直流电能计量应用

为什么直流电能计量很重要？

在 21圣世纪，世界各国政府正在制定行动计划，以应对减少一氧化碳的复杂和长期挑战2排放。一氧化碳2排放已被证明是气候变化破坏性影响的原因，对新的高效能量转换技术和改进的电池化学的需求正在迅速增长。

包括可再生能源和不可再生能源在内，仅去年一年，世界人口就消耗了近18万亿千瓦时，而且需求持续增长;事实上，在过去15年中，超过一半的能源被消耗掉了。

我们的电网和发电机不断扩大;对更高效、更环保的电力的需求从未如此强烈。由于它更易于使用，早期的电网开发人员使用交流电 （ac） 向世界供电，但在许多领域，直流电 （dc） 可以显着提高效率。

在基于宽带隙半导体（如GaN和SiC器件）的高效经济功率转换技术发展的推动下，许多应用现在都看到了切换到直流能量交换的好处。因此，精确的直流电能计量变得越来越重要，尤其是在涉及能源计费的情况下。在本文中，将讨论电动汽车充电站、可再生能源发电、服务器场、微电网和点对点能源共享中的直流计量机会，并提出直流电表设计。

直流电能计量应用

直流电动汽车充电站

截至2018年，插电式电动汽车（EV）的增长率估计为+70%1预计从 2017 年到 2024 年，复合年增长率将逐年增长 +25%。2从2018年到2023年，充电站市场将以41.8%的复合年增长率增长。3但是，为了加速减少一氧化碳2由于私人交通造成的足迹，电动汽车需要成为汽车市场的首选。

近年来，人们在提高电池的容量和使用寿命方面付出了巨大的努力，但广泛的电动汽车充电网络也是允许长途旅行而不必担心续航里程或充电时间的基本条件。许多能源供应商和私营公司正在部署高达150 kW的快速充电器，并且对每个充电桩功率高达500 kW的超快速充电器有浓厚的兴趣。考虑到具有高达兆瓦的局部充电峰值功率和相关的快速充电能源溢价率的超快速充电站，电动汽车充电将成为一个巨大的能源交换市场，因此需要准确的能源计费。

目前，标准电动汽车充电器在交流侧计量，缺点是无法测量交流到直流转换中的能量损失，因此，最终客户的计费不准确。自 2019 年以来，新的欧盟法规迫使能源供应商仅向客户收取转移到电动汽车的能量的费用，使电力转换和配电损失由能源供应商承担。

虽然最先进的 SiC EV 转换器可以达到 97% 以上的效率，但显然需要在直流侧为快速和超快充电器实现准确计费，其中能量在直接连接到车辆电池时以直流方式传输。除了公共电动汽车充电计量利益外，私人和住宅点对点电动汽车充电计划可能更有动力在直流侧进行精确的能源计费。

图1.未来电动汽车加油站中的直流电能计量。

图2.可持续微电网基础设施中的直流电能计量。

直流配电—微电网

什么是微电网？从本质上讲，微电网是公用事业电力系统的较小版本。因此，需要安全、可靠和高效的电源。微电网的例子可以在医院，军事基地中找到，甚至可以作为公用事业系统的一部分，其中可再生能源发电，燃料发电机和储能正在协同工作以形成可靠的能源分配系统。

微电网的其他例子可以在建筑物中找到。随着可再生能源发电机的广泛部署，建筑物甚至可以自给自足，屋顶太阳能电池板和小型风力涡轮机产生的能量与使用的能量一样多，独立但由电网支持。

此外，多达 50% 的建筑物电力负载在直流上运行。目前，每个电子设备都必须将交流电转换为直流电源，在此过程中损失高达20%的能量，与传统交流配电相比，总节省量估计高达28%。4

在直流建筑中，可以通过一次将交流电转换为直流电并将直流电直接馈送到需要它的电器（例如 LED 灯和计算机）来降低能耗。

人们对直流微电网的兴趣正在迅速增长，对标准化的需求也在迅速增长。

IEC 62053-41 是一项待定标准，指示住宅直流系统和封闭式电表的要求和标称水平，类似于直流电能计量的交流等效物。

截至2017年，直流微电网部分的价值约为70亿美元5并将从新兴的DC分销趋势中看到进一步的增长。

直流数据中心

数据中心运营商正在积极考虑不同的技术和解决方案，以提高其设施的电源效率，因为电力是他们最大的成本之一。

数据中心运营商看到了直流配电的相关优势，因为交流和直流之间所需的最小转换次数减少，与可再生能源的集成更容易、更高效。转换阶段的减少估计为：

节能 5% 至 25%：提高传输和转换效率，减少发热

2×可靠性和可用性

占地面积减少 33%

图3.与传统交流配电相比，数据中心的直流电源所需的元件更少，损耗更低。

图4.直流数据中心中的可再生能源集成。

配电总线电压范围高达 380 V 左右直流，准确的直流电能计量越来越受到关注，因为许多运营商正在转向更可衡量的方法，即按电力使用向托管客户收费。

向托管客户收取用电费的两种最流行方式是：

每鞭（每个网点的固定费用）

消耗的能量（计量插座 - 每消耗一千瓦时收取的功率）

为了提高电源效率，计量输出方法越来越受欢迎，客户定价可以描述为：

经常性成本 = 空间费 + （IT 设备抄表× PUE）

空间费：固定，包括安全和所有建筑运营成本

IT设备的抄表：IT设备消耗的千瓦时数乘以能源成本

电源使用效率 （PUE）：考虑 IT 背后的基础架构的效率，例如冷却

典型的现代机架消耗高达 40 kW 的直流电源。因此，需要使用计费级直流电表监控高达 100 A 的电流。

精密直流电能计量的挑战

在 1900 年代初期，传统的交流电表完全是机电式的。电压和电流线圈的组合用于在旋转的铝盘中感应涡流。圆盘上产生的扭矩与电压和电流线圈产生的磁通量的乘积成正比。最后，为圆盘增加一个断路磁铁，使转速与负载消耗的实际功率成正比。此时，测量消耗的能量只是计算一段时间内的旋转次数。

现代交流电表明显更加复杂、准确，并且防篡改。现在，最先进的智能电表甚至可以监控其绝对精度，并在现场安装时 24/7 全天候检测篡改迹象。ADI公司采用mSure技术的ADE9153B计量IC就是这种情况。电能表（现代、传统、交流或直流）均按每千瓦时常数脉冲和百分比等级精度进行分类。每千瓦时的脉冲数表示能量更新速率或分辨率。等级精度证明了能量的最大测量误差。®

与旧的机械仪表类似，给定时间间隔内的能量是通过计算这些脉冲来计算的;脉冲频率越高，瞬时功率越高，反之亦然。

直流电表架构

直流电表的基本架构如图5所示。为了测量负载消耗的功率（P = V × I），至少需要一个电流传感器和一个电压传感器。当低侧处于地电位时，流过仪表的电流通常在高压侧测量，以最大限度地降低未计量泄漏的风险，但也可以在低侧测量电流，或者如果设计架构需要，也可以同时测量两者。测量和比较负载两侧电流的技术通常用于使仪表具有故障和篡改检测功能。但是，当测量两侧的电流时，至少需要隔离一个电流传感器，以处理导体上的高电位。

电压测量

电压通常使用电阻分压器测量，其中使用梯形电阻按比例将电位降低到与系统ADC输入兼容的水平。

由于输入信号的幅度很大，使用标准组件可以轻松实现精确的电压测量。但是，必须注意所选组件的温度系数和电压系数，以保证在整个温度范围内所需的精度。

如前所述，电动汽车充电站等应用的直流电表有时需要专门对传输到车辆的能量计费。为了满足测量要求，电动汽车充电器的直流电表可能需要具有多个电压通道，使电表也能在车辆入口处感应电压（4线测量）。4线配置的直流电能计量可确保充电桩和电缆的所有电阻损耗从总能源账单中扣除。

图5.直流电表系统架构。

直流电能计量的电流测量

电流可以通过直接连接或间接测量，通过感测电荷载流子流动产生的磁场。下一节将讨论用于直流电流测量的最流行的传感器。

分流电阻器

直接连接电流检测是一种久经考验的交流和直流电流测量方法。电流通过已知值的分流电阻器。分流电阻器两端的压降与众所周知的欧姆定律（V = R × I）所描述的流动电流成正比，并且可以放大和数字化，从而准确表示电路中流动的电流。

分流电阻检测是一种廉价、准确且功能强大的方法，用于测量从mA到kA的电流，理论上具有无限带宽。但是，该方法存在一些缺点。

当电流流过电阻器时，焦耳热的产生与电流的平方成比例。这不仅会导致效率损失，而且自发热会改变分流电阻值本身，从而导致精度下降。为了限制自热效应，使用低值电阻。但是，当使用小电阻时，检测元件两端的电压也很小，有时与系统的直流失调相当。在这些条件下，在动态范围的低端实现所需的精度可能并非易事。先进的模拟前端具有超低直流失调和超低温度漂移，可用于克服小值分流电阻器的局限性。但是，由于运算放大器具有恒定增益带宽乘积，因此高增益将限制可用带宽。

低值电流检测分流器通常由特定的金属合金（如锰铜或镍铬）制成，这些合金可消除其成分的相反温度漂移，从而产生数十ppm/°C的总漂移。

直接连接直流测量的另一个误差因素可能是热电动势（EMF）现象，也称为塞贝克效应。塞贝克效应是一种现象，其中至少两个形成结的不同电导体或半导体之间的温差在两者之间产生电位差。塞贝克效应是一个众所周知的现象，它被广泛用于感测热电偶中的温度。

在4线连接分流器的情况下，焦耳热将在电阻合金元件的中心形成，在铜感应线的同时传播，铜传感线可能连接到PCB（或不同的介质），并且可能具有不同的温度。

传感电路将形成不同材料的对称分布;因此，负极和正极感应线上结处的电位将大致抵消。然而，热容量的任何差异，例如负感应线连接到较大的铜质量（接地层），都可能导致温度分布不匹配，从而导致由热电动势效应引起的测量误差。

因此，必须注意分流器的连接和产生的热量的分布。

图6.由温度梯度引起的分流中的热电动势。

磁场检测—间接电流测量

开环霍尔效应

传感器由高磁导率环构成，感测电流线通过该环。这将被测导体周围的磁力线集中到霍尔效应传感器上，霍尔效应传感器插入磁芯的横截面积内。该传感器的输出经过预处理，通常有不同的口味。最常见的是：0 V至5 V、4 mA至20 mA或数字接口。虽然以相对较低的成本提供隔离和高电流范围，但绝对精度通常不会低于1%。

闭环霍尔效应

由电流放大器驱动的磁芯上的多圈次级绕组提供负反馈，以实现零总磁通条件。通过测量补偿电流，线性度得到改善，并且没有磁芯迟滞，与开环解决方案相比，整体温度漂移更好，精度更高。典型误差范围低至0.5%，但额外的补偿电路使传感器更加昂贵，有时带宽有限。

磁通门

是一个复杂的开环或闭环系统，其中通过监测有意饱和磁芯的磁通量变化来测量电流。线圈缠绕在高磁导率铁磁芯上，该磁芯故意由对称方波电压驱动的次级线圈饱和。每当磁芯接近正饱和或负饱和时，线圈的电感就会崩溃，并且其电流的变化率增加。线圈的电流波形保持对称，除非额外施加外部磁场，在这种情况下，波形变得不对称。通过测量这种不对称性的大小，可以估计外部磁场的强度，从而估计产生它的电流。它具有良好的温度稳定性和低至 0.1% 的精度。然而，传感器的复杂电子元件使其成为一种昂贵的解决方案，其价格比其他隔离解决方案高 10 倍。

图7.基于磁通集中器和磁传感器的开环电流传感器。

图8.闭环电流传感器工作原理示例。

直流电能计量：要求和标准化

虽然与现有的交流计量标准生态系统相比，直流电能计量的标准化似乎并不难实现，但行业利益相关者仍在争论不同应用的要求，要求更多时间来解决直流计量的确切细节。

IEC正在制定IEC 62053-41，以定义直流静态电表对有功电能的特定要求，精度等级为0.5%和1%。

该标准提出了一系列标称电压和电流，并对仪表电压和电流通道的最大功耗设定了限制。此外，与交流计量要求一样，在整个动态范围内定义了特定精度，以及空载条件下的电流阈值。

在草案中，对系统的带宽没有具体要求，但需要成功完成快速负载变化测试，定义了对系统最小带宽的隐含要求。

电动汽车充电应用中的直流计量有时符合德国标准 VDE-AR-E 2418 或旧铁路标准 EN 50463-2。根据EN 50463-2，每个传感器的精度是指定的，组合能量误差是电压、电流和计算误差的正交和：

 

电流范围	0.2R 类	0.5R 类	1R 类
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%

电压范围	0.2R 类	0.5R 类	1R 类
<66% VN	0.4%	1%	2%
66% 至 130% VN	0.2%	0.5%	1%

 

结论：符合概念验证标准的直流电表

ADI公司是精密检测技术的行业领导者，为精密电流和电压测量提供完整的信号链，以满足严格的标准要求。下一节将展示符合即将推出的专用应用标准IEC 62053-41的直流电表的概念验证。

考虑到微电网和数据中心中计费级直流电能计量的空间，我们可以假设表3所示的要求。

 

额定值		名义	动态范围	测量（最大量程）
电压		±400 V直流	100:1	±600 V
当前		±80 安培	100:1	±240 安培
准确性	1% 至 5% I名词	1%
	5% 至 120% I名词	0.5%
温度		–25°C 至 +55°C		–40°C 至 +70°C 储存
仪表常数		1000 英制/ 千瓦时
电压和电流带宽		2.5千赫

 

通过使用小值和低 EMF 分流器 （<1 μV） 可以实现廉价和精确的电流检测电动势/°C）。保持较小的分流电阻是降低自热效应和将功率水平保持在标准要求限值以下的基础。

商用75 μΩ分流器可将功耗保持在0.5 W以下。

图9.直流电表系统架构。

但是，80 A标称电流的1%将在75 μΩ分流器上产生60 μV的小信号，需要亚微伏失调漂移性能范围内的信号链。

ADA4528的最大失调电压为2.5 μV，最大失调电压漂移为0.015 μV/°C，非常适合为小分流信号提供超低漂移、100 V/V放大。因此，同步采样的24位ADC AD7779可以直接连接到放大级，折合到输入端的失调漂移贡献为5 nV/°C。

高直流电压可通过直接连接到AD7779 ADC输入的1000：1电阻分压器精确测量。

最后，微控制器实现一个简单的逐个样本、中断驱动的计量功能，其中对于每个ADC样本，中断例程：

读取电压和电流样本

计算瞬时功率 （P = I × V）

在蓄能器中累积瞬时功率

检查能量累加器是否超过能量阈值以产生能量脉冲并清除能量累积寄存器

此外，除了计量功能外，微控制器还支持系统级接口，如RS-485、LCD显示屏和按钮。

审核编辑：郭婷