基于电流检测技术测量光伏系统输出

在太阳能光伏发电的带领下，从可再生能源中获取能源的市场正在蓬勃发展。在最简单的层面上，单个住宅配备了光伏系统，为自己的发电供电，并将多余的电力输送回国家电网。最高级别是公用事业规模的光伏电站和太阳能发电场，有助于提高电网弹性，帮助政府实现减少二氧化碳排放的全球目标。同时，智能电网概念正在成为向国家电力基础设施提供急需升级的前进方向。智能电表和非高峰电价的部署将有助于公用事业满足高峰需求，而不会过度增加总体容量。 “需求响应”和“交通能源”等技术将有助于我们有效利用可再生能源。

智能电网成功的关键是可视性，可控性和双向通信。这些关键方面的基础是需要准确监测能源生产和消费，以及收集数据进行分析。

图1：从英国屋顶到科罗拉多太阳能发电场，能源监控是必不可少的要求。照片来源（右）：Steve Wilcox，NREL。

作为测量和监测的核心，能量产生和消耗的性能是当前的传感器。本文将考虑一些典型的设备，以展示它们如何用于连接到光伏电池板的智能电表和能源监控系统。

Allegro提供一系列线性霍尔效应传感器和集成电流传感器，涵盖多种应用，包括光伏电池逆变器的输出侧，以及智能电表旁边的非侵入式测量和监控。

ADI公司是电子电能计量的先驱，它提供CN0241高端电流检测电路，具有输入过压保护和评估包。

最后，Maxim Integrated的78M6613，78M6618和78M6631交流电源监控SoC器件为单相和三相系统提供了另一种方法，同样基于电流检测技术。

市场增长

据Lux Research分析公司称，全球太阳能光伏市场到2018年将达到1550亿美元，复合年增长率为10.5％。在供过于求的一段时间后，供需将恢复平衡在2011年，这推动了价格和利润的下降。需求正在稳步增长，在发展中国家寻求减少对化石燃料的依赖同时创造有效产业方面尤为强劲。根据另一家市场研究公司GTM Research的数据，目前太阳能系统的安装率估计为每四分钟一次，美国的增长也是巨大的.2此外，预计到2016年将有100万个累计装置预测市场自2010年以来，GTM Research预计全球智能电网市场将超过4000亿美元，年均复合增长率将达到8％。智能电网数据分析已被确定为该市场中一个关键且快速增长的部门，预计到2020年将达到97亿美元。它被公认为欧洲特别“热门”的技术。光伏监控供应商分为四类，独立产品的独立供应商，太阳能逆变器制造商，集成太阳能系统供应商以及工业和建筑管理系统公司。

据欧洲领先的监测系统供应商Skytron Energy估计，未能监控性能的光伏系统所有者通常会失去其潜在性能效率的3％到6％。然而，在快速检测（和纠正）故障中所节省的费用据说可以在不到2年的时间内为监控系统付费。

如果只是为了检测电池或电池串故障或迅速降低效率，那么短期内任何尺寸的安装都将受益于监控系统。从长远来看，收集和分析有关时间和天气变化的性能数据可以提供有关技术选择，维护和设备退化的有价值信息，以及在公用事业层面，可以帮助规划未来增长的输出预测。

图2：从台式机到控制塔的能量监控。左：SMA Sunnybeam监控系统供家庭使用。右图：施耐德电气工厂监控系统。

监控农场

无论是在家庭还是在太阳能发电场规模，监控生产能源以及白天消耗的能力对于最大限度地提高效率和降低成本非常重要。一定程度的监测一直被纳入大规模光伏装置。但是，直到最近才发现它们的潜在价值。在更长的时间范围内收集，存储和分析数据是识别真正优化的性能数据的核心。失效光伏模块的数据与高效系统上的数据一样有用。此外，光伏电池板技术正在迅速变化，使得运营数据对于衡量效率改进或节省成本更为重要。

如今的太阳能发电场监控系统通常非常复杂，通常与类似SCADA的工厂监督软件平台和资产管理系统集成。该软件通常会定期更新，并具有新功能。结合环境传感器和气象站以提供诸如照射水平，温度和日照时间等因素的记录。事实上，天气数据已被确定为性能比规划的重要输入。

来自报警监控和错误日志的详细数据可以与子系统拓扑和逆变器模型交叉参考。分析软件可以理解数据以评估性能，识别常规和计划外维护问题，并为将来提供模型。

监控家庭

在市场的另一端，安装光伏系统的户主可以从监控系统中受益。监控系统不是早期安装的典型特征，现在已成为全球数十家公司提供的流行改造设备。

一些智能能源监控器，主要用于可视化家庭能源消耗，并与新一代智能电表配合使用，也可配置为监控系统安装人员的能源生成。随着大多数新的国内光伏装置，面板制造商和系统供应商提供监视器作为包的一部分。

家用监控系统通常包括直接或无线连接到逆变器的传感器单元。无线电发射器将数据发送到显示单元，该显示单元可以放置在方便可见的位置。根据显示器的复杂程度，可以对设备进行编程，以显示一系列数据，包括当前的发电速率，前一天的产量，当天的收入，历史数据，与以前时间段的比较，以及所有数据。系统停止工作时的重要警报。许多系统允许将数据传输到计算机或智能手机，或通过Internet访问。

无论是在太阳能发电场还是在家中，监控系统的核心是一个测量光伏电池板输出的基本电能表。该数据构成了产量和性能比分析的基础。家用系统通常从电流传感器或光传感器进行测量，光传感器检测来自已安装系统的LED脉冲。电流传感器被认为可以提供更好的瞬时功率读数。

电流传感

Allegro Microsystems指出，可再生能源占全球能源消耗的比例越来越大，太阳能和风能领先。作为回应，该公司正在针对光伏和可再生能源市场，针对逆变器，电源转换和电源管理应用，将其集成霍尔效应电流检测解决方案作为目标。

传感器IC采用嵌入式高压隔离，适用于直流和交流电流检测。对于逆变器DC输入端的直流电流检测，器件需要高隔离电压，并且对于相对较低的电流测量需要高精度。这些霍尔效应线性器件具有低噪声输出电压信号，适用于逆变器输出侧的交流电流检测。

图3：典型的可再生能源监控设置，显示安装在光伏板和逆变器（DC-CS1）之间以及逆变器和功率计（AC-CS2）之间的电流传感器。

ACS758LCB是一款100 A双向器件，工作电压范围为50至200 A.它将精密的低偏移线性霍尔电路与位于芯片附近的铜导电路径集成到一个IC封装中。当感应电流高达200 A时，导体电阻通常为100μΩ，以实现超低功耗。封装设计还提供3000 VRMS的电流隔离，可用于许多线路侧应用。

图4：Allegro ACS系列50至200 A电流传感器的功能图。

流过该铜导电路径的施加电流产生磁场，霍尔IC将其转换为比例电压。通过磁信号与霍尔传感器的紧密接近，优化了设备精度。低偏移，斩波稳定的BiCmos霍尔IC提供精确的比例输出电压，可在工厂进行精确编程。当用于测量光伏电池板产生的能量时，准确性是一个重要特征，对于国内应用来说更为可取，因为它可用于客户账单信息。

当增加的电流流过主铜导电路径时，器件的输出具有正斜率，用于电流采样。铜导体的厚度允许器件在高过电流条件下存活。导电路径的端子与信号引线（引脚1至3）电隔离。这允许该器件用于需要电隔离的应用中，而无需使用光隔离器或其他昂贵的隔离技术。

专为交流电流检测而设计的0至20 A ACS712ELCTR采用倒装芯片封装，具有相同的设计结构和操作特性。差异包括导电路径的内阻，即1.2mΩ，该器件可承受高达5倍的过流条件。提供评估板ASEK712ELC-20A-T-DK。

高端电流监测

ADI公司支持各种计量应用，包括用于计量，隔离，电源管理和通信功能的各种设备。 CN0241是一款具有输入过压保护功能的高端电流监控解决方案。为了节省功率，电流感测电路可以断电，但允许电源（例如太阳能电池板）继续运行。简化原理图如图5所示。详细的电路笔记3解释了电路的功能和优点。

图5：ADI公司的CN0241高端电流检测解决方案的简化原理图。

电流监视器采用ADA4096-2运算放大器作为差分放大器连接，用于监视高端电流，ADP3336低压差（LDO）线性稳压器为电路供电，AD7920则为12位逐次逼近模拟 - 数字转换器。单个检测电阻与四个附加电阻一起包含，以设置差动放大器增益。

运算放大器具有输入过压保护功能，无相位反转或闩锁，适用于高于和低于电源轨32 V的电压。电路笔记解释说，这对于电源排序问题的应用尤为重要，这些问题可能导致信号源在应用放大器电源之前处于活动状态。

当设置为5 V输出时，500 mA LDO可选择接受5.2至12 V的输入电压范围。它还可用于为系统的其他部分供电。如有必要，可以关闭运算放大器和LDO稳压器。

对电路稍作修改，CN0241可以监控输入电源电压高达+30 V的电流。而不是将运算放大器的+ V引脚连接到LDO的+5 V，+ V引脚直接连接到被监控的输入电源。在此配置中，ADA4096-2直接由输入电源供电。

对于电路评估和测试，EVAL-CN0241-SDPZ电路板与EVAL-SDP-CB1Z系统演示平台配合使用。使用CN0241评估软件设置SDP控制器板，以捕获来自电流检测监控电路的数据。

现状分析

Maxim Integrated同时指出，准确测量太阳能光伏装置产生的能量可以提供有关系统运行状态的宝贵见解。随着可再生能源占电网功率的比例越来越大，Maxim表示公用事业公司将依靠这些能源测量的准确性和速度来维持电力输送，同时平稳地整合可变电源。

Maxim提供的关键解决方案是用于住宅监控系统的78M6613单相交流电源测量IC，78M6618 8通道版本，适用于具有多个测量点的大规模操作，以及78M6631三相电源测量和监控用于商业系统的SoC。

图6：Maxim 78M6613单相交流电源测量IC的框图。

78M6613具有四个模拟输入，用于连接电压和电流传感器。测量通过Teridian单转换器技术（见图6）提供给集成的32位计算引擎，包括一个22位delta-sigma模数转换器和多路复用器。数字温度补偿和精密电压基准的结合有助于在宽的2000：1动态范围内实现优于0.5％的测量精度。这些设备的准确性和范围使得能源生产商即使在最弱的阳光下也能监控和评估屋顶太阳能电池板的系统性能。

额外的8位MPU内核具有2 kB Xram和32 kB闪存，32 kHz时基，硬件看门狗定时器，UART接口和10个GPIO引脚完成配置。一系列在线仿真和开发工具以及应用固件可用于提供针对交流电源单元和高功率负载（分相）单元优化的交钥匙能量测量解决方案。

还提供所有设备的评估板。 78M6631-EVM-1通过USB电缆连接到PC，板载78M6631预编程了演示固件代码。包括在线仿真器适配器和三个电流互感器。

图7：78M6631三相功率测量和监控IC的评估板。

摘要

从屋顶板到公用事业规模的太阳能发电场，监控光伏板的性能至关重要，因此是一个快速增长的市场领域。电流检测和测量是大多数能量监测系统背后的核心技术。已经使用少量典型电路来说明该技术，包括交流和直流测量，具有高端电流监控，高精度，宽动态范围，过压和过流保护以及低功耗操作。

案例研究：将智能监控与能源收集相结合，使人们摆脱燃料贫困问题

近1600万美国家庭（超过7％）生活在贫困状态，他们需要将年收入的10％以上用于能源账单。在英国，这一比例甚至更高，有320万户家庭（超过12％）处于燃料贫困状态。

通过使用一系列现成的能源监测工具和能量收集技术，英国怀特岛的一个社会住房社区已经能够减少能源贫困人口的数量。

最初的计划：电力但没有监控

Chale项目开始是削减一些最贫困社区成员的能源费用的基本尝试。所有房屋都采用电加热方式进行切割，当地政府已筹集资金，用太阳能电池板和空气源热泵对房屋进行改造。

这导致家庭略有改善，但没有智能计量设备，人们无法调整自己的行为以更好地利用免费电源。社区因此转向IBM的另一位Chale居民Andy Stamford-Clarke，他将他15世纪的茅草屋改造成了一个房子，如果有漏水，可以在Twitter上宣布，如果灯泡爆炸，如果它使用了太多电力，即使鼠标陷阱被解雇了。

设备

每个房子都包含电表，光伏电表和水表，所有这些都配有电流成本变送器。此外，六***立设备监视器也安装在使用功率最大的设备上。

他们都将数据流式传输到运行MQTT软件并连接到宽带路由器的当前成本显示器。最后，为了更容易知道功耗何时超过发电量，还使用了多色LED环境指示灯，由带有X10控制器的GuruPlug家用集线器控制。

图8：Chale项目。

影响

很快就会发现光伏电池板没有提供足够的能量来同时为所有电器供电。还表明仅需要进行小的改变，例如连续地运行洗衣机和滚筒式烘干机，而不是同时运行，使得功率需求低于太阳能阈值。

总的来说，能源账单大致减半。更重要的是，轶事证据还表明，由于房地产犯罪率已经下降，因此租房者的租金减少了。