精密直流能计量的需求不断增长
文章：Luca Martini
通过基于宽带隙半导体的高效和经济功率转换技术的发展驱动，许多应用现在看到切换到直流能量交换方面的好处。
在21圣本世纪以来，世界各国政府都在制定行动计划，以应对减少二氧化碳排放的复杂和长期挑战2排放。有限公司2已经证明了排放负责气候变化的毁灭性影响，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。
包括可再生和不可再生能源，世界人口去年消耗近18万亿千瓦时，而且需求不断增长。事实上，过去15年来消耗了超过一半的能量，我们的电网和发电机不断扩大。对更高效和环保的力量的需求从未如此。
因为更容易使用，早期的电网开发人员使用交流电(ac)为世界供电，但在许多地区，直流电(dc)可以显著提高效率。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的发展，现在许多应用都看到了转换到直流能量交换的好处。因此，精确的直流能源计量变得重要起来，特别是涉及能源账单的地方。
在这篇由两部分组成的系列文章的第一篇中，我们将讨论电动汽车充电站、可再生能源发电、服务器农场、微电网和点对点能源共享中的直流计量机会。第二篇文章将解决直流计量的挑战，并提出直流电能表的设计方案。
直流能计量应用
直流电动汽车充电站
截至2018年，插电式电动汽车的年复合增长率预计为+70%1从2017年到2024年，预计年复合年增长率为25%。2从2018年到2023年，充电站市场的年复合增长率将达到41.8%。3.然而，要加快CO的减少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，努力进入了电池的容量和寿命，但广泛的EV充电网络也是允许长途旅行的基本条件，而不必担心范围或充电时间。许多能源提供商和私营公司正在部署高达150千瓦的快速充电器，并且对每次充电桩有高达500千瓦的超快速充电器有很强的兴趣。考虑超快充电站具有本地化充电峰值的电源直至兆瓦和相关的快速充电能量溢价率，EV充电将成为一个大规模的能源交换市场，因此需要准确的能源计费。
目前，标准电动汽车充电器是在交流侧计量的，缺点是没有测量交流到直流转换的能量损失，因此，对终端用户来说，计费是不准确的。自2019年以来，新的欧盟法规迫使能源供应商只向客户收取转移到电动汽车上的能源费用，使能源供应商承担电力转换和配电损失。
虽然最先进的SIC EV转换器可以达到97％以上的效率，但明确需要在直流侧进行准确结算，以便快速和超快充电器，当直接连接到电池时，能量在DC中传输能量。机动车。除了公开的充电计量兴趣外，私人和住宅点对点EV充电方案可能在直流侧的精确能源计费方面可能具有更高的激励。
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图1.未来EV燃料站的DC能量计量。(来源:模拟设备)
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图2。可持续微电网基础设施中的直流能源计量。(来源:模拟设备)
直流Distribution-Microgrids
什么是微电网？实质上，微电网是较小的公用电力系统版本。因此，需要安全，可靠和有效的功率。微电网的示例可以在医院，军用基地找到，甚至作为可再生于可再生的发电机和能量存储器的公用事业系统的一部分，也可以一起工作以使可靠的能量分配系统。
在建筑物中也可以找到微电网的其他例子。随着可再生能源发电机的广泛应用，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可以产生与使用相同的能量，独立但有电网支持。
此外，多达50％的建筑电荷在DC上运行。目前，每个电子设备必须将AC转换为直流电源，并且在该过程中损失了高达20％的能量，总节省估计高达28％的传统交流发行。4
在直流建筑中，通过一次将AC转换为DC并将DC直接转换为需要它的设备，例如LED灯和计算机，可以降低能量消耗。
对直流微电网的兴趣正在迅速增长，同时也需要标准化。
IEC 62053-41是一个悬而未决的标准，指出了住宅直流系统和封闭式仪表的要求和标称水平，类似于直流电能计量的交流当量。
截至2017年，直流微电网的价值约为70亿美元5并将从新兴直流分布趋势中看到进一步增长。
DC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，以提高其设施的功率效率，因为权力是其最大成本之一。
数据中心运算符在DC分配中看到相关优势，因为AC和DC之间所需的最小转换次数降低，与可再生能源的集成更容易，更高效。估计转换阶段的减少为：
- 节能5％至25％：传输和转换效率的增加，发电量较少
- 2×可靠性和可用性
- 减少33%楼面面积
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图3。与传统交流配电相比，直流配电所需的组件更少，损耗更低。(来源:模拟设备)
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图4.直流数据中心中的可再生能源集成。(来源:模拟设备)
分配总线电压范围高达380 v直流由于许多运营商正转向更可测量的方法，即根据用电情况向当地客户收费，因此，精确的直流电能计量正引起人们的兴趣。
为电源使用的两个最流行的电费方式是：
- 每次鞭子（每个出口的平均费用）
- 消耗的能量（每千瓦时收取的计量出口电力）
为了鼓励功率效率，计量的输出方法是越来越受欢迎，客户价格可以描述为：
经常性成本=舱位费+ (IT设备抄表× PUE)
- 空间费：固定，包括安全性和所有建筑运营成本
- IT设备抄表:IT设备消耗的千瓦时数乘以能源成本
- 电力使用效果（扁平）：考虑到它后面的基础设施的效率，如冷却
一个典型的现代机架消耗高达40千瓦的直流功率。因此，需要用计费级直流电表监测高达100a的电流。
参考
1汤姆·特伦廷，斯科特·哈德曼，达利娅·加拉斯。”向可持续发展的电动汽车转型国家可持续交通中心，加州大学戴维斯分校，2018年7月。
2“全球电动车辆市场报告（电池电动车，混合动力电动汽车和插入式混合动力电动车），乘车型（两个惠勒，乘用车和商用车辆），以及由地区行业趋势，大小，分享，增长，估计和预测，2017-2024。“价值市场研究。
3.电动汽车充电站市场通过充电站（交流充电站，直流充电站），安装类型（住宅，商业）和地区（北美，欧洲，亚太地区和行）-Global预测到2023。研究与市场，2018年4月。
4Venkata Anand Prabhala, Bhanu Prashant Baddipadiga, Poria Fajri和Mehdi Ferdowsi。”直流配电系统架构和优点概述。” MDPI, September 2018.
5“全球微电网型（AC MicroGrid，DC Microgrid，Hybrid），连接（网格连接，远程/岛），提供（硬件，服务，软件），电源（天然气，太阳能，燃料电池，综合发热和电力，柴油等），申请（医疗保健，工业，军事，电力，教育机构），地区（北美，欧洲，亚太地区，南美洲和中东和非洲），全球产业分析，市场规模，分享，增长，趋势和预测，2018-2025。“ResearchStore.biz。
本文最初发表于嵌入式。
Luca Martini.收到了一个m.eng。2016年，博洛尼亚大学的电子和电信工程学位。作为他的M.eng的一部分。学位，他在德国纽伦堡IIS度过了七个月，开发了精确的实时控制系统，用于表征压电能量收割机。从2006年到2016年，Luca担任生物医学部门的系统和硬件开发商。2016年，卢卡加入了能源和工业体系组模拟设备，英国爱丁堡。他可以在luca.martini@analog.com到达他。