在太陽(yáng)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(chǎng)正在蓬勃發(fā)展。在最簡(jiǎn)單的層面上，單個(gè)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(guó)家電網(wǎng)。最高級(jí)別是公用事業(yè)規(guī)模的光伏電站和太陽(yáng)能發(fā)電場(chǎng)，有助于提高電網(wǎng)彈性，幫助政府實(shí)現(xiàn)減少二氧化碳排放的全球目標(biāo)。同時(shí)，智能電網(wǎng)概念正在成為向國(guó)家電力基礎(chǔ)設(shè)施提供急需升級(jí)的前進(jìn)方向。智能電表和非高峰電價(jià)的部署將有助于公用事業(yè)滿足高峰需求，而不會(huì)過(guò)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(cè)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(guó)屋頂?shù)娇屏_拉多太陽(yáng)能發(fā)電場(chǎng)，能源監(jiān)控是必不可少的要求。照片來(lái)源（右）：Steve Wilcox，NREL。

作為測(cè)量和監(jiān)測(cè)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(cè)量和監(jiān)控。

ADI公司是電子電能計(jì)量的先驅(qū)，它提供CN0241高端電流檢測(cè)電路，具有輸入過(guò)壓保護(hù)和評(píng)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(cè)技術(shù)。

市場(chǎng)增長(zhǎng)

據(jù)Lux Research分析公司稱，全球太陽(yáng)能光伏市場(chǎng)到2018年將達(dá)到1550億美元，復(fù)合年增長(zhǎng)率為10.5％。在供過(guò)于求的一段時(shí)間后，供需將恢復(fù)平衡在2011年，這推動(dòng)了價(jià)格和利潤(rùn)的下降。需求正在穩(wěn)步增長(zhǎng)，在發(fā)展中國(guó)家尋求減少對(duì)化石燃料的依賴同時(shí)創(chuàng)造有效產(chǎn)業(yè)方面尤為強(qiáng)勁。根據(jù)另一家市場(chǎng)研究公司GTM Research的數(shù)據(jù)，目前太陽(yáng)能系統(tǒng)的安裝率估計(jì)為每四分鐘一次，美國(guó)的增長(zhǎng)也是巨大的.2此外，預(yù)計(jì)到2016年將有100萬(wàn)個(gè)累計(jì)裝置預(yù)測(cè)市場(chǎng)自2010年以來(lái)，GTM Research預(yù)計(jì)全球智能電網(wǎng)市場(chǎng)將超過(guò)4000億美元，年均復(fù)合增長(zhǎng)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(chǎng)中一個(gè)關(guān)鍵且快速增長(zhǎng)的部門(mén)，預(yù)計(jì)到2020年將達(dá)到97億美元。它被公認(rèn)為歐洲特別“熱門(mén)”的技術(shù)。光伏監(jiān)控供應(yīng)商分為四類，獨(dú)立產(chǎn)品的獨(dú)立供應(yīng)商，太陽(yáng)能逆變器制造商，集成太陽(yáng)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(cè)系統(tǒng)供應(yīng)商Skytron Energy估計(jì)，未能監(jiān)控性能的光伏系統(tǒng)所有者通常會(huì)失去其潛在性能效率的3％到6％。然而，在快速檢測(cè)（和糾正）故障中所節(jié)省的費(fèi)用據(jù)說(shuō)可以在不到2年的時(shí)間內(nèi)為監(jiān)控系統(tǒng)付費(fèi)。

如果只是為了檢測(cè)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(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，收集和分析有關(guān)時(shí)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(jià)值信息，以及在公用事業(yè)層面，可以幫助規(guī)劃未來(lái)增長(zhǎng)的輸出預(yù)測(cè)。

圖2：從臺(tái)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(chǎng)

無(wú)論是在家庭還是在太陽(yáng)能發(fā)電場(chǎng)規(guī)模，監(jiān)控生產(chǎn)能源以及白天消耗的能力對(duì)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(cè)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(jià)值。在更長(zhǎng)的時(shí)間范圍內(nèi)收集，存儲(chǔ)和分析數(shù)據(jù)是識(shí)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(yíng)數(shù)據(jù)對(duì)于衡量效率改進(jìn)或節(jié)省成本更為重要。

如今的太陽(yáng)能發(fā)電場(chǎng)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(tái)和資產(chǎn)管理系統(tǒng)集成。該軟件通常會(huì)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(shí)間等因素的記錄。事實(shí)上，天氣數(shù)據(jù)已被確定為性能比規(guī)劃的重要輸入。

來(lái)自報(bào)警監(jiān)控和錯(cuò)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?。分析軟件可以理解?shù)據(jù)以評(píng)估性能，識(shí)別常規(guī)和計(jì)劃外維護(hù)問(wèn)題，并為將來(lái)提供模型。

監(jiān)控家庭

在市場(chǎng)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(guó)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(wú)線連接到逆變器的傳感器單元。無(wú)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(jiàn)的位置。根據(jù)顯示器的復(fù)雜程度，可以對(duì)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(shí)間段的比較，以及所有數(shù)據(jù)。系統(tǒng)停止工作時(shí)的重要警報(bào)。許多系統(tǒng)允許將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)或智能手機(jī)，或通過(guò)Internet訪問(wèn)。

無(wú)論是在太陽(yáng)能發(fā)電場(chǎng)還是在家中，監(jiān)控系統(tǒng)的核心是一個(gè)測(cè)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(cè)量，光傳感器檢測(cè)來(lái)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(shí)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(lái)越大，太陽(yáng)能和風(fēng)能領(lǐng)先。作為回應(yīng)，該公司正在針對(duì)光伏和可再生能源市場(chǎng)，針對(duì)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(cè)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(cè)。對(duì)于逆變器DC輸入端的直流電流檢測(cè)，器件需要高隔離電壓，并且對(duì)于相對(duì)較低的電流測(cè)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(hào)，適用于逆變器輸出側(cè)的交流電流檢測(cè)。

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(jì)（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(gè)IC封裝中。當(dāng)感應(yīng)電流高達(dá)200 A時(shí)，導(dǎo)體電阻通常為100μΩ，以實(shí)現(xiàn)超低功耗。封裝設(shè)計(jì)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(guò)該銅導(dǎo)電路徑的施加電流產(chǎn)生磁場(chǎng)，霍爾IC將其轉(zhuǎn)換為比例電壓。通過(guò)磁信號(hào)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(cè)量光伏電池板產(chǎn)生的能量時(shí)，準(zhǔn)確性是一個(gè)重要特征，對(duì)于國(guó)內(nèi)應(yīng)用來(lái)說(shuō)更為可取，因?yàn)樗捎糜诳蛻糍~單信息。

當(dāng)增加的電流流過(guò)主銅導(dǎo)電路徑時(shí)，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(guò)電流條件下存活。導(dǎo)電路徑的端子與信號(hào)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(wú)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(cè)而設(shè)計(jì)的0至20 A ACS712ELCTR采用倒裝芯片封裝，具有相同的設(shè)計(jì)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(guò)流條件。提供評(píng)估板ASEK712ELC-20A-T-DK。

高端電流監(jiān)測(cè)

ADI公司支持各種計(jì)量應(yīng)用，包括用于計(jì)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(guò)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(cè)電路可以斷電，但允許電源（例如太陽(yáng)能電池板）繼續(xù)運(yùn)行。簡(jiǎn)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(diǎn)。

圖5：ADI公司的CN0241高端電流檢測(cè)解決方案的簡(jiǎn)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(gè)檢測(cè)電阻與四個(gè)附加電阻一起包含，以設(shè)置差動(dòng)放大器增益。

運(yùn)算放大器具有輸入過(guò)壓保護(hù)功能，無(wú)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(shuō)，這對(duì)于電源排序問(wèn)題的應(yīng)用尤為重要，這些問(wèn)題可能導(dǎo)致信號(hào)源在應(yīng)用放大器電源之前處于活動(dòng)狀態(tài)。

當(dāng)設(shè)置為5 V輸出時(shí)，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(duì)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(duì)于電路評(píng)估和測(cè)試，EVAL-CN0241-SDPZ電路板與EVAL-SDP-CB1Z系統(tǒng)演示平臺(tái)配合使用。使用CN0241評(píng)估軟件設(shè)置SDP控制器板，以捕獲來(lái)自電流檢測(cè)監(jiān)控電路的數(shù)據(jù)。

現(xiàn)狀分析

Maxim Integrated同時(shí)指出，準(zhǔn)確測(cè)量太陽(yáng)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(jiàn)解。隨著可再生能源占電網(wǎng)功率的比例越來(lái)越大，Maxim表示公用事業(yè)公司將依靠這些能源測(cè)量的準(zhǔn)確性和速度來(lái)維持電力輸送，同時(shí)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(cè)量IC，78M6618 8通道版本，適用于具有多個(gè)測(cè)量點(diǎn)的大規(guī)模操作，以及78M6631三相電源測(cè)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(cè)量IC的框圖。

78M6613具有四個(gè)模擬輸入，用于連接電壓和電流傳感器。測(cè)量通過(guò)Teridian單轉(zhuǎn)換器技術(shù)（見(jiàn)圖6）提供給集成的32位計(jì)算引擎，包括一個(gè)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(dòng)態(tài)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)優(yōu)于0.5％的測(cè)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(yáng)光下也能監(jiān)控和評(píng)估屋頂太陽(yáng)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(shí)基，硬件看門(mén)狗定時(shí)器，UART接口和10個(gè)GPIO引腳完成配置。一系列在線仿真和開(kāi)發(fā)工具以及應(yīng)用固件可用于提供針對(duì)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(cè)量解決方案。

還提供所有設(shè)備的評(píng)估板。 78M6631-EVM-1通過(guò)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(gè)電流互感器。

圖7：78M6631三相功率測(cè)量和監(jiān)控IC的評(píng)估板。

摘要

從屋頂板到公用事業(yè)規(guī)模的太陽(yáng)能發(fā)電場(chǎng)，監(jiān)控光伏板的性能至關(guān)重要，因此是一個(gè)快速增長(zhǎng)的市場(chǎng)領(lǐng)域。電流檢測(cè)和測(cè)量是大多數(shù)能量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)背后的核心技術(shù)。已經(jīng)使用少量典型電路來(lái)說(shuō)明該技術(shù)，包括交流和直流測(cè)量，具有高端電流監(jiān)控，高精度，寬動(dòng)態(tài)范圍，過(guò)壓和過(guò)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(wèn)題

近1600萬(wàn)美國(guó)家庭（超過(guò)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(guó)，這一比例甚至更高，有320萬(wàn)戶家庭（超過(guò)12％）處于燃料貧困狀態(tài)。

通過(guò)使用一系列現(xiàn)成的能源監(jiān)測(cè)工具和能量收集技術(shù)，英國(guó)懷特島的一個(gè)社會(huì)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(jì)劃：電力但沒(méi)有監(jiān)控

Chale項(xiàng)目開(kāi)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(yáng)能電池板和空氣源熱泵對(duì)房屋進(jìn)行改造。

這導(dǎo)致家庭略有改善，但沒(méi)有智能計(jì)量設(shè)備，人們無(wú)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(gè)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(gè)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(shí)超過(guò)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(xiàng)目。

影響

很快就會(huì)發(fā)現(xiàn)光伏電池板沒(méi)有提供足夠的能量來(lái)同時(shí)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(shí)運(yùn)行，使得功率需求低于太陽(yáng)能閾值。

總的來(lái)說(shuō)，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。