直流電能計量應(yīng)用
發(fā)布時間:2021-04-15 來源:Luca Martini 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】21世紀(jì),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(yán)重后果的原因,同時對新型高效能源轉(zhuǎn)換技術(shù)和改進(jìn)電池化學(xué)組成的需求也在迅速增長。
為什么直流電能計量很重要?
21世紀(jì),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(yán)重后果的原因,同時對新型高效能源轉(zhuǎn)換技術(shù)和改進(jìn)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(jī)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(jì)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(fèi)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(jī)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(dān)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(dá)150 kW的快速充電器,并且每個充電樁功率高達(dá)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(dá)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(jìn)行準(zhǔn)確的電能計費(fèi)。
目前,標(biāo)準(zhǔn)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(fèi)不準(zhǔn)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(fèi)用,使得電源轉(zhuǎn)換和分配損失都由能源供應(yīng)商來承擔(dān)。
雖然先進(jìn)的SiC電動汽車轉(zhuǎn)換器可達(dá)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(zhǔn)確計費(fèi)。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(jìn)行精確的電能計費(fèi)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?xí)鳛楣孟到y(tǒng)的一部分,其中可再生能源發(fā)電、燃料發(fā)電機(jī)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(jī)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(fēng)力渦輪機(jī)產(chǎn)生的電能足夠使用,獨立運(yùn)行但仍提供公共電網(wǎng)支持。
此外,建筑物多達(dá)50%的電力負(fù)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(dá)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(dá)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(biāo)準(zhǔn)化的需求也在增加。
IEC 62053-41是一個即將推出的標(biāo)準(zhǔn),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(biāo)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(jìn)一步增長。
直流供電數(shù)據(jù)中心
數(shù)據(jù)中心運(yùn)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(yùn)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(jìn)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(dá)380 VDC左右,由于許多運(yùn)營商開始采用按用電量向托管客戶收費(fèi)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(fèi)的兩種常用方式:
● 每次(每個出口固定費(fèi)用)
● 消耗的電能(計量出口—對所消耗的每千瓦時收取電費(fèi))
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(fèi)用 = 空間費(fèi)用 +(IT設(shè)備抄表 × PUE)
● 空間費(fèi)用:固定,包括安全保障和所有建筑物運(yùn)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(jī)架會消耗高達(dá)40 kW的直流電。因此,需要使用計費(fèi)級直流電表來監(jiān)測高達(dá)100 A的電流。
精密直流電能計量挑戰(zhàn)
20世紀(jì)初,傳統(tǒng)交流電表完全是機(jī)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(fù)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(zhǔn)確,并可防止竊電?,F(xiàn)在,先進(jìn)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mSure®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(jìn)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(jī)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(jìn)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(fù)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(dāng)?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(fēng)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(fù)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(biāo)準(zhǔn)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(fèi)。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(jìn)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(zhǔn)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(dāng)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(dāng)。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??墒褂镁哂谐椭绷髌坪统蜏仄南冗M(jìn)模擬前端,來克服低值分流電阻的限制。但是,由于運(yùn)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(fù)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(fù)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(fù)反饋,以實現(xiàn)總磁通量為零的情況。通過測量補(bǔ)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(bǔ)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(dāng)磁芯接近正負(fù)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(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)化
雖然與現(xiàn)有交流計量標(biāo)準(zhǔn)生態(tài)系統(tǒng)相比,直流電能計量的標(biāo)準(zhǔn)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(xì)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(biāo)準(zhǔn)提出了一個標(biāo)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(jìn)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(fù)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(biāo)準(zhǔn)VDE-AR-E 2418或舊鐵路標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)確定的最大電流誤差百分比
表2. 根據(jù)EN 50463-2標(biāo)準(zhǔn)確定的最大電壓誤差百分比
結(jié)語:符合概念驗證標(biāo)準(zhǔn)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(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)要求。下一節(jié)將介紹符合即將推出的專用標(biāo)準(zhǔn)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(fèi)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
使用低值和低電動勢分流器可以實現(xiàn)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)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。
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。
圖10. 概念驗證—原型制作。
參考電路
1 Tom Turrentine, Scott Hardman, and Dahlia Garas. "引導(dǎo)電動汽車向可持續(xù)發(fā)展過渡。" 國家可持續(xù)交通中心,加州大學(xué)戴維斯分校,2018年7月。
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。
4 Venkata Anand Prabhala, Bhanu Prashant Baddipadiga, Poria Fajri, and Mehdi Ferdowsi. "直流配電系統(tǒng)架構(gòu)及優(yōu)勢概述。" MDPI,2018年9月。
5 "按類型(交流微電網(wǎng)、直流微電網(wǎng)、混合)、連接(并網(wǎng)、遠(yuǎn)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(jī)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。
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