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(xué)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(dǎo)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。考慮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。現(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m Sure®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(dǎo)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(dǎo)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。可使用具有超低直流偏移和超低溫漂的先進模擬前端，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(dǎo)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(dǎo)體或半導(dǎo)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(dǎo)線一起傳播，銅傳感導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)線，會導(dǎo)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(dǎo)率環(huán)構(gòu)成，感應(yīng)電流導(dǎo)線通過該環(huán)。這會將被測導(dǎo)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(dǎo)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
電流范圍
0.2R級
0.5R級
1R級
1%至5% IN
1%
2.5%
5%
5%至10% IN
0.4%
1%
1.5%
10%至120% IN
0.2%
0.5%
1%
表 2. 根據(jù) EN 50463-2 標準確定的最大電壓誤差百分比
電壓范圍
0.2R級
0.5R級
1R級
<66% VN
0.4%
1%
2%
66%至130% VN
0.2%
0.5%
1%
結(jié)語：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(dǎo)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
額定值
標稱值
動態(tài)范圍
測量（最大范圍）
電壓
±400 VDC
100:1
±600 V
電流
±80 A
100:1
±240 A
精度
1%至5% INOM
1%
5%至120% INOM
0.5%
溫度
-25°C至+55°C
–40°C至+70°C儲存
電表常數(shù)
1000 imp/kWh
電壓和電流帶寬
2.5 kHz
使用低值和低電動勢分流器可以實現(xiàn)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(yīng)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
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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。”Value 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。
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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。”Researchstore.biz。
