基于電流檢測技術(shù)測量光伏系統(tǒng)輸出

在太陽能光伏發(fā)電的帶領(lǐng)下，從可再生能源中獲取能源的市場正在蓬勃發(fā)展。在最簡單的層面上，單個住宅配備了光伏系統(tǒng)，為自己的發(fā)電供電，并將多余的電力輸送回國家電網(wǎng)。最高級別是公用事業(yè)規(guī)模的光伏電站和太陽能發(fā)電場，有助于提高電網(wǎng)彈性，幫助政府實現(xiàn)減少二氧化碳排放的全球目標(biāo)。同時，智能電網(wǎng)概念正在成為向國家電力基礎(chǔ)設(shè)施提供急需升級的前進(jìn)方向。智能電表和非高峰電價的部署將有助于公用事業(yè)滿足高峰需求，而不會過度增加總體容量。 “需求響應(yīng)”和“交通能源”等技術(shù)將有助于我們有效利用可再生能源。

智能電網(wǎng)成功的關(guān)鍵是可視性，可控性和雙向通信。這些關(guān)鍵方面的基礎(chǔ)是需要準(zhǔn)確監(jiān)測能源生產(chǎn)和消費(fèi)，以及收集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

圖1：從英國屋頂?shù)娇屏_拉多太陽能發(fā)電場，能源監(jiān)控是必不可少的要求。照片來源（右）：Steve Wilcox，NREL。

作為測量和監(jiān)測的核心，能量產(chǎn)生和消耗的性能是當(dāng)前的傳感器。本文將考慮一些典型的設(shè)備，以展示它們?nèi)绾斡糜谶B接到光伏電池板的智能電表和能源監(jiān)控系統(tǒng)。

Allegro提供一系列線性霍爾效應(yīng)傳感器和集成電流傳感器，涵蓋多種應(yīng)用，包括光伏電池逆變器的輸出側(cè)，以及智能電表旁邊的非侵入式測量和監(jiān)控。

ADI公司是電子電能計量的先驅(qū)，它提供CN0241高端電流檢測電路，具有輸入過壓保護(hù)和評估包。

最后，Maxim Integrated的78M6613，78M6618和78M6631交流電源監(jiān)控SoC器件為單相和三相系統(tǒng)提供了另一種方法，同樣基于電流檢測技術(shù)。

市場增長

據(jù)Lux Research分析公司稱，全球太陽能光伏市場到2018年將達(dá)到1550億美元，復(fù)合年增長率為10.5％。在供過于求的一段時間后，供需將恢復(fù)平衡在2011年，這推動了價格和利潤的下降。需求正在穩(wěn)步增長，在發(fā)展中國家尋求減少對化石燃料的依賴同時創(chuàng)造有效產(chǎn)業(yè)方面尤為強(qiáng)勁。根據(jù)另一家市場研究公司GTM Research的數(shù)據(jù)，目前太陽能系統(tǒng)的安裝率估計為每四分鐘一次，美國的增長也是巨大的.2此外，預(yù)計到2016年將有100萬個累計裝置預(yù)測市場自2010年以來，GTM Research預(yù)計全球智能電網(wǎng)市場將超過4000億美元，年均復(fù)合增長率將達(dá)到8％。智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)分析已被確定為該市場中一個關(guān)鍵且快速增長的部門，預(yù)計到2020年將達(dá)到97億美元。它被公認(rèn)為歐洲特別“熱門”的技術(shù)。光伏監(jiān)控供應(yīng)商分為四類，獨立產(chǎn)品的獨立供應(yīng)商，太陽能逆變器制造商，集成太陽能系統(tǒng)供應(yīng)商以及工業(yè)和建筑管理系統(tǒng)公司。

據(jù)歐洲領(lǐng)先的監(jiān)測系統(tǒng)供應(yīng)商Skytron Energy估計，未能監(jiān)控性能的光伏系統(tǒng)所有者通常會失去其潛在性能效率的3％到6％。然而，在快速檢測（和糾正）故障中所節(jié)省的費(fèi)用據(jù)說可以在不到2年的時間內(nèi)為監(jiān)控系統(tǒng)付費(fèi)。

如果只是為了檢測電池或電池串故障或迅速降低效率，那么短期內(nèi)任何尺寸的安裝都將受益于監(jiān)控系統(tǒng)。從長遠(yuǎn)來看，收集和分析有關(guān)時間和天氣變化的性能數(shù)據(jù)可以提供有關(guān)技術(shù)選擇，維護(hù)和設(shè)備退化的有價值信息，以及在公用事業(yè)層面，可以幫助規(guī)劃未來增長的輸出預(yù)測。

圖2：從臺式機(jī)到控制塔的能量監(jiān)控。左：SMA Sunnybeam監(jiān)控系統(tǒng)供家庭使用。右圖：施耐德電氣工廠監(jiān)控系統(tǒng)。

監(jiān)控農(nóng)場

無論是在家庭還是在太陽能發(fā)電場規(guī)模，監(jiān)控生產(chǎn)能源以及白天消耗的能力對于最大限度地提高效率和降低成本非常重要。一定程度的監(jiān)測一直被納入大規(guī)模光伏裝置。但是，直到最近才發(fā)現(xiàn)它們的潛在價值。在更長的時間范圍內(nèi)收集，存儲和分析數(shù)據(jù)是識別真正優(yōu)化的性能數(shù)據(jù)的核心。失效光伏模塊的數(shù)據(jù)與高效系統(tǒng)上的數(shù)據(jù)一樣有用。此外，光伏電池板技術(shù)正在迅速變化，使得運(yùn)營數(shù)據(jù)對于衡量效率改進(jìn)或節(jié)省成本更為重要。

如今的太陽能發(fā)電場監(jiān)控系統(tǒng)通常非常復(fù)雜，通常與類似SCADA的工廠監(jiān)督軟件平臺和資產(chǎn)管理系統(tǒng)集成。該軟件通常會定期更新，并具有新功能。結(jié)合環(huán)境傳感器和氣象站以提供諸如照射水平，溫度和日照時間等因素的記錄。事實上，天氣數(shù)據(jù)已被確定為性能比規(guī)劃的重要輸入。

來自報警監(jiān)控和錯誤日志的詳細(xì)數(shù)據(jù)可以與子系統(tǒng)拓?fù)浜湍孀兤髂Ｐ徒徊鎱⒖肌７治鲕浖梢岳斫鈹?shù)據(jù)以評估性能，識別常規(guī)和計劃外維護(hù)問題，并為將來提供模型。

監(jiān)控家庭

在市場的另一端，安裝光伏系統(tǒng)的戶主可以從監(jiān)控系統(tǒng)中受益。監(jiān)控系統(tǒng)不是早期安裝的典型特征，現(xiàn)在已成為全球數(shù)十家公司提供的流行改造設(shè)備。

一些智能能源監(jiān)控器，主要用于可視化家庭能源消耗，并與新一代智能電表配合使用，也可配置為監(jiān)控系統(tǒng)安裝人員的能源生成。隨著大多數(shù)新的國內(nèi)光伏裝置，面板制造商和系統(tǒng)供應(yīng)商提供監(jiān)視器作為包的一部分。

家用監(jiān)控系統(tǒng)通常包括直接或無線連接到逆變器的傳感器單元。無線電發(fā)射器將數(shù)據(jù)發(fā)送到顯示單元，該顯示單元可以放置在方便可見的位置。根據(jù)顯示器的復(fù)雜程度，可以對設(shè)備進(jìn)行編程，以顯示一系列數(shù)據(jù)，包括當(dāng)前的發(fā)電速率，前一天的產(chǎn)量，當(dāng)天的收入，歷史數(shù)據(jù)，與以前時間段的比較，以及所有數(shù)據(jù)。系統(tǒng)停止工作時的重要警報。許多系統(tǒng)允許將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C(jī)或智能手機(jī)，或通過Internet訪問。

無論是在太陽能發(fā)電場還是在家中，監(jiān)控系統(tǒng)的核心是一個測量光伏電池板輸出的基本電能表。該數(shù)據(jù)構(gòu)成了產(chǎn)量和性能比分析的基礎(chǔ)。家用系統(tǒng)通常從電流傳感器或光傳感器進(jìn)行測量，光傳感器檢測來自已安裝系統(tǒng)的LED脈沖。電流傳感器被認(rèn)為可以提供更好的瞬時功率讀數(shù)。

電流傳感

Allegro Microsystems指出，可再生能源占全球能源消耗的比例越來越大，太陽能和風(fēng)能領(lǐng)先。作為回應(yīng)，該公司正在針對光伏和可再生能源市場，針對逆變器，電源轉(zhuǎn)換和電源管理應(yīng)用，將其集成霍爾效應(yīng)電流檢測解決方案作為目標(biāo)。

傳感器IC采用嵌入式高壓隔離，適用于直流和交流電流檢測。對于逆變器DC輸入端的直流電流檢測，器件需要高隔離電壓，并且對于相對較低的電流測量需要高精度。這些霍爾效應(yīng)線性器件具有低噪聲輸出電壓信號，適用于逆變器輸出側(cè)的交流電流檢測。

圖3：典型的可再生能源監(jiān)控設(shè)置，顯示安裝在光伏板和逆變器（DC-CS1）之間以及逆變器和功率計（AC-CS2）之間的電流傳感器。

ACS758LCB是一款100 A雙向器件，工作電壓范圍為50至200 A.它將精密的低偏移線性霍爾電路與位于芯片附近的銅導(dǎo)電路徑集成到一個IC封裝中。當(dāng)感應(yīng)電流高達(dá)200 A時，導(dǎo)體電阻通常為100μΩ，以實現(xiàn)超低功耗。封裝設(shè)計還提供3000 VRMS的電流隔離，可用于許多線路側(cè)應(yīng)用。

圖4：Allegro ACS系列50至200 A電流傳感器的功能圖。

流過該銅導(dǎo)電路徑的施加電流產(chǎn)生磁場，霍爾IC將其轉(zhuǎn)換為比例電壓。通過磁信號與霍爾傳感器的緊密接近，優(yōu)化了設(shè)備精度。低偏移，斬波穩(wěn)定的BiCmos霍爾IC提供精確的比例輸出電壓，可在工廠進(jìn)行精確編程。當(dāng)用于測量光伏電池板產(chǎn)生的能量時，準(zhǔn)確性是一個重要特征，對于國內(nèi)應(yīng)用來說更為可取，因為它可用于客戶賬單信息。

當(dāng)增加的電流流過主銅導(dǎo)電路徑時，器件的輸出具有正斜率，用于電流采樣。銅導(dǎo)體的厚度允許器件在高過電流條件下存活。導(dǎo)電路徑的端子與信號引線（引腳1至3）電隔離。這允許該器件用于需要電隔離的應(yīng)用中，而無需使用光隔離器或其他昂貴的隔離技術(shù)。

專為交流電流檢測而設(shè)計的0至20 A ACS712ELCTR采用倒裝芯片封裝，具有相同的設(shè)計結(jié)構(gòu)和操作特性。差異包括導(dǎo)電路徑的內(nèi)阻，即1.2mΩ，該器件可承受高達(dá)5倍的過流條件。提供評估板ASEK712ELC-20A-T-DK。

高端電流監(jiān)測

ADI公司支持各種計量應(yīng)用，包括用于計量，隔離，電源管理和通信功能的各種設(shè)備。 CN0241是一款具有輸入過壓保護(hù)功能的高端電流監(jiān)控解決方案。為了節(jié)省功率，電流感測電路可以斷電，但允許電源（例如太陽能電池板）繼續(xù)運(yùn)行。簡化原理圖如圖5所示。詳細(xì)的電路筆記3解釋了電路的功能和優(yōu)點。

圖5：ADI公司的CN0241高端電流檢測解決方案的簡化原理圖。

電流監(jiān)視器采用ADA4096-2運(yùn)算放大器作為差分放大器連接，用于監(jiān)視高端電流，ADP3336低壓差（LDO）線性穩(wěn)壓器為電路供電，AD7920則為12位逐次逼近模擬 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換器。單個檢測電阻與四個附加電阻一起包含，以設(shè)置差動放大器增益。

運(yùn)算放大器具有輸入過壓保護(hù)功能，無相位反轉(zhuǎn)或閂鎖，適用于高于和低于電源軌32 V的電壓。電路筆記解釋說，這對于電源排序問題的應(yīng)用尤為重要，這些問題可能導(dǎo)致信號源在應(yīng)用放大器電源之前處于活動狀態(tài)。

當(dāng)設(shè)置為5 V輸出時，500 mA LDO可選擇接受5.2至12 V的輸入電壓范圍。它還可用于為系統(tǒng)的其他部分供電。如有必要，可以關(guān)閉運(yùn)算放大器和LDO穩(wěn)壓器。

對電路稍作修改，CN0241可以監(jiān)控輸入電源電壓高達(dá)+30 V的電流。而不是將運(yùn)算放大器的+ V引腳連接到LDO的+5 V，+ V引腳直接連接到被監(jiān)控的輸入電源。在此配置中，ADA4096-2直接由輸入電源供電。

對于電路評估和測試，EVAL-CN0241-SDPZ電路板與EVAL-SDP-CB1Z系統(tǒng)演示平臺配合使用。使用CN0241評估軟件設(shè)置SDP控制器板，以捕獲來自電流檢測監(jiān)控電路的數(shù)據(jù)。

現(xiàn)狀分析

Maxim Integrated同時指出，準(zhǔn)確測量太陽能光伏裝置產(chǎn)生的能量可以提供有關(guān)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的寶貴見解。隨著可再生能源占電網(wǎng)功率的比例越來越大，Maxim表示公用事業(yè)公司將依靠這些能源測量的準(zhǔn)確性和速度來維持電力輸送，同時平穩(wěn)地整合可變電源。

Maxim提供的關(guān)鍵解決方案是用于住宅監(jiān)控系統(tǒng)的78M6613單相交流電源測量IC，78M6618 8通道版本，適用于具有多個測量點的大規(guī)模操作，以及78M6631三相電源測量和監(jiān)控用于商業(yè)系統(tǒng)的SoC。

圖6：Maxim 78M6613單相交流電源測量IC的框圖。

78M6613具有四個模擬輸入，用于連接電壓和電流傳感器。測量通過Teridian單轉(zhuǎn)換器技術(shù)（見圖6）提供給集成的32位計算引擎，包括一個22位delta-sigma模數(shù)轉(zhuǎn)換器和多路復(fù)用器。數(shù)字溫度補(bǔ)償和精密電壓基準(zhǔn)的結(jié)合有助于在寬的2000：1動態(tài)范圍內(nèi)實現(xiàn)優(yōu)于0.5％的測量精度。這些設(shè)備的準(zhǔn)確性和范圍使得能源生產(chǎn)商即使在最弱的陽光下也能監(jiān)控和評估屋頂太陽能電池板的系統(tǒng)性能。

額外的8位MPU內(nèi)核具有2 kB Xram和32 kB閃存，32 kHz時基，硬件看門狗定時器，UART接口和10個GPIO引腳完成配置。一系列在線仿真和開發(fā)工具以及應(yīng)用固件可用于提供針對交流電源單元和高功率負(fù)載（分相）單元優(yōu)化的交鑰匙能量測量解決方案。

還提供所有設(shè)備的評估板。 78M6631-EVM-1通過USB電纜連接到PC，板載78M6631預(yù)編程了演示固件代碼。包括在線仿真器適配器和三個電流互感器。

圖7：78M6631三相功率測量和監(jiān)控IC的評估板。

摘要

從屋頂板到公用事業(yè)規(guī)模的太陽能發(fā)電場，監(jiān)控光伏板的性能至關(guān)重要，因此是一個快速增長的市場領(lǐng)域。電流檢測和測量是大多數(shù)能量監(jiān)測系統(tǒng)背后的核心技術(shù)。已經(jīng)使用少量典型電路來說明該技術(shù)，包括交流和直流測量，具有高端電流監(jiān)控，高精度，寬動態(tài)范圍，過壓和過流保護(hù)以及低功耗操作。

案例研究：將智能監(jiān)控與能源收集相結(jié)合，使人們擺脫燃料貧困問題

近1600萬美國家庭（超過7％）生活在貧困狀態(tài)，他們需要將年收入的10％以上用于能源賬單。在英國，這一比例甚至更高，有320萬戶家庭（超過12％）處于燃料貧困狀態(tài)。

通過使用一系列現(xiàn)成的能源監(jiān)測工具和能量收集技術(shù)，英國懷特島的一個社會住房社區(qū)已經(jīng)能夠減少能源貧困人口的數(shù)量。

最初的計劃：電力但沒有監(jiān)控

Chale項目開始是削減一些最貧困社區(qū)成員的能源費(fèi)用的基本嘗試。所有房屋都采用電加熱方式進(jìn)行切割，當(dāng)?shù)卣鸦I集資金，用太陽能電池板和空氣源熱泵對房屋進(jìn)行改造。

這導(dǎo)致家庭略有改善，但沒有智能計量設(shè)備，人們無法調(diào)整自己的行為以更好地利用免費(fèi)電源。社區(qū)因此轉(zhuǎn)向IBM的另一位Chale居民Andy Stamford-Clarke，他將他15世紀(jì)的茅草屋改造成了一個房子，如果有漏水，可以在Twitter上宣布，如果燈泡爆炸，如果它使用了太多電力，即使鼠標(biāo)陷阱被解雇了。

設(shè)備

每個房子都包含電表，光伏電表和水表，所有這些都配有電流成本變送器。此外，六***立設(shè)備監(jiān)視器也安裝在使用功率最大的設(shè)備上。

他們都將數(shù)據(jù)流式傳輸?shù)竭\(yùn)行MQTT軟件并連接到寬帶路由器的當(dāng)前成本顯示器。最后，為了更容易知道功耗何時超過發(fā)電量，還使用了多色LED環(huán)境指示燈，由帶有X10控制器的GuruPlug家用集線器控制。

圖8：Chale項目。

影響

很快就會發(fā)現(xiàn)光伏電池板沒有提供足夠的能量來同時為所有電器供電。還表明僅需要進(jìn)行小的改變，例如連續(xù)地運(yùn)行洗衣機(jī)和滾筒式烘干機(jī)，而不是同時運(yùn)行，使得功率需求低于太陽能閾值。

總的來說，能源賬單大致減半。更重要的是，軼事證據(jù)還表明，由于房地產(chǎn)犯罪率已經(jīng)下降，因此租房者的租金減少了。