와이드 밴드갭 반도체 기반의 효율적인 전력 변환 기술 개발 덕분에 정밀 DC 에너지 미터링이 특히 에너지 청구가 관여되는 분야에서 점점 더 중요해지고 있습니다. 이 글은 DC 미터링 과제를 논의하고 DC 에너지 미터 설계 제안을 제공합니다.
초기 그리드 개발자들은 교류(AC)를 사용해 전력을 공급했습니다. 왜냐하면 그것이 더 쉬웠기 때문입니다. 그러나 많은 분야에서 직류(DC)가 효율을 극적으로 개선할 수 있으며, 와이드 밴드갭 반도체 기반의 효율적이고 경제적인 전력 변환 기술 개발 덕분에 많은 애플리케이션이 이제 DC 에너지 교환으로 전환하는 이점을 보고 있습니다. 그 결과 정밀 DC 에너지 미터링이 특히 에너지 청구가 관여되는 곳에서 중요해지고 있습니다.
이 2부작 시리즈의 첫 번째 기사에서 전기차 충전소, 재생에너지 발전, 서버 팜, 마이크로그리드, P2P 에너지 공유에서의 DC 미터링 기회를 논의했습니다. 이 기사에서는 DC 미터링의 과제를 논의하고 DC 에너지 미터 설계 제안을 제공합니다.
1900년대 초 전통적인 AC 에너지 미터는 완전히 전자기계식이었습니다. 전압 코일과 전류 코일의 조합이 회전하는 알루미늄 디스크에 와전류를 유도했습니다. 결과적으로 디스크에 걸리는 토크는 전압과 전류 코일이 생성하는 자기 플럭스의 곱에 비례했습니다. 마지막으로 디스크용 제동 자석 추가로 회전 속도가 부하가 소비하는 실전력에 직접 비례하게 되었습니다. 이 시점에서 에너지 소비 측정은 단순히 일정 기간 동안 회전 수를 세는 문제가 되었습니다.
현대 AC 미터는 훨씬 더 복잡하고 정확하며 변조로부터 보호됩니다. 이제 최첨단 스마트 미터는 현장에 설치된 상태에서 24/7 절대 정확도를 모니터링하고 변조 징후를 감지할 수 있습니다. 이는 Analog Devices ADE9153B 미터링 IC가 mSure® 기술로 가능해진 경우입니다. 에너지 미터(현대, 전통, AC, DC 모두)는 kWh당 임펄스 수 상수와 백분율 클래스 정확도로 분류됩니다. kWh당 임펄스 수는 에너지 업데이트 비율, 즉 해상도를 나타냅니다. 클래스 정확도는 에너지 최대 측정 오차를 인증합니다.
옛 기계식 미터와 유사하게, 주어진 시간 간격의 에너지는 이 임펄스를 세어 계산합니다. 펄스 주파수가 높을수록 순간 전력이 높고, 그 반대도 마찬가지입니다.
DC 미터의 기본 아키텍처는 그림 1에 표현되어 있습니다. 부하가 소비하는 전력(P = V × I)을 측정하기 위해 최소한 하나의 전류 센서와 하나의 전압 센서가 필요합니다.
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그림 1. DC 에너지 미터 시스템 아키텍처. (출처: Analog Devices)
저압 측이 접지 전위일 때 미터를 흐르는 전류는 일반적으로 미터링되지 않은 누설 위험을 최소화하기 위해 고압 측에서 측정되지만, 설계 아키텍처가 요구하면 저압 측이나 양쪽에서 측정할 수도 있습니다. 부하 양쪽의 전류를 측정하고 비교하는 기술은 미터에 결함 및 변조 감지 기능을 부여하는 데 자주 사용됩니다. 그러나 양쪽에서 전류를 측정할 때 최소한 하나의 전류 센서는 도체 간의 높은 전위를 다루기 위해 절연되어야 합니다.
전압은 일반적으로 저항 분압기로 측정되며, 저항 래더를 사용해 전위를 시스템 ADC 입력과 호환되는 수준으로 비례적으로 낮춥니다.
입력 신호의 큰 진폭 덕분에 표준 부품으로 정확한 전압 측정을 쉽게 달성할 수 있습니다. 그러나 선택한 부품의 온도 계수와 전압 계수에 주의해 전체 온도 범위에서 요구 정확도를 보장해야 합니다.
이전 기사에서 논의한 것처럼, EV 충전소용 DC 에너지 미터는 때때로 차량에 전달된 에너지만을 독점적으로 청구해야 하는 요구가 있습니다. 측정 요구사항을 충족하기 위해 EV 충전기용 DC 에너지 미터는 여러 전압 채널을 가져야 할 수 있으며, 이로써 미터가 차량 진입 지점의 전압도 감지할 수 있습니다(4선 측정). 4선 구성의 DC 에너지 미터링은 충전 파일과 케이블의 모든 저항 손실을 총 에너지 청구에서 제외시킵니다.
전류는 직접 연결로 측정하거나, 전하 캐리어 흐름이 생성하는 자기장을 감지해 간접적으로 측정할 수 있습니다. 다음 섹션에서는 DC 전류 측정용 가장 인기 있는 센서들을 다룹니다.
직접 연결 전류 감지는 AC와 DC 전류 측정의 검증된 방법입니다. 전류 흐름을 알려진 값의 션트 저항을 통해 라우팅합니다. 션트 저항 양단의 전압 강하는 옴의 법칙(V = R × I)에 따라 흐르는 전류에 직접 비례하며, 증폭 및 디지털화되어 회로를 흐르는 전류의 정확한 표현을 제공합니다.
션트 저항 감지는 mA에서 kA까지 전류 측정을 위한 저렴하고 정확하며 강력한 방법으로, 이론적으로 무제한 대역폭을 가집니다. 그러나 몇 가지 단점이 있습니다.
전류가 저항을 흐르면 줄 열이 전류 제곱에 비례해 발생합니다. 이는 효율 측면에서 손실을 초래할 뿐만 아니라 자가 발열이 션트 저항 값 자체를 변화시켜 정확도 저하를 초래합니다. 자가 발열 효과를 제한하기 위해 낮은 저항값이 사용됩니다. 그러나 작은 저항을 사용하면 센싱 소자 양단의 전압도 작아지고 때로는 시스템의 DC 오프셋과 비교될 정도가 됩니다. 이러한 조건에서 다이내믹 레인지의 저단에서 요구 정확도를 달성하는 것은 사소한 일이 아닐 수 있습니다. 초저 DC 오프셋과 초저 온도 드리프트를 가진 최첨단 아날로그 프론트엔드를 사용해 작은 값의 션트 저항 한계를 극복할 수 있습니다. 그러나 연산 증폭기가 일정한 이득-대역폭 곱을 가지므로 높은 이득은 사용 가능한 대역폭을 제한합니다.
낮은 값의 전류 감지 션트는 보통 망간-구리 또는 니켈-크롬 같은 특정 금속 합금으로 만들어지며, 구성 성분의 상반된 온도 드리프트를 상쇄해 전체 드리프트를 수십 ppm/°C 수준으로 만듭니다.
직접 연결 DC 측정의 또 다른 오차 원인은 열 기전력(EMF) 현상, 즉 제벡 효과입니다. 제벡 효과는 최소 두 개의 서로 다른 전기 도체나 반도체가 접합을 형성할 때 그들 사이의 온도 차이가 두 도체 사이에 전위 차를 생성하는 현상입니다. 제벡 효과는 잘 알려진 현상으로 열전대에서 온도 감지에 널리 사용됩니다.
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그림 2. 온도 구배로 인한 션트 내 열 EMF. (출처: Analog Devices)
4선 연결 전류 션트의 경우 줄 열이 저항 합금 요소의 중심에서 형성되어 전파되는 반면, 구리 감지 와이어는 PCB(또는 다른 매체)에 연결될 수 있고 다른 온도를 가질 수 있습니다.
감지 회로는 서로 다른 재료의 대칭적 분포를 형성하므로 음과 양 감지 와이어의 접합부 전위가 대략 상쇄됩니다. 그러나 음성 감지 와이어가 더 큰 구리 질량(그라운드 플레인)에 연결되는 등 열 용량의 차이가 있으면 온도 분포의 불일치가 발생해 열 EMF 효과로 인한 측정 오차가 생길 수 있습니다.
따라서 션트 연결과 발생 열의 분포에 주의를 기울여야 합니다.
센서는 측정된 도체를 통과하는 높은 자기 투자율 링으로 구성됩니다. 이는 측정된 도체 주변의 자기력선을 링 단면적 내에 삽입된 홀 효과 센서에 집중시킵니다. 이 센서의 출력은 사전 조절되며 보통 0V-5V, 4mA-20mA, 디지털 인터페이스 등 다양한 형태로 제공됩니다. 절연과 저비용으로 높은 전류 범위를 제공하지만 절대 정확도는 일반적으로 1% 미만으로 내려가지 않습니다.
전류 증폭기에 의해 구동되는 투자율 코어의 다중 턴 2차 권선이 제로 총 플럭스 조건을 달성하기 위해 음의 피드백을 제공합니다. 보상 전류를 측정함으로써 선형성이 개선되고 코어 히스테리시스가 없으며 전반적으로 우수한 온도 드리프트와 개루프 솔루션 대비 높은 정확도를 가집니다. 일반적인 오차 범위는 0.5%까지 내려가지만 추가 보상 회로로 센서가 더 비싸지고 때로는 대역폭이 제한됩니다.
의도적으로 포화된 코어의 자기 플럭스 변화를 모니터링해 전류를 측정하는 복잡한 개루프 또는 폐루프 시스템입니다. 높은 투자율의 강자성 코어 주위에 코일이 감겨 있고, 대칭 스퀘어파 전압으로 구동되는 2차 코일에 의해 의도적으로 포화됩니다.
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그림 3. 플럭스 집중기와 자기 센서 기반 개루프 전류 트랜스듀서. (출처: Analog Devices)
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그림 4. 폐루프 전류 트랜스듀서 작동 원리 예시. (출처: Analog Devices)
코일의 인덕턴스는 코어가 양 또는 음 포화에 접근할 때마다 붕괴되고 전류의 변화율이 증가합니다. 코일의 전류 파형은 외부 자기장이 추가로 가해지지 않는 한 대칭을 유지합니다. 외부 자기장이 가해지면 파형이 비대칭이 됩니다. 이 비대칭의 크기를 측정함으로써 외부 자기장의 강도, 결과적으로 이를 생성한 전류를 추정할 수 있습니다. 좋은 온도 안정성과 0.1%까지의 정확도를 제공합니다. 그러나 센서의 복잡한 전자회로로 인해 다른 절연 솔루션보다 10배 비싼 고가 솔루션입니다.
DC 에너지 미터링 표준화가 기존 AC 미터링 표준 생태계에 비해 그리 어렵지 않아 보일 수 있지만, 업계 이해관계자들은 여전히 서로 다른 애플리케이션에 대한 요구사항을 논의하며 DC 미터링의 정확한 세부사항을 다듬기 위해 더 많은 시간을 요구하고 있습니다.
IEC는 IEC 62053-41을 작업해 정확도 클래스 0.5%와 1%로 활성 에너지용 DC 정적 미터에 특화된 요구사항을 정의하고 있습니다.
이 표준은 공칭 전압과 전류 범위를 제안하고 미터의 전압 및 전류 채널 최대 전력 소모에 한계를 설정합니다. 또한 AC 미터링 요구사항처럼 다이내믹 레인지 전반에 걸친 특정 정확도와 무부하 조건 전류 임계값을 정의합니다.
초안에는 시스템 대역폭에 대한 구체적 요구사항은 없지만, 빠른 부하 변동 테스트가 성공적으로 완료되어야 하며 이는 시스템 최소 대역폭에 대한 암시적 요구사항을 정의합니다.
EV 충전 애플리케이션의 DC 미터링은 때때로 독일 표준 VDE-AR-E 2418이나 구 철도 표준 EN 50463-2를 준수합니다. EN 50463-2에 따르면 정확도는 트랜스듀서별로 지정되고, 결합 에너지 오차는 전압, 전류, 계산 오차의 제곱합입니다:
표 1. EN 50463-2 기준 최대 백분율 전류 오차
| 전류 범위 | Class 0.2R | Class 0.5R | Class 1R |
|---|---|---|---|
| 1% ~ 5% IN | 1% | 2.5% | 5% |
| 5% ~ 10% IN | 0.4% | 1% | 1.5% |
| 10% ~ 120% IN | 0.2% | 0.5% | 1% |
표 2. EN 50463-2 기준 최대 백분율 전압 오차
| 전압 범위 | Class 0.2R | Class 0.5R | Class 1R |
|---|---|---|---|
| <66% VN | 0.4% | 1% | 2% |
| 66% ~ 130% VN | 0.2% | 0.5% | 1% |
Analog Devices는 정밀 센싱 기술의 업계 리더로, 곧 나올 애플리케이션별 표준 IEC 62053-41을 충족하기 위한 정밀 전류 및 전압 측정을 위한 완전한 신호 체인을 제공합니다. 다음 섹션에서는 IEC 62053-41을 준수하는 DC 에너지 미터 개념 검증을 보여줍니다.
마이크로그리드와 데이터 센터의 청구 등급 DC 에너지 미터링 공간을 고려해 표 3과 같은 요구사항을 가정할 수 있습니다.
표 3. DC 에너지 미터 사양 - 개념 검증
정격
| 공칭 | 다이내믹 레인지 | 측정 (최대 범위) |
|---|---|---|
| 전압 ±400VDC | 100:1 | ±600V |
| 전류 ±80A | 100:1 | ±240A |
| 정확도 1%~5% INOM | 1% | 5%~120% INOM 0.5% |
| 온도 -25°C~+55°C | -40°C~+70°C 보관 | |
| 미터 상수 1000 imp/kWh | ||
| 전압 및 전류 대역폭 2.5kHz |
낮은 EMF 션트(<1μVEMF/°C)의 작은 값 사용으로 저렴하고 정확한 전류 감지가 가능합니다. 션트 저항을 작게 유지하는 것은 자가 발열 효과를 줄이고 표준이 요구하는 전력 한도 아래를 유지하는 데 필수적입니다.
상용 75μΩ 션트로 소모 전력을 0.5W 이하로 유지합니다.
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그림 5. DC 미터 시스템 아키텍처. (출처: Analog Devices)
그러나 80A 공칭 전류의 1%는 75μΩ 션트에서 60μV의 작은 신호를 생성해 서브마이크로볼트 오프셋 드리프트 성능의 신호 체인이 필요합니다.
최대 오프셋 전압 2.5μV, 최대 오프셋 전압 드리프트 0.015μV/°C의 ADA4528은 작은 션트 신호에 대한 초저 드리프트 100V/V 증폭에 적합합니다. 따라서 동시 샘플링 24비트 ADC AD7779를 증폭 단계에 직접 연결할 수 있으며, 5nV/°C 입력 기준 오프셋 드리프트 기여를 가집니다.
높은 DC 전압은 1000:1 비율의 저항 분압기로 AD7779 ADC 입력에 직접 연결해 정확하게 측정할 수 있습니다.
마지막으로 마이크로컨트롤러가 간단한 샘플별 샘플, 인터럽트 구동 미터링 기능을 구현합니다. 각 ADC 샘플마다 인터럽트 루틴이:
또한 미터링 기능 외에도 마이크로컨트롤러는 RS-485, LCD 디스플레이, 푸시 버튼 같은 시스템 레벨 인터페이스를 가능하게 합니다.
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그림 6. 개념 검증 - 프로토타입. (출처: Analog Devices)
Luca Martini은 2016년 이탈리아 볼로냐 대학에서 에너지 전자공학 및 통신공학 석사 학위를 취득했습니다. 석사 과정의 일환으로 7개월간 독일 뉘른베르크 Fraunhofer IIS에서 압전 에너지 하베스터 특성화를 위한 정밀 실시간 제어 시스템 개발에 참여했습니다. 2006년부터 2016년까지 생물의학 분야에서 시스템 및 하드웨어 개발자로 근무했습니다. 2016년 영국 에딘버러 Analog Devices의 에너지 및 산업 시스템 그룹에 합류했습니다. luca.martini@analog.com으로 연락 가능합니다.
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임베디드
기업이 신제품을 개발해야 하는 이유는 한 가지가 아닙니다. 고품질 신제품을 지속적으로 개발하고 틈새 시장에서 강력한 입지를 구축하는 것은 비즈니스에서 가장 강력하지만 어려운 활동 중 하나입니다(Clark and Wheelwright 1995). 신제품 개발의 75%가 실패하는데, 이는 신제품 설계 팀이 성공하기가 얼마나 어려운지 보여줍니다. 제품 설계자는 개발 주기 동안 다양한 도전에 직면하지만, 모두 기술적인 것은 아닙니다. 일부는 비용, 경제 변화, 경쟁사 영향, 회사 정책 등 외부 요인 때문입니다. 제품 설계 엔지니어가 직면
태양광 PV 시스템의 설계 및 설치 오늘날 현대 세계는 산업 제조, 난방, 운송, 농업, 조명 애플리케이션 등 다양한 일상적 애플리케이션을 위해 에너지를 필요로 합니다. 우리의 에너지 수요는 주로 석탄, 원유, 천연가스 등 비재생 에너지원에 의해 충족됩니다. 하지만 이러한 자원의 활용은 환경에 막대한 영향을 미쳤습니다. 또한 이러한 형태의 에너지 자원은 지구상에 균일하게 분포되어 있지 않습니다. 원유의 경우 생산과 매장량 추출에 의존하므로 시장 가격의 불확실성이 있습니다. 비재생 자원의 제한된 가용성으로 인해 최근 재생 가능 자원에
