直流電能計量應用

為什么直流電能計量很重要？

在 21圣世紀，世界各國政府正在制定行動計劃，以應對減少一氧化碳的復雜和長期挑戰(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，對新的高效能量轉(zhuǎn)換技術(shù)和改進的電池化學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，而且需求持續(xù)增長;事實上，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)電機不斷擴大;對更高效、更環(huán)保的電力的需求從未如此強烈。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，但在許多領域，直流電 （dc） 可以顯著提高效率。

在基于寬帶隙半導體（如GaN和SiC器件）的高效經(jīng)濟功率轉(zhuǎn)換技術(shù)發(fā)展的推動下，許多應用現(xiàn)在都看到了切換到直流能量交換的好處。因此，精確的直流電能計量變得越來越重要，尤其是在涉及能源計費的情況下。在本文中，將討論電動汽車充電站、可再生能源發(fā)電、服務器場、微電網(wǎng)和點對點能源共享中的直流計量機會，并提出直流電表設計。

直流電能計量應用

直流電動汽車充電站

截至2018年，插電式電動汽車（EV）的增長率估計為+70%1預計從 2017 年到 2024 年，復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，但廣泛的電動汽車充電網(wǎng)絡也是允許長途旅行而不必擔心續(xù)航里程或充電時間的基本條件。許多能源供應商和私營公司正在部署高達150 kW的快速充電器，并且對每個充電樁功率高達500 kW的超快速充電器有濃厚的興趣。考慮到具有高達兆瓦的局部充電峰值功率和相關的快速充電能源溢價率的超快速充電站，電動汽車充電將成為一個巨大的能源交換市場，因此需要準確的能源計費。

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到直流轉(zhuǎn)換中的能量損失，因此，最終客戶的計費不準確。自 2019 年以來，新的歐盟法規(guī)迫使能源供應商僅向客戶收取轉(zhuǎn)移到電動汽車的能量的費用，使電力轉(zhuǎn)換和配電損失由能源供應商承擔。

雖然最先進的 SiC EV 轉(zhuǎn)換器可以達到 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現(xiàn)準確計費，其中能量在直接連接到車輛電池時以直流方式傳輸。除了公共電動汽車充電計量利益外，私人和住宅點對點電動汽車充電計劃可能更有動力在直流側(cè)進行精確的能源計費。

圖1.未來電動汽車加油站中的直流電能計量。

圖2.可持續(xù)微電網(wǎng)基礎設施中的直流電能計量。

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)電機和儲能正在協(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力渦輪機產(chǎn)生的能量與使用的能量一樣多，獨立但由電網(wǎng)支持。

此外，多達 50% 的建筑物電力負載在直流上運行。目前，每個電子設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20%的能量，與傳統(tǒng)交流配電相比，總節(jié)省量估計高達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 燈和計算機）來降低能耗。

人們對直流微電網(wǎng)的興趣正在迅速增長，對標準化的需求也在迅速增長。

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

截至2017年，直流微電網(wǎng)部分的價值約為70億美元5并將從新興的DC分銷趨勢中看到進一步的增長。

直流數(shù)據(jù)中心

數(shù)據(jù)中心運營商正在積極考慮不同的技術(shù)和解決方案，以提高其設施的電源效率，因為電力是他們最大的成本之一。

數(shù)據(jù)中心運營商看到了直流配電的相關優(yōu)勢，因為交流和直流之間所需的最小轉(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 380 V 左右直流，準確的直流電能計量越來越受到關注，因為許多運營商正在轉(zhuǎn)向更可衡量的方法，即按電力使用向托管客戶收費。

向托管客戶收取用電費的兩種最流行方式是：

每鞭（每個網(wǎng)點的固定費用）

消耗的能量（計量插座 - 每消耗一千瓦時收取的功率）

為了提高電源效率，計量輸出方法越來越受歡迎，客戶定價可以描述為：

經(jīng)常性成本 = 空間費 + （IT 設備抄表× PUE）

空間費：固定，包括安全和所有建筑運營成本

IT設備的抄表：IT設備消耗的千瓦時數(shù)乘以能源成本

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

典型的現(xiàn)代機架消耗高達 40 kW 的直流電源。因此，需要使用計費級直流電表監(jiān)控高達 100 A 的電流。

精密直流電能計量的挑戰(zhàn)

在 1900 年代初期，傳統(tǒng)的交流電表完全是機電式的。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，為圓盤增加一個斷路磁鐵，使轉(zhuǎn)速與負載消耗的實際功率成正比。此時，測量消耗的能量只是計算一段時間內(nèi)的旋轉(zhuǎn)次數(shù)。

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

與舊的機械儀表類似，給定時間間隔內(nèi)的能量是通過計算這些脈沖來計算的;脈沖頻率越高，瞬時功率越高，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。為了測量負載消耗的功率（P = V × I），至少需要一個電流傳感器和一個電壓傳感器。當?shù)蛡?cè)處于地電位時，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量泄漏的風險，但也可以在低側(cè)測量電流，或者如果設計架構(gòu)需要，也可以同時測量兩者。測量和比較負載兩側(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，當測量兩側(cè)的電流時，至少需要隔離一個電流傳感器，以處理導體上的高電位。

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。

由于輸入信號的幅度很大，使用標準組件可以輕松實現(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)，以保證在整個溫度范圍內(nèi)所需的精度。

如前所述，電動汽車充電站等應用的直流電表有時需要專門對傳輸?shù)杰囕v的能量計費。為了滿足測量要求，電動汽車充電器的直流電表可能需要具有多個電壓通道，使電表也能在車輛入口處感應電壓（4線測量）。4線配置的直流電能計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）所描述的流動電流成正比，并且可以放大和數(shù)字化，從而準確表示電路中流動的電流。

分流電阻檢測是一種廉價、準確且功能強大的方法，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。

當電流流過電阻器時，焦耳熱的產(chǎn)生與電流的平方成比例。這不僅會導致效率損失，而且自發(fā)熱會改變分流電阻值本身，從而導致精度下降。為了限制自熱效應，使用低值電阻。但是，當使用小電阻時，檢測元件兩端的電壓也很小，有時與系統(tǒng)的直流失調(diào)相當。在這些條件下，在動態(tài)范圍的低端實現(xiàn)所需的精度可能并非易事。先進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誤差因素可能是熱電動勢（EMF）現(xiàn)象，也稱為塞貝克效應。塞貝克效應是一種現(xiàn)象，其中至少兩個形成結(jié)的不同電導體或半導體之間的溫差在兩者之間產(chǎn)生電位差。塞貝克效應是一個眾所周知的現(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，在銅感應線的同時傳播，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稱分布;因此，負極和正極感應線上結(jié)處的電位將大致抵消。然而，熱容量的任何差異，例如負感應線連接到較大的銅質(zhì)量（接地層），都可能導致溫度分布不匹配，從而導致由熱電動勢效應引起的測量誤差。

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勢。

磁場檢測—間接電流測量

開環(huán)霍爾效應

傳感器由高磁導率環(huán)構(gòu)成，感測電流線通過該環(huán)。這將被測導體周圍的磁力線集中到霍爾效應傳感器上，霍爾效應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。雖然以相對較低的成本提供隔離和高電流范圍，但絕對精度通常不會低于1%。

閉環(huán)霍爾效應

由電流放大器驅(qū)動的磁芯上的多圈次級繞組提供負反饋，以實現(xiàn)零總磁通條件。通過測量補償電流，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%，但額外的補償電路使傳感器更加昂貴，有時帶寬有限。

磁通門

是一個復雜的開環(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。線圈纏繞在高磁導率鐵磁芯上，該磁芯故意由對稱方波電壓驅(qū)動的次級線圈飽和。每當磁芯接近正飽和或負飽和時，線圈的電感就會崩潰，并且其電流的變化率增加。線圈的電流波形保持對稱，除非額外施加外部磁場，在這種情況下，波形變得不對稱。通過測量這種不對稱性的大小，可以估計外部磁場的強度，從而估計產(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，傳感器的復雜電子元件使其成為一種昂貴的解決方案，其價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。

直流電能計量：要求和標準化

雖然與現(xiàn)有的交流計量標準生態(tài)系統(tǒng)相比，直流電能計量的標準化似乎并不難實現(xiàn)，但行業(yè)利益相關者仍在爭論不同應用的要求，要求更多時間來解決直流計量的確切細節(jié)。

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

該標準提出了一系列標稱電壓和電流，并對儀表電壓和電流通道的最大功耗設定了限制。此外，與交流計量要求一樣，在整個動態(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，對系統(tǒng)的帶寬沒有具體要求，但需要成功完成快速負載變化測試，定義了對系統(tǒng)最小帶寬的隱含要求。

電動汽車充電應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，每個傳感器的精度是指定的，組合能量誤差是電壓、電流和計算誤差的正交和：

結(jié)論：符合概念驗證標準的直流電表

ADI公司是精密檢測技術(shù)的行業(yè)領導者，為精密電流和電壓測量提供完整的信號鏈，以滿足嚴格的標準要求。下一節(jié)將展示符合即將推出的專用應用標準IEC 62053-41的直流電表的概念驗證。

考慮到微電網(wǎng)和數(shù)據(jù)中心中計費級直流電能計量的空間，我們可以假設表3所示的要求。

通過使用小值和低 EMF 分流器 （<1 μV） 可以實現(xiàn)廉價和精確的電流檢測電動勢/°C）。保持較小的分流電阻是降低自熱效應和將功率水平保持在標準要求限值以下的基礎。

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標稱電流的1%將在75 μΩ分流器上產(chǎn)生60 μV的小信號，需要亞微伏失調(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，同步采樣的24位ADC AD7779可以直接連接到放大級，折合到輸入端的失調(diào)漂移貢獻為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，微控制器實現(xiàn)一個簡單的逐個樣本、中斷驅(qū)動的計量功能，其中對于每個ADC樣本，中斷例程：

讀取電壓和電流樣本

計算瞬時功率 （P = I × V）

在蓄能器中累積瞬時功率

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

審核編輯：郭婷