太阳能光伏阵列的串联、并联与串并联配置详解

光伏组件串联、并联与串并联配置全解析

什么是太阳能光伏阵列？

单个太阳能光伏组件的功率范围通常在 3 W_P 到 300 W_P 之间，但实际应用中往往需要千瓦甚至兆瓦级的功率输出。为了达到如此大的功率，必须将多个组件通过串联和并联方式组合连接。

光伏组件串（String）

当 N 个光伏组件串联连接时，这一整串串联组件被称为“光伏组件串”。串联的主要目的是提高系统电压。下图展示了串联、并联及串并联光伏组件的原理图。

光伏组件阵列

为了增加电流，将 N 个光伏组件并联连接。这种串并联组合方式称为“太阳能光伏阵列”或“光伏组件阵列”。下图展示了串并联配置的光伏组件阵列原理图。

太阳能电池片：

太阳能电池片是一个两端子器件，一端为正极（阳极），另一端为负极（阴极）。电池片的排列组合形成太阳能组件（即太阳能电池板），多块电池板的排列则构成光伏阵列。

值得注意的是，随着组件串并联数量的增加，组件的总功率也会相应叠加。

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光伏组件串联连接

当电站所需的系统电压远超单个光伏组件的输出电压时，需将 N 个组件串联以达到所需电压等级。这种串联方式类似于组件内部电池片的串联以获得所需电压。下图展示了光伏板串联配置。

串联连接不仅提高电压，还会增加组件产生的总功率。实现方式是将一个组件的负极连接到下一个组件的正极。

若某组件开路电压 V_OC1 为 20 V，另一串联组件 V_OC2 为 20 V，则串联串的总开路电压为两电压之和：

V_OC = V_OC1 + V_OC2

V_OC = 20 V + 20 V = 40 V

最大功率点电压的叠加原理同样适用于光伏阵列。

串联组件数量及总功率计算

计算串联组件数量需已知光伏阵列的电压需求，同时也可得出阵列总发电功率。假设所有组件参数相同。

步骤 1：确定光伏阵列电压需求

串联 N 个组件前，必须明确阵列所需电压：

• 光伏阵列开路电压 V_OCA
• 光伏阵列最大功率点电压 V_MA

步骤 2：记录拟串联组件的参数

需记录组件的最大功率点电流电压、开路电压 V_OC、短路电流 I_SC 及最大功率 P_M 等参数。

步骤 3：计算串联组件数量

组件数量 N = 阵列总电压 ÷ 单个组件电压。按标准测试条件（STC）计算，取阵列最大功率点电压 V_MA 与组件最大功率点电压 V_M 之比。同理也可用开路电压比值计算。注意 N 可能为非整数，需向上取整，此时实际 V_MA 和 V_OCA 将略高于设计值。

步骤 4：计算光伏阵列总功率

阵列总功率 P_MA = N × P_M（单组件最大功率）。也可用阵列最大功率点电压电流相乘得出：

V_MA × I_MA

计算实例：

以 2 MW 电站为例，逆变器输入电压范围 600-900 V。需确定串联组件数以获得 800 V 最大功率点电压，并计算阵列输出功率。单组件参数如下：

• 开路电压 V_OC = 35 V
• 最大功率点电压 V_M = 29 V
• 短路电流 I_SC = 7.2 A
• 最大功率点电流 I_M = 6.4 A

步骤 1： 阵列最大功率点电压 V_MA = 800 V

步骤 2： 单组件参数同上

单组件最大功率 P_M = V_M × I_M = 29 V × 6.4 A = 185.6 W

步骤 3： N = V_MA / V_M = 800 / 29 = 27.58 → 取整 28 块

实际 V_MA = 29 × 28 = 812 V

步骤 4： P_MA = 28 × 185.6 = 5196.8 W

结论：需 28 块组件串联，总功率 5196.8 W，可获得 812 V 最大功率点电压（设计目标 800 V）。

串联光伏组件的失配效应

组件最大功率为最大功率点电压与电流的乘积。若组件未串联，各自输出功率不同。见表 1：

组件	VM (V)	IM (A)	PM (W)
组件 A	16	4.1	65.6
组件 B	15.5	4.1	63.55
组件 C	15.3	4.1	62.73
总计	串联 = 46.8	串联 = 4.1	191.88

三组件串联时电压相加，电流不变（假设 I_M 均为 4.1 A）。电压差异不导致功率损失。

但若串联组件电流不一致，串联电流将受限于最低电流组件。见表 2：

组件	VM (V)	IM (A)	PM (W)
组件 A	16	4.1	65.6
组件 B	15.5	3.2	49.6
组件 C	15.3	4.1	62.73
总计	串联 = 46.8	串联 = 3.2	177.93

表 2 中组件 B 电流最低 (3.2 A)，导致整串电流仅 3.2 A，总功率 177.93 W，低于表 1 的 191.88 W。串联时电压失配不影响功率，但电流失配会显著降低输出功率，因此严禁不同额定电流组件串联。

光伏组件并联连接

并联可增加系统电流而不改变电压（前提是组件电压相同）。并联电流为各组件电流之和。并联方式：正极接正极，负极接负极。下图展示并联配置。

若组件最大功率点电流分别为 I_M1、I_M2，并联后总电流为 I_M1 + I_M2。短路电流 I_SC 同理叠加。

并联组件数量及总功率计算

计算并联组件数需已知阵列电流需求。假设组件参数相同。

步骤 1： 确定阵列电流需求：短路电流 I_SCA、最大功率点电流 I_MA

步骤 2： 记录单组件参数：V_OC、V_M、I_SC、I_M、P_M

步骤 3： N = I_MA / I_M（或 I_SCA / I_SC），非整数向上取整，实际电流将略高于设计值。

步骤 4： 总功率 P_MA = N × P_M = V_MA × I_MA

计算实例：

需并联组件获得 I_MA = 40 A，系统电压 14 V。单组件参数：V_OC=18 V、V_M=14 V、I_SC=6.5 A、I_M=6 A

P_M = 14 × 6 = 84 W

N = 40 / 6 = 6.66 → 取整 7 块

实际 I_MA = 6 × 7 = 42 A

P_MA = 7 × 84 = 588 W

结论：需 7 块组件并联，总功率 588 W，可获得 42 A 最大功率点电流（设计目标 40 A）。

并联光伏组件的失配效应

并联时电流失配不成问题，但电压失配会导致系统电压由最低电压组件决定，造成功率损失。电压失配影响不如电流失配严重，但选型时仍需注意：串联选同电流组件，并联选同电压组件。

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光伏组件串并联混合连接 —— 混合组合

大型光伏电站（GW 级）需组件串并联结合。先串联成“光伏组件串”获取所需电压，再将多串并联获取所需电流。下图简化展示：

串 1（组件 1+2）：V_OC1 = 2V_OC，I_SC1 = I_SC

串 2（组件 3+4）：V_OC2 = 2V_OC，I_SC2 = I_SC

两串并联：阵列 V_OCA = 2V_OC，I_SCA = 2I_SC

最大功率点电压电流同理计算。

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串并联组件数量及总功率计算

设 N_S = 串联组件数，N_P = 并联串数，组件参数相同。

步骤 1： 明确阵列功率 P_MA、电压 V_MA、电流 I_MA 需求

步骤 2： 记录单组件参数

步骤 3： N_S = V_MA / V_M，N_P = I_MA / I_M，非整数向上取整

步骤 4： 总功率 P_MA = N_S × N_P × P_M = V_MA × I_MA

计算实例：

阵列需求：P_MA = 40 kW，V_MA = 400 V，I_MA = 100 A

单组件：V_M = 70 V，I_M = 17 A

P_M = 70 × 17 = 1190 W

N_S = 400 / 70 = 5.71 → 取整 6 块/串，实际 V_MA = 70 × 6 = 420 V

N_P = 100 / 17 = 5.88 → 取整 6 串，实际 I_MA = 17 × 6 = 102 A

总组件数 = 6 × 6 = 36 块

P_MA = 6 × 6 × 1190 = 42840 W

结论：需 36 块组件（6 串 × 6 并），总功率 42.84 kW，实际电压 420 V、电流 102 A（设计目标 400 V、100 A）。

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总结

本文深入研究了太阳能光伏组件与阵列的结构、设计及参数测量，详细阐述了串联、并联、串并联的计算方法与失配分析，并解释了旁路二极管和阻隔二极管的保护作用。这些内容是光伏系统设计师实现高效、可靠设计的必备基础知识。