精密直流電能計量應用設計挑戰和實例

作者 : Luca Martini,ADI系統工程師

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部分。本文將討論直流計量在各方面的發展機會,並介紹一種直流電表設計…

為什麼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畫,以應對長期複雜的減少CO2排放的挑戰。CO2排放已證實是造成氣候變化嚴重後果的原因,同時對新型高效能源轉換技術和改進電池化學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,僅去年一年,世界人口就消耗了近18兆千瓦時(kWh),而這一需求還在繼續增長;事實上,在過去的15年裡,消耗了超過一半的現有能源。

為此,我們的電網和發電機還在不斷地增長;如今,對更高效、更環保的能源的需求與日俱增。由於更容易使用,早期的電網開發人員使用交流電(AC)向世界供電,但在許多地區,直流電(DC)可顯著提高效率。

在基於寬能隙(WBG)半導體(例如GaN和SiC元件)的高效經濟型功率轉換技術發展的推動下,許多應用現在都看到了轉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部分。本文將討論直流計量在電動車充電站、可再生能源發電、伺服器農場(Server Farm)、微電網(Microgrid)和點對點能源共用方面的發展機會,並介紹一種直流電表設計。

直流電能計量應用

電動車直流充電站

預計到2018年,插電式電動車的年複合成長率(CAGR)為+70%,並且預計2017~2024年將以+25%的年複合成長率增長;充電站市場從2018~2023年將以41.8%的年複合成長率增長。然而,為了加速減少私人交通造成的CO2排放,電動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車充電網路,這樣才能無需擔心行駛里程或充電時間問題,從容實現長途旅行。許多能源供應商和私營企業都在部署高達150kW的快速充電器,並且每個充電樁功率高達500kW的超快充電器也引發了公眾的興趣。考慮到局部充電峰值功率高達兆瓦的超快充電站和相關的快速充電能源溢價率,電動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,標準電動車充電器在交流側計量,缺點是無法測量交流-直流轉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,新的歐盟法規要求能源供應商只能向客戶收取傳輸到電動車的電能費用,使得電源轉換和分配損失都由能源供應商來承擔。

雖然先進的SiC電動車轉換器可達到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,顯然需要在直流側實現準確計費。除了涉及電動車充電計量公共利益外,私人和住宅點對點電動車充電計畫可能對於直流側進行精確的電能計費具有更大的激勵作用。

 

圖1:未來電動車充電站的直流電能計量。

 

圖2:可持續微電網基礎設施的直流電能計量。

 

直流配電——微電網

什麼是微電網?從本質上講,微電網是更小版本的公用電力系統。因此,需要安全、可靠、高效的電源。

醫院、軍事基地都可能使用微電網,微電網甚至會作為公用系統的一部分,其中可再生能源發電、燃料發電機和儲能共同作用形成一個可靠的能源分配系統。

樓宇建築中也會使用微電網。隨著可再生能源發電機的廣泛使用,建築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生的電能足夠使用,獨立運作但仍提供公共電網支援。

此外,建築物多達50%的電力負載是直流電。目前,每台電子置都必須將交流電轉換為直流電,在這個過程中會損失高達20%的電能,與傳統交流配電相比,估計總能耗可節省多達28%。

在部署直流電的建築物中,可以透過將交流電一次轉換為直流電,並將直流電直接饋入所需設備(如LED燈和電腦)來降低能耗。

隨著大家對直流微電網日益關注,對標準化的需求也在增加。IEC 62053-41是一個即將推出的標準,將規定住宅直流系統和封閉式電表(類似於直流電能計量的等效交流計量)的要求和標稱水準。

截止2017年,直流微電網領域產值約為70億美元,並且隨著新興直流配電的發展趨勢將會進一步增長。

直流供電資料中心

資料中心營運商正在積極考慮使用不同的技術和解決方案來提高設施的電力效率,因為電力是其最大的成本之一。

資料中心營運商看到了直流配電的相關好處,不僅可減少交流和直流之間需要進行的最少轉換次數,而且與可再生能源的整合也更輕鬆、更高效。轉換級數的減少依照下方計算方式估計:

  • 節能5%~25%:提高傳輸和轉換效率,並減少熱量產生;
  • 雙倍可靠性和可用性;
  • 佔地面積減少33%。

 

圖3:與傳統交流配電相比,資料中心直流供電需要的元件更少,損耗也更低。

 

圖4:直流供電資料中心的可再生能源整合。

 

配電匯流排電壓範圍高達380VDC左右,由於許多營運商開始採用依照用電量向託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注。

向託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:

經常性費用 = 空間費用+ (IT裝置抄表× PUE)

  • 空間費用:固定,包括安全保障和所有建築物營運成本;
  • IT裝置抄表:IT裝置消耗的千瓦時數乘以電能成本;
  • 電源使用效率(PUE):考慮IT背後基礎設施的效率,例如散熱冷卻。

一個典型的現代機架會消耗高達40kW的直流電。因此,需要使用計費級直流電表來監測高達100A的電流。

精密直流電能計量挑戰

20世紀初,傳統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鋁盤中感應渦流,鋁盤上產生的轉矩與電壓和電流線圈產生的磁通量的乘積成正比。最後,在鋁盤上添加一個破碎磁鐵,使轉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的旋轉次數即可計量耗電量。

現代交流電表則更複雜,也更準確,並可防止竊電。現在,先進的智慧電表甚至可以監測其絕對精準度,並且安裝在現場時可全天候檢測是否存在竊電跡象。ADI的ADE9153B計量IC就具有此功能,它採用mSure技術。

無論是現代電表、傳統電表、交流電表還是直流電表,都是根據其每千瓦時脈衝常數和百分比等級精確度進行分類。每千瓦時脈衝數表示電能更新率,即解析度,等級精確度表示電能的最大計量誤差。

與老式機械電表類似,給定時間間隔內的電能也是透過計算這些脈衝數進行計量;脈衝頻率越高,暫態功率也越高,反之亦然。

直流電表架構

直流電表的基本架構如圖5所示。要測量負載所消耗的功率(P = V × I),至少需要一個電流感測器和一個電壓感測器。當低電壓側為地電位時,流過電表的電流通常在高電壓側測量,以便儘量減少未計量漏電的風險,但電流也可在低電壓側測量,如果設計架構需要,也可以在兩側測量。

 

圖5:直流電表系統架構。

 

通常使用測量和比較負載兩側電流的技術,使電表具有故障和竊電檢測能力,但是,在測量兩側的電流時,至少需要隔離一個電流感測器,以便處理導體間的高電位。

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ADC輸入相容的電平。

由於輸入訊號的幅度很大,使用標準元件可輕鬆實現精確的電壓測量。但是,必須注意所選元件的溫度係數和電壓係數,以確保在整個溫度範圍內具有所需的精準度。

如前所述,用於電動車充電站等應用的直流電表有時需要專門對傳輸到車輛的電能計費。為了滿足測量要求,電動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)。採用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帳單中扣除。

直流電能計量的電流測量

電流可透過直接連接測量,也可利用感應電荷載體流動所產生的磁場來間接測量,以下將討論最常用的直流電流測量感測器。

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,根據歐姆定律(V = R × I),分流電阻兩端的壓降與流經電阻的電流成正比,將壓降放大和進行數位化處理,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~kA電流的準確高效的低成本方法,理論上具有無限的頻寬。但是,這種方法有一些缺點。

當電流流過電阻時,產生的焦耳熱與電流的平方成比例。這不僅會造成效率損失,而且自熱效應還會影響分流電阻值,從而導致精準度下降。

為了限制自熱效應,可使用低值電阻,但是,使用小電阻時,通過感測元件的電壓也很小,有時會與系統的直流偏移相當。在這些情況下,要在動態範圍的低端實現所需精準度並不容易,可使用具有超低直流偏移和超低溫漂的先進類比前端,來克服低值分流電阻的限制。但是,由於運算放大器具有恆定增益-頻寬乘積,高增益將會限制可用頻寬。

低值電流檢測分流器通常由特定的金屬合金製成,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,從而導致總漂移約為數十ppm/℃。

直接連接直流測量中的另一個誤差因素是熱電動勢(EMF)現象,也稱為賽貝克效應(Seebeck effect)。在賽貝克效應這種現象中,在形成結的至少兩個不同電導體或半導體之間的溫差會在兩者之間產生電位差,賽貝克效應是一種眾所周知的現象,廣泛用於檢測熱電偶的溫度。

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,與銅感測導線一起傳播,銅感測導線可能連接到PCB (或其他介質),也可能有不同的溫度。

感測電路將形成不同材料的對稱分佈;因此,將大致抵消正負極感測導線上的交接處電勢。但是,熱容量的任何差異,如連接到更大銅塊(接地層)的負極感測導線,會導致溫度分佈不匹配,從而產生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所產生熱量的分佈情況。

 

圖6:由溫度梯度引起的分流器中的熱電動勢。

 

磁場感應——間接電流測量

開迴路霍爾效應

感測器由一個高磁導率迴路構成,感應電流導線通過該迴路。這會將被測導體周圍的磁力線集中到一個霍爾效應感測器上,該感測器插在磁芯的橫截面內,且其輸出經過預先處理,通常有不同的配置可供選擇。最常見的有:0V~5V、4mA~20mA或數位介面。以相對低成本提供隔離和高電流範圍的同時,絕對精確度通常不低於1%。

閉迴路霍爾效應

由電流放大器驅動的磁通磁芯上的多匝次級繞組提供負反饋,以實現總磁通量為零的情況。透過測量補償電流,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,並且精準度比開迴路解決方案更高。典型誤差範圍下降到0.5%,但是額外的補償電路使感測器成本更高,有時頻寬也受到限制。

通量閘(Fluxgate)

這是一個複雜的開迴路或閉迴路系統,透過監測故意飽和磁芯的磁通量變化來測量電流。線圈繞在高磁導率鐵磁芯上,磁芯由對稱方波電壓驅動的二次線圈故意飽和,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。透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,以及由此產生的電流。它可以提供良好的溫度穩定性和0.1%的精準度。但是,感測器中複雜的電子元件使其成為一種昂貴的解決方案,其價格比其他隔離式解決方案高10倍。

 

圖7:基於通量集中器和磁性感測器的開迴路電流感測器。

 

圖8:閉迴路電流感測器的工作原理示例。

 

直流電能計量:要求和標準化

雖然與現有交流計量標準生態系統相比,直流電能計量的標準化似乎不難實現,但產業利益相關者仍在討論不同應用的要求,這就需要更多的時間來敲定直流計量的具體細節。

IEC正在制定IEC 62053-41,以定義精準度等級為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範圍,並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,定義了動態範圍內的具體精確度,以及空載條件下的電流閾值。

草案中對系統頻寬沒有具體要求,但要求成功完成快速負載變化測試,並對系統最小頻寬定義了隱含要求。

電動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EN 50463-2,對每個感測器都指定了精準度,組合電能誤差是電壓、電流和計算誤差的正交和:

 

 

表1:根據EN 50463-2標準確定的最大電流誤差百分比。

 

 

表2:根據EN 50463-2標準確定的最大電壓誤差百分比。

 

結語:符合概念驗證標準的直流電表

ADI為精密電流和電壓測量提供完整訊號鏈。以下將介紹符合即將推出的專用標準IEC 62053-41要求的直流電表概念驗證,考慮到微電網和資料中心計費級直流電能計量的空間,可以假設表3中所示的需求。

 

表3:直流電表規格——概念驗證。

 

使用低值和低電動勢分流器可以實現準確的低成本電流檢測(< 1μVEMF/℃)。採用低值分流電阻對於減少自熱效應並使功率電平低於標準要求的限值至關重要。商用75μΩ分流器將會使功耗保持在0.5W以下。

 

圖9:直流電表系統架構。

 

但是,在75μΩ分流器上,80A標稱電流的1%會產生60μV的小訊號,需要使用在亞微伏(sub-microvolt)的失調漂移性能範圍內的訊號鏈。

ADA4528的最大失調電壓為2.5μV,最大失調電壓漂移為0.015μV/℃,非常適合為小分流訊號提供超低漂移、100V/V放大。因此,同步採樣、24位元ADC AD7779可直接連接到放大級,具有5nV/℃輸入參考失調漂移量。

 

圖10:概念驗證——原型製作。

 

透過直接與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。最後,利用微控制器實現簡單的逐樣本、中斷驅動計量功能,其中對於每個ADC樣本,中斷常式為:

  • 讀取電壓和電流樣本;
  • 計算暫態功率(P = I × V);
  • 在電能累加器中累加暫態功率;
  • 檢查電能累加器是否超過電能閾值以產生電能脈衝,並清除電能累加寄存器。

此外,除了計量功能,微控制器還支援系統級介面,如RS-485、LCD顯示和按鈕。

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2021年4月號

 

 

 

 

 

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