為什么直流電能計(jì)量很重要？

21世紀(jì)，世界各國政府都在制定行動(dòng)計(jì)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(shí)是造成氣候變化嚴(yán)重后果的原因，同時(shí)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(shí)，而這一需求還在繼續(xù)增長；事實(shí)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(dòng)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(jì)量變得越來越重要，特別是涉及到電能計(jì)費(fèi)的地方。本文將討論直流計(jì)量在電動(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)對點(diǎn)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(jì)。

直流電能計(jì)量應(yīng)用

電動(dòng)汽車直流充電站

預(yù)計(jì)到2018年1，插電式電動(dòng)汽車（EV）的復(fù)合年均增長率為+70%，并且預(yù)計(jì)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(dòng)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(shí)必須提供廣泛的電動(dòng)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(shí)間問題，從容實(shí)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(gè)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(jià)率，電動(dòng)汽車充電將成為一個(gè)巨大的電能交換市場，隨之需要進(jìn)行準(zhǔn)確的電能計(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-直流轉(zhuǎn)換過程中損失的電能，因此，對最終客戶來說，計(jì)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?dòng)汽車的電能費(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(dòng)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(shí)，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(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確計(jì)費(fèi)。除了涉及電動(dòng)汽車充電計(jì)量公共利益外，私人和住宅點(diǎn)對點(diǎn)電動(dòng)汽車充電計(jì)劃可能對于直流側(cè)進(jìn)行精確的電能計(jì)費(fèi)具有更大的激勵(lì)作用。

為什么直流電能計(jì)量很重要？

圖1.未來電動(dòng)汽車充電站的直流電能計(jì)量

為什么直流電能計(jì)量很重要？

圖2.可持續(xù)微電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的直流電能計(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(gè)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(dú)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(gè)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(jì)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(gè)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(jì)量的等效交流計(jì)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(jià)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?yàn)殡娏κ瞧渥畲蟮某杀局弧?/p>

數(shù)據(jù)中心運(yùn)營商看到了直流配電的相關(guān)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(jì)：

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%

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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

為什么直流電能計(jì)量很重要？

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(jì)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(gè)出口固定費(fèi)用）

消耗的電能（計(jì)量出口—對所消耗的每千瓦時(shí)收取電費(fèi)）

為了鼓勵(lì)提高電源效率，計(jì)量輸出方法越來越受歡迎，客戶定價(jià)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(shí)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(gè)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(jì)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(jì)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(gè)破碎磁鐵，使轉(zhuǎn)速與負(fù)載消耗的實(shí)際功率成正比。此時(shí)，只需計(jì)算一段時(shí)間內(nèi)的旋轉(zhuǎn)次數(shù)即可計(jì)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。現(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(shí)可全天候檢測是否存在竊電跡象。ADI公司的ADE9153B 計(jì)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(shí)脈沖常數(shù)和百分比等級精度進(jìn)行分類的。每千瓦時(shí)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(jì)量誤差。

與老式機(jī)械電表類似，給定時(shí)間間隔內(nèi)的電能也是通過計(jì)算這些脈沖數(shù)進(jìn)行計(jì)量；脈沖頻率越高，瞬時(shí)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(gè)電流傳感器和一個(gè)電壓傳感器。當(dāng)?shù)碗妷簜?cè)為地電位時(shí)，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(jì)量漏電的風(fēng)險(xiǎn)，但電流也可在低電壓側(cè)測量，如果設(shè)計(jì)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(shí)，至少需要隔離一個(gè)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(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)，以確保在整個(gè)溫度范圍內(nèi)具有所需的精度。

如前所述，用于電動(dòng)汽車充電站等應(yīng)用的直流電表有時(shí)需要專門對傳輸?shù)杰囕v的電能計(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有多個(gè)電壓通道，使電表也能在車輛的入口點(diǎn)檢測電壓（4線測量）。采用4線配置的直流電能計(jì)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。

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圖5.直流電表系統(tǒng)架構(gòu)

直流電能計(jì)量的電流測量

電流可通過直接連接測量，也可通過感應(yīng)電荷載體流動(dòng)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(gè)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(diǎn)。

當(dāng)電流流過電阻時(shí)，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(shí)，通過傳感元件的電壓也很小，有時(shí)會與系統(tǒng)的直流偏移相當(dāng)。在這些情況下，要在動(dòng)態(tài)范圍的低端實(shí)現(xiàn)所需精度并不容易?？墒褂镁哂谐椭绷髌坪统?a target="_blank">低溫漂的先進(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(gè)誤差因素是熱電動(dòng)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(gè)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(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所產(chǎn)生熱量的分布情況。

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圖6.由溫度梯度引起的分流器中的熱電動(dòng)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(gè)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(gè)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(shí)，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(dòng)的磁通磁芯上的多匝次級繞組提供負(fù)反饋，以實(shí)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(shí)帶寬也受到限制。

磁通門

是一個(gè)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(dòng)的二次線圈有意飽和。每當(dāng)磁芯接近正負(fù)飽和時(shí)，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(gè)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(jià)格比其他隔離式解決方案高10倍。

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圖7.基于通量集中器和磁性傳感器的開環(huán)電流傳感器

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圖8.閉環(huán)電流傳感器的工作原理示例

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)化似乎不難實(shí)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(shí)間來敲定直流計(jì)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(gè)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(jì)量要求一樣，定義了動(dòng)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(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，對每個(gè)傳感器都指定了精度，組合電能誤差是電壓、電流和計(jì)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

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