太阳能电池板的串联、并联和串并联

光伏阵列的串联、并联和串并联配置

什么是太阳能光伏阵列？

太阳能光伏组件的功率范围为 3 WP 至 300 WP。但很多时候，我们需要从 kW 到 MW 范围内的功率。要实现这么大的功率，我们需要串联和并联N个模块。

一串光伏组件

N个光伏组件串联时。整个串联模块串称为光伏模块串。模块串联连接以增加系统中的电压。下图显示了串联、并联和串并联连接的光伏组件示意图。

光伏组件阵列

增加当前N个光伏组件并联。这种串联和并联组合的模块连接被称为“太阳能光伏阵列”或“光伏模块阵列”。太阳能光伏组件阵列串联并联结构示意图如下图所示。

太阳能电池：

太阳能电池是双端设备。一个是正​​极（阳极），另一个是负极（阴极）。太阳能电池布置称为太阳能模块或太阳能电池板，其中太阳能电池板布置称为光伏阵列。

需要注意的是，随着模块串联和并联的增加，模块的功率也会增加。

相关帖子：

• 如何在串并联配置中连接太阳能电池板？
• 电池的串联、并联和串并联

模块串联

有时发电厂所需的系统电压远高于单个光伏组件所能产生的电压。在这种情况下，N 个 PV 模块串联连接以提供所需的电压水平。 PV模块的这种串联连接类似于模块中N个电池的连接以获得所需的电压水平。下图为光伏板串联配置。

这样串联，不仅电压增加了，模块产生的功率也增加了。为了实现这一点，一个模块的负极连接到另一个模块的正极。

如果一个模块的开路电压 VOC1 为 20 V，而其他串联的 VOC2 为 20 V，则该串的总开路电压为两个电压之和

VOC =VOC1 + VOC2

VOC =20 V + 20 V =40 V

需要注意的是，最大功率点的电压总和也适用于光伏阵列的情况。

串联所需模块数量及其总功率的计算

要计算要串联的光伏组件数量，应给出光伏阵列所需的电压。我们还将看到光伏阵列产生的总功率。请注意，所有模块都是相同的，具有相同的模块参数。

第 1 步： 注意光伏阵列的电压要求

由于我们必须串联N个模块，我们必须知道光伏阵列所需的电压

• 光伏阵列开路电压VOCA
• 最大功率点 VMA 处的光伏阵列电压

第 2 步： 注意串串要连接的光伏组件参数

光伏组件最大功率点电流电压等参数，VOC、ISC、PM等参数也要注意。

第 3 步： 计算要串联的模块个数

为了计算组件的数量“N”，总阵列电压除以单个组件的电压，由于光伏组件应该在STC下工作，因此阵列电压的比率取最大功率点VMA到最大功率点VM的模块电压。

PV的开路电压也可以进行类似的计算，即开路VOCA处的阵列电压与开路VOC处的模块电压之比。请注意，“N”的值可以是非整数，因此我们必须取下一个更大的整数，因此 VMA 和 VOCA 的值也会比我们想要的增加。

第四步： 计算光伏阵列总功率

光伏阵列的总功率是各个串联模块最大功率之和。若PM为单个组件的最大功率，N为串联组件数，则光伏阵列PMA的总功率为N×PM。

我们也可以通过光伏阵列在最大功率点的电压和电流的乘积来计算阵列功率，即

VMA × IMA

示例：

现在以更数学的方式理解这些步骤。我们以一个 2 兆瓦的发电厂为例，其中有大量的光伏组件串联在一起。 2 MW逆变器可承受600 V至900 V的输入电压。

确定串联模块的数量以获得800 V的最大功率点电压。还要确定该光伏阵列提供的功率。单体光伏组件参数如下；

• 开路电压 VOC =35 V
• 最大功率点电压 VM =29 V
• 短路电流 ISC =7.2 A
• 最大功率点电流 IM =6.4 A

第 1 步： 注意光伏阵列的电压要求

• 光伏阵列开路电压 VOCA =未给出
• 最大功率点处的光伏阵列电压 VMA =800 V

第 2 步： 注意串串要连接的光伏组件参数

开路电压VOC =35 V

最大功率点电压VM =29 V

短路电流ISC =7.2 A

最大功率点电流 IM =6.4 A

最大功率PM

PM =VM x IM

=29 V x 6.4 A

PM =185.6 W

第 3 步： 计算要串联的模块个数

N =VMA / VM

N =800 / 29

N =27.58 （高整数值28）

取较大整数值28个模块。由于N的整数值较高，VMA和VOCA的值也会增加。

VMA =VM × N

=29 × 28

=812 V

第四步： 计算光伏阵列总功率

PMA =N × PM

=28 × 185.6

=5196.8 W

因此，我们需要串联28个光伏组件 总功率为 5196.8 W，以获得所需的最大光伏阵列电压 800 V。

串联光伏组件不匹配

光伏组件的最大功率是最大功率时的电压和电流的乘积。当模块不串联时，单个模块产生的功率是不同的。以下表1为例。

表一

模块	VM（伏特）	IM 单位：安培	PM 瓦特
模块 A	16	4.1	65.6
模块 B	15.5	4.1	63.55
模块 C	15.3	4.1	62.73
总计	系列 =46.8	系列 =4.1	191.88

如果表 1 中的三个模块串联连接，则它们的电压相加，但电流保持不变，因为所有模块都是相同的，具有相同的 IM =4.1 A 值。

组件A、B、C串联的电压差异不会导致光伏组件阵列产生的功率损失，考虑到所有组件都是相同的具有相同的 IM =4.1 A 值。

但如果串联组件的电流产生能力不相同，则流经串联光伏组件的电流将等于组件产生的最低电流在字符串中。以下面给出的表2为例。

表2

模块	VM（伏特）	IM 单位：安培	PM 瓦特
模块 A	16	4.1	65.6
模块 B	15.5	3.2	49.6
模块 C	15.3	4.1	62.73
总计	系列 =46.8	系列 =3.2	177.93

如果表2中的所有模块都是串联的，那么流经串联模块的电流由电流最小的模块决定。在这种情况下，与模块 A 和 C 相比，模块 B 的最低电流为 3.2 A。

因此，流经这三个串联模块的电流为3.2 A。现在比较表1和表2以及两者产生的总功率。由于表 2 中的当前模块不同，产生的总功率为 177.93 W，小于表 1 中模块产生的总功率，即 191.88 W。

我们可以看到，由于电流不匹配，串联模块产生的输出功率受到很大影响。因此，在串联模块中，电压不匹配不是问题，但电流不匹配会导致功率损失。因此不同额定电流的模块不宜串联。

模块并联

有时为了增加太阳能光伏系统的功率，不是通过串联模块来增加电压，而是通过并联模块来增加电流。 PV模块阵列的并联组合中的电流是模块的各个电流的总和。

在考虑到所有模块电压相同的情况下，模块并联组合中的电压与模块单个电压保持相同。

并联组合是通过将一个模块的正极连接到下一个模块的正极，将负极连接到下一个模块的负极，如下图所示数字。下图为太阳能电池板并联配置。

如果当前IM1是一个模块的最大功率点电流，IM2是另一个模块的最大功率点电流，则并联模块的总电流为IM1 + IM2。如果我们继续并行添加模块，电流会不断增加。也适用于短路电流Isc。

并行所需模块数量及其总功率的计算

要计算并联的光伏组件数量，应给出光伏阵列所需的电流。我们还将看到光伏阵列产生的总功率。请注意，所有模块都是相同的，具有相同的模块参数。

第 1 步： 注意光伏阵列的电流要求

由于我们必须并联N个模块，我们必须知道光伏阵列所需的电流

• 光伏阵列短路电流 ISCA
• 最大功率点 IMA 处的光伏阵列电流

第 2 步： 注意要并联的光伏组件参数

光伏组件最大功率点电流电压等参数，VOC、ISC、PM等参数也要注意。

第 3 步： 计算要并联的模块个数

为了计算组件的数量N，总的阵列电流除以单个组件的电流，由于光伏组件应该在STC下工作，因此阵列电流的比率取最大功率点IMA到最大功率点IM的模块电流。

PV的短路电流也可以做类似的计算，即阵列短路电流ISCA与组件短路电流ISC的比值。

请注意，N 的值可以是非整数，因此我们必须取下一个更大的整数，因此 IMA 和 ISCA 的值也会比我们想要的增加。

第四步： 计算光伏阵列总功率

光伏阵列的总功率是各个并联模块最大功率之和。如果PM是单个组件的最大功率，“N”是并联组件的数量，那么光伏阵列PMA的总功率为N×PM。我们也可以通过光伏阵列在最大功率点的电压和电流的乘积来计算阵列功率，即VMA×IMA。

相关帖子：

• 串联和并联时哪个灯泡更亮？为什么？
• 电池是串联还是并联？

示例：

举个例子，计算得到最大功率点电流IMA为40A需要并联的模块数量。系统电压要求为14V。单机参数光伏组件如下；

• 开路电压 VOC =18 V
• 最大功率点电压 VM =14 V
• 短路电流 ISC =6.5 A
• 最大功率点电流 IM =6 A

第 1 步： 注意光伏阵列的电流要求

• 光伏阵列短路电流 ISCA =未给出
• 最大功率点 IMA =40 A 时的光伏阵列电流

第 2 步： 注意要并联的光伏组件参数

开路电压VOC =18 V

最大功率点电压VM =14 V

短路电流ISC =6.5 A

最大功率点电流 IM =6 A

最大幂：

PM =VM x IM

PM =14V x 6A

PM =84 W

第 3 步： 计算要并联的模块个数

N =IMA / IM

=40 / 6

N =6.66（更高的整数值7）

取较大整数值7个模块。由于N的整数值较高，IMA和ISCA的值也会增加。

IMA =IM × N

=6 × 7

IMA =42 A

第四步：计算光伏阵列总功率

PMA =N × PM

=7 × 84

PMA =588 W

因此，我们需要并联 7 个总功率为 588 W 的光伏组件，以获得所需的 40 A 的最大光伏阵列电流。

并联光伏组件不匹配

并联时，电流不匹配的问题不是问题，但电压不匹配的问题是问题。在并联模块中，如果模块具有相同的额定电压，则电压将保持不变。

但如果并联模块的额定电压不同，则系统电压由额定电压最低的模块决定，从而导致功率损耗。

电压不匹配的影响没有电流不匹配那么严重，但在选择模块时必须小心。建议相同额定电流的串联组合模块和相同额定电压的并联组合模块优先使用。

• 相关文章：如何设计太阳能光伏供电的直流水泵？

串联——模块并联——混合组合

当我们需要为大型光伏系统工厂产生千兆瓦范围内的大功率时，我们需要串联和并联模块。在大型光伏电站中，首先将模块串联起来，称为“光伏组件串”，以获得所需的电压水平。

然后将许多这样的字符串并联起来，以获得系统所需的电流电平。下图显示了模块的串联和并联连接。为了简化这一点，请看下图。

模块1和模块2串联，我们称它为1串。加上1串VOC1的开路电压，即

VOC1 =VOC + VOC =2VOC

而1串ISC1的短路电流相同，即

ISC1 =ISC

与串1类似，模块3和模块4组成串2。加入串2的开路电压VOC2即

VOC2 =VOC + VOC =2VOC

而串2 ISC2的短路电流相同，即

ISC2 =ISC

现在1串和2串并联，电压没有保持不变，但电流增加，即光伏组件阵列的开路电压

VOCA =VOC1 =VOC2 =2VOC

及光伏组件阵列短路电流

ISCA =ISC1 + ISC2 =ISC + ISC =2ISC

同样的计算适用于最大PowerPoint时的电压和电流。

• 相关文章：太阳能电池的参数和光伏板的特性

串联-并联所需模块数量及其总功率的计算

这里为了计算所需的串联和并联模块的数量，以及功率我们假设所有的模块具有相同的参数。注意；

• NS =系列模块数
• NP =并行模块数

第 1 步： 注意光伏阵列的电流、电压、功率要求

• 光伏阵列功率PMA
• 最大功率点 VMA 处的光伏阵列电压
• 最大功率点 IMA 处的光伏阵列电流

第 2 步： 注意光伏组件参数

光伏组件最大功率点电流电压等参数，VOC、ISC、PM等参数也要注意。

第 3 步： 计算需要串并联的模块个数

为了计算串联模块的数量 Ns，总阵列电压除以单个模块的电压，由于光伏模块应该在 STC 下工作，因此比例为取最大功率点VMA的阵列电压与最大功率点VM的模块电压。

类似地，要计算并联组件的数量 Np，总的阵列电流除以单个组件的电流，因为光伏组件应该在 STC 下工作取最大功率点IMA处的阵列电流与最大功率点IM处的模块电流之比。

可以对开路电压和短路电流进行类似的计算。请注意，Ns 和 NP 的值可以是非整数，因此我们必须取下一个更大的整数，因此 IMA、ISCA、VMA 和 VOCA 的值也会比我们想要的增加。

第四步： 计算光伏阵列总功率

光伏阵列的总功率是各个模块串联和并联的最大功率之和。

如果PM是单个模块的最大功率，NS是串联模块数，NP是并联模块数，那么总功率光伏阵列

PMA =NP × NS × PM

我们也可以通过光伏阵列在最大功率点的电压和电流的乘积来计算阵列功率，即

VMA × IMA

• 相关文章：如何设计和安装太阳能光伏系统？

示例：

现在我们举个混搭的例子——组合。我们必须确定具有以下参数的光伏阵列所需的模块数量；

• 阵列功率 PMA =40 KW
• 阵列VMA最大功率点电压=400 V
• 阵列IMA最大功率点电流=100 A
• 数组设计模块有以下参数；
• 模块VM最大功率点电压=70V
• 模块最大功率点电流 IM =17 A

第 1 步： 注意光伏阵列的电流、电压、功率要求

• 光伏阵列功率 PMA =40 KW
• 最大功率点处的光伏阵列电压 VMA =400 V
• 最大功率点 IMA =100 A 时的光伏阵列电流

第 2 步： 注意光伏组件参数

模块VM最大功率点电压=70V

模块最大功率点电流 IM =17 A

最大幂PM：

PM =VM x IM

PM =70V x 17A

PM =1190 W

第 3 步： 计算需要串并联的模块个数

NS =VMA / VM

NS =400 / 70

NS =5.71（更高的整数值6）

取较大整数值6个模块。由于NS的整数值较高，VMA和VOCA的值也会增加。

VMA =VM × NS

=70 × 6

VMA =420 V

现在，

NP =IMA / IM

NP =100 / 17

NP =5.88（更高的整数值6）

取较大整数值6个模块。由于NP的整数值较高，IMA和ISCA的值也会增加。

IMA =IM × NP

IMA =17 × 6

IMA =102 A

第四步： 计算光伏阵列总功率

PMA =NS × NP × PM

=6 × 6 × 1190

PMA =42840 W

因此，我们需要 36 个光伏组件 .一串六个模块串联和六个这样的串并联，总功率为 42840 W，以获得所需的最大光伏阵列电流 100 A 和 400 V 电压。

请注意，由于 6 的整数值较高，光伏阵列的最大电流和电压分别为 102 A 和 420 V。

• 相关文章：太阳能电池板接线盒中的阻塞二极管和旁路二极管

结论

本文对太阳能光伏组件及阵列进行了深入研究。研究了更高功率水平的模块的需求、结构和设计。为了模块的安全，它还包括一个参数测量和旁路二极管和阻塞二极管的解释程序。

我们还看到了对光伏组件阵列及其需求和连接组合的解释。详细计算了串联、并联和混合连接的设计过程以及模块电压和电流不匹配的研究。对光伏组件和阵列的研究是光伏系统设计人员的必备要求。

本文对光伏系统中的重要组件（模块和阵列）进行了重要的设计理解，可用于在光伏中进行正确、高效和可靠的设计系统。