)?dān)心續(xù)航里程或充電時(shí)間的基本條件。許多能源供應(yīng)商和私營公司正在部署高達(dá)150 kW的快速充電器，并且對(duì)每個(gè)充電樁功率高達(dá)500 kW的超快速充電器有濃厚的興趣。考慮到具有高達(dá)兆瓦的局部充電峰值功率和相關(guān)的快速充電能源溢價(jià)率的超快速充電站，電動(dòng)汽車充電將成為一個(gè)巨大的能源交換市場，因此需要準(zhǔn)確的能源計(jì)費(fèi)。

目前，標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)汽車充電器在交流側(cè)計(jì)量，缺點(diǎn)是無法測量交流到直流轉(zhuǎn)換中的能量損失，因此，最終客戶的計(jì)費(fèi)不準(zhǔn)確。自 2019 年以來，新的歐盟法規(guī)迫使能源供應(yīng)商僅向客戶收取轉(zhuǎn)移到電動(dòng)汽車的能量的費(fèi)用，使電力轉(zhuǎn)換和配電損失由能源供應(yīng)商承擔(dān)。

雖然最先進(jìn)的 SiC EV 轉(zhuǎn)換器可以達(dá)到 97% 以上的效率，但顯然需要在直流側(cè)為快速和超快充電器實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確計(jì)費(fèi)，其中能量在直接連接到車輛電池時(shí)以直流方式傳輸。除了公共電動(dòng)汽車充電計(jì)量利益外，私人和住宅點(diǎn)對(duì)點(diǎn)電動(dòng)汽車充電計(jì)劃可能更有動(dòng)力在直流側(cè)進(jìn)行精確的能源計(jì)費(fèi)。

圖1.未來電動(dòng)汽車加油站中的直流電能計(jì)量。

圖2.可持續(xù)微電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施中的直流電能計(jì)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)是公用事業(yè)電力系統(tǒng)的較小版本。因此，需要安全、可靠和高效的電源。微電網(wǎng)的例子可以在醫(yī)院，軍事基地中找到，甚至可以作為公用事業(yè)系統(tǒng)的一部分，其中可再生能源發(fā)電，燃料發(fā)電機(jī)和儲(chǔ)能正在協(xié)同工作以形成可靠的能源分配系統(tǒng)。

微電網(wǎng)的其他例子可以在建筑物中找到。隨著可再生能源發(fā)電機(jī)的廣泛部署，建筑物甚至可以自給自足，屋頂太陽能電池板和小型風(fēng)力渦輪機(jī)產(chǎn)生的能量與使用的能量一樣多，獨(dú)立但由電網(wǎng)支持。

此外，多達(dá) 50% 的建筑物電力負(fù)載在直流上運(yùn)行。目前，每個(gè)電子設(shè)備都必須將交流電轉(zhuǎn)換為直流電源，在此過程中損失高達(dá)20%的能量，與傳統(tǒng)交流配電相比，總節(jié)省量估計(jì)高達(dá)28%。4

在直流建筑中，可以通過一次將交流電轉(zhuǎn)換為直流電并將直流電直接饋送到需要它的電器（例如 LED 燈和計(jì)算機(jī)）來降低能耗。

人們對(duì)直流微電網(wǎng)的興趣正在迅速增長，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化的需求也在迅速增長。

IEC 62053-41 是一項(xiàng)待定標(biāo)準(zhǔn)，指示住宅直流系統(tǒng)和封閉式電表的要求和標(biāo)稱水平，類似于直流電能計(jì)量的交流等效物。

截至2017年，直流微電網(wǎng)部分的價(jià)值約為70億美元5并將從新興的DC分銷趨勢中看到進(jìn)一步的增長。

直流數(shù)據(jù)中心

數(shù)據(jù)中心運(yùn)營商正在積極考慮不同的技術(shù)和解決方案，以提高其設(shè)施的電源效率，因?yàn)殡娏κ撬麄冏畲蟮某杀局弧?/p>

數(shù)據(jù)中心運(yùn)營商看到了直流配電的相關(guān)優(yōu)勢，因?yàn)榻涣骱椭绷髦g所需的最小轉(zhuǎn)換次數(shù)減少，與可再生能源的集成更容易、更高效。轉(zhuǎn)換階段的減少估計(jì)為：

節(jié)能 5% 至 25%：提高傳輸和轉(zhuǎn)換效率，減少發(fā)熱

2×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)中心的直流電源所需的元件更少，損耗更低。

圖4.直流數(shù)據(jù)中心中的可再生能源集成。

配電總線電壓范圍高達(dá) 380 V 左右直流，準(zhǔn)確的直流電能計(jì)量越來越受到關(guān)注，因?yàn)樵S多運(yùn)營商正在轉(zhuǎn)向更可衡量的方法，即按電力使用向托管客戶收費(fèi)。

向托管客戶收取用電費(fèi)的兩種最流行方式是：

每鞭（每個(gè)網(wǎng)點(diǎn)的固定費(fèi)用）

消耗的能量（計(jì)量插座 - 每消耗一千瓦時(shí)收取的功率）

為了提高電源效率，計(jì)量輸出方法越來越受歡迎，客戶定價(jià)可以描述為：

經(jīng)常性成本 = 空間費(fèi) + （IT 設(shè)備抄表× PUE）

空間費(fèi)：固定，包括安全和所有建筑運(yùn)營成本

IT設(shè)備的抄表：IT設(shè)備消耗的千瓦時(shí)數(shù)乘以能源成本

電源使用效率 （PUE）：考慮 IT 背后的基礎(chǔ)架構(gòu)的效率，例如冷卻

典型的現(xiàn)代機(jī)架消耗高達(dá) 40 kW 的直流電源。因此，需要使用計(jì)費(fèi)級(jí)直流電表監(jiān)控高達(dá) 100 A 的電流。

精密直流電能計(jì)量的挑戰(zhàn)

在 1900 年代初期，傳統(tǒng)的交流電表完全是機(jī)電式的。電壓和電流線圈的組合用于在旋轉(zhuǎn)的鋁盤中感應(yīng)渦流。圓盤上產(chǎn)生的扭矩與電壓和電流線圈產(chǎn)生的磁通量的乘積成正比。最后，為圓盤增加一個(gè)斷路磁鐵，使轉(zhuǎn)速與負(fù)載消耗的實(shí)際功率成正比。此時(shí)，測量消耗的能量只是計(jì)算一段時(shí)間內(nèi)的旋轉(zhuǎn)次數(shù)。

現(xiàn)代交流電表明顯更加復(fù)雜、準(zhǔn)確，并且防篡改。現(xiàn)在，最先進(jìn)的智能電表甚至可以監(jiān)控其絕對(duì)精度，并在現(xiàn)場安裝時(shí) 24/7 全天候檢測篡改跡象。ADI公司采用mSure技術(shù)的ADE9153B計(jì)量IC就是這種情況。電能表（現(xiàn)代、傳統(tǒng)、交流或直流）均按每千瓦時(shí)常數(shù)脈沖和百分比等級(jí)精度進(jìn)行分類。每千瓦時(shí)的脈沖數(shù)表示能量更新速率或分辨率。等級(jí)精度證明了能量的最大測量誤差。?

與舊的機(jī)械儀表類似，給定時(shí)間間隔內(nèi)的能量是通過計(jì)算這些脈沖來計(jì)算的;脈沖頻率越高，瞬時(shí)功率越高，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。為了測量負(fù)載消耗的功率（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(dāng)?shù)蛡?cè)處于地電位時(shí)，流過儀表的電流通常在高壓側(cè)測量，以最大限度地降低未計(jì)量泄漏的風(fēng)險(xiǎn)，但也可以在低側(cè)測量電流，或者如果設(shè)計(jì)架構(gòu)需要，也可以同時(shí)測量兩者。測量和比較負(fù)載兩側(cè)電流的技術(shù)通常用于使儀表具有故障和篡改檢測功能。但是，當(dāng)測量兩側(cè)的電流時(shí)，至少需要隔離一個(gè)電流傳感器，以處理導(dǎo)體上的高電位。

電壓測量

電壓通常使用電阻分壓器測量，其中使用梯形電阻按比例將電位降低到與系統(tǒng)ADC輸入兼容的水平。

由于輸入信號(hào)的幅度很大，使用標(biāo)準(zhǔn)組件可以輕松實(shí)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)，以保證在整個(gè)溫度范圍內(nèi)所需的精度。

如前所述，電動(dòng)汽車充電站等應(yīng)用的直流電表有時(shí)需要專門對(duì)傳輸?shù)杰囕v的能量計(jì)費(fèi)。為了滿足測量要求，電動(dòng)汽車充電器的直流電表可能需要具有多個(gè)電壓通道，使電表也能在車輛入口處感應(yīng)電壓（4線測量）。4線配置的直流電能計(jì)量可確保充電樁和電纜的所有電阻損耗從總能源賬單中扣除。

圖5.直流電表系統(tǒng)架構(gòu)。

直流電能計(jì)量的電流測量

電流可以通過直接連接或間接測量，通過感測電荷載流子流動(dòng)產(chǎn)生的磁場。下一節(jié)將討論用于直流電流測量的最流行的傳感器。

分流電阻器

直接連接電流檢測是一種久經(jīng)考驗(yàn)的交流和直流電流測量方法。電流通過已知值的分流電阻器。分流電阻器兩端的壓降與眾所周知的歐姆定律（V = R × I）所描述的流動(dòng)電流成正比，并且可以放大和數(shù)字化，從而準(zhǔn)確表示電路中流動(dòng)的電流。

分流電阻檢測是一種廉價(jià)、準(zhǔn)確且功能強(qiáng)大的方法，用于測量從mA到kA的電流，理論上具有無限帶寬。但是，該方法存在一些缺點(diǎn)。

當(dāng)電流流過電阻器時(shí)，焦耳熱的產(chǎn)生與電流的平方成比例。這不僅會(huì)導(dǎo)致效率損失，而且自發(fā)熱會(huì)改變分流電阻值本身，從而導(dǎo)致精度下降。為了限制自熱效應(yīng)，使用低值電阻。但是，當(dāng)使用小電阻時(shí)，檢測元件兩端的電壓也很小，有時(shí)與系統(tǒng)的直流失調(diào)相當(dāng)。在這些條件下，在動(dòng)態(tài)范圍的低端實(shí)現(xiàn)所需的精度可能并非易事。先進(jìn)的模擬前端具有超低直流失調(diào)和超低溫度漂移，可用于克服小值分流電阻器的局限性。但是，由于運(yùn)算放大器具有恒定增益帶寬乘積，因此高增益將限制可用帶寬。

低值電流檢測分流器通常由特定的金屬合金（如錳銅或鎳鉻）制成，這些合金可消除其成分的相反溫度漂移，從而產(chǎn)生數(shù)十ppm/°C的總漂移。

直接連接直流測量的另一個(gè)誤差因素可能是熱電動(dòng)勢（EMF）現(xiàn)象，也稱為塞貝克效應(yīng)。塞貝克效應(yīng)是一種現(xiàn)象，其中至少兩個(gè)形成結(jié)的不同電導(dǎo)體或半導(dǎo)體之間的溫差在兩者之間產(chǎn)生電位差。塞貝克效應(yīng)是一個(gè)眾所周知的現(xiàn)象，它被廣泛用于感測熱電偶中的溫度。

在4線連接分流器的情況下，焦耳熱將在電阻合金元件的中心形成，在銅感應(yīng)線的同時(shí)傳播，銅傳感線可能連接到PCB（或不同的介質(zhì)），并且可能具有不同的溫度。

傳感電路將形成不同材料的對(duì)稱分布;因此，負(fù)極和正極感應(yīng)線上結(jié)處的電位將大致抵消。然而，熱容量的任何差異，例如負(fù)感應(yīng)線連接到較大的銅質(zhì)量（接地層），都可能導(dǎo)致溫度分布不匹配，從而導(dǎo)致由熱電動(dòng)勢效應(yīng)引起的測量誤差。

因此，必須注意分流器的連接和產(chǎn)生的熱量的分布。

圖6.由溫度梯度引起的分流中的熱電動(dòng)勢。

磁場檢測—間接電流測量

開環(huán)霍爾效應(yīng)

傳感器由高磁導(dǎo)率環(huán)構(gòu)成，感測電流線通過該環(huán)。這將被測導(dǎo)體周圍的磁力線集中到霍爾效應(yīng)傳感器上，霍爾效應(yīng)傳感器插入磁芯的橫截面積內(nèi)。該傳感器的輸出經(jīng)過預(yù)處理，通常有不同的口味。最常見的是：0 V至5 V、4 mA至20 mA或數(shù)字接口。雖然以相對(duì)較低的成本提供隔離和高電流范圍，但絕對(duì)精度通常不會(huì)低于1%。

閉環(huán)霍爾效應(yīng)

由電流放大器驅(qū)動(dòng)的磁芯上的多圈次級(jí)繞組提供負(fù)反饋，以實(shí)現(xiàn)零總磁通條件。通過測量補(bǔ)償電流，線性度得到改善，并且沒有磁芯遲滯，與開環(huán)解決方案相比，整體溫度漂移更好，精度更高。典型誤差范圍低至0.5%，但額外的補(bǔ)償電路使傳感器更加昂貴，有時(shí)帶寬有限。

磁通門

是一個(gè)復(fù)雜的開環(huán)或閉環(huán)系統(tǒng)，其中通過監(jiān)測有意飽和磁芯的磁通量變化來測量電流。線圈纏繞在高磁導(dǎo)率鐵磁芯上，該磁芯故意由對(duì)稱方波電壓驅(qū)動(dòng)的次級(jí)線圈飽和。每當(dāng)磁芯接近正飽和或負(fù)飽和時(shí)，線圈的電感就會(huì)崩潰，并且其電流的變化率增加。線圈的電流波形保持對(duì)稱，除非額外施加外部磁場，在這種情況下，波形變得不對(duì)稱。通過測量這種不對(duì)稱性的大小，可以估計(jì)外部磁場的強(qiáng)度，從而估計(jì)產(chǎn)生它的電流。它具有良好的溫度穩(wěn)定性和低至 0.1% 的精度。然而，傳感器的復(fù)雜電子元件使其成為一種昂貴的解決方案，其價(jià)格比其他隔離解決方案高 10 倍。

圖7.基于磁通集中器和磁傳感器的開環(huán)電流傳感器。

圖8.閉環(huán)電流傳感器工作原理示例。

直流電能計(jì)量：要求和標(biāo)準(zhǔn)化

雖然與現(xiàn)有的交流計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)生態(tài)系統(tǒng)相比，直流電能計(jì)量的標(biāo)準(zhǔn)化似乎并不難實(shí)現(xiàn)，但行業(yè)利益相關(guān)者仍在爭論不同應(yīng)用的要求，要求更多時(shí)間來解決直流計(jì)量的確切細(xì)節(jié)。

IEC正在制定IEC 62053-41，以定義直流靜態(tài)電表對(duì)有功電能的特定要求，精度等級(jí)為0.5%和1%。

該標(biāo)準(zhǔn)提出了一系列標(biāo)稱電壓和電流，并對(duì)儀表電壓和電流通道的最大功耗設(shè)定了限制。此外，與交流計(jì)量要求一樣，在整個(gè)動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)定義了特定精度，以及空載條件下的電流閾值。

在草案中，對(duì)系統(tǒng)的帶寬沒有具體要求，但需要成功完成快速負(fù)載變化測試，定義了對(duì)系統(tǒng)最小帶寬的隱含要求。

電動(dòng)汽車充電應(yīng)用中的直流計(jì)量有時(shí)符合德國標(biāo)準(zhǔn) VDE-AR-E 2418 或舊鐵路標(biāo)準(zhǔn) EN 50463-2。根據(jù)EN 50463-2，每個(gè)傳感器的精度是指定的，組合能量誤差是電壓、電流和計(jì)算誤差的正交和：

結(jié)論：符合概念驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)的直流電表

ADI公司是精密檢測技術(shù)的行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者，為精密電流和電壓測量提供完整的信號(hào)鏈，以滿足嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)要求。下一節(jié)將展示符合即將推出的專用應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)IEC 62053-41的直流電表的概念驗(yàn)證。

考慮到微電網(wǎng)和數(shù)據(jù)中心中計(jì)費(fèi)級(jí)直流電能計(jì)量的空間，我們可以假設(shè)表3所示的要求。

通過使用小值和低 EMF 分流器 （<1 μV） 可以實(shí)現(xiàn)廉價(jià)和精確的電流檢測電動(dòng)勢/°C）。保持較小的分流電阻是降低自熱效應(yīng)和將功率水平保持在標(biāo)準(zhǔn)要求限值以下的基礎(chǔ)。

商用75 μΩ分流器可將功耗保持在0.5 W以下。

圖9.直流電表系統(tǒng)架構(gòu)。

但是，80 A標(biāo)稱電流的1%將在75 μΩ分流器上產(chǎn)生60 μV的小信號(hào)，需要亞微伏失調(diào)漂移性能范圍內(nèi)的信號(hào)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(hào)提供超低漂移、100 V/V放大。因此，同步采樣的24位ADC AD7779可以直接連接到放大級(jí)，折合到輸入端的失調(diào)漂移貢獻(xiàn)為5 nV/°C。

高直流電壓可通過直接連接到AD7779 ADC輸入的1000：1電阻分壓器精確測量。

最后，微控制器實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡單的逐個(gè)樣本、中斷驅(qū)動(dòng)的計(jì)量功能，其中對(duì)于每個(gè)ADC樣本，中斷例程：

讀取電壓和電流樣本

計(jì)算瞬時(shí)功率 （P = I × V）

在蓄能器中累積瞬時(shí)功率

檢查能量累加器是否超過能量閾值以產(chǎn)生能量脈沖并清除能量累積寄存器

此外，除了計(jì)量功能外，微控制器還支持系統(tǒng)級(jí)接口，如RS-485、LCD顯示屏和按鈕。

審核編輯：郭婷