《新能源装备装配与调试》课件-任务二光伏组件的连接与测试-离网并网计算

任务二光伏组件的连接与测试用户在安装光伏发电设备时会有不同的电压电流需求，很多时候不能用一块光伏电池板来满足用户的需求，这就需要将若干块光伏组件进行串并联连接。任务描述相关知识一、光伏组件原理1.本征半导体本征半导体（intrinsicsemiconductor)完全不含杂质且无晶格缺陷的纯净半导体称为本征半导体。实际半导体不能绝对地纯净，本征半导体一般是指导电主要由材料的本征激发决定的纯净半导体。在绝对零度温度下，半导体的价带（valenceband)是满带，受到光电注入或热激发后，价带中的部分电子会越过禁带（forbiddenband/bandgap)进入能量较高的空带，空带中存在电子后成为导市（conductionband),价市中缺少一个电子后形成一个带正电的空位，称为空穴（hole),导带中的电子和价带中的空穴合称为电子一空穴对。上述产生的电子和空穴均能自由移动，成为自由载流子（freecarrier),它们在外电场作用下产生定向运动而形成宏观电流，分别称为电子导电和空穴导电。在本征半导体中，这两种载流子的浓度是相等的。随着温度的升高或光照时，载流子浓度是按指数规律増长，导电性能増加。2.P型半导体和N型半导体如果在本征半导体中掺入少量的杂质，半导体的导电性能将会大大的改善。在半导体中掺入施主杂质（磷、砷、锑），就得到N型半导体；在半导体中掺入受主杂质（硼、铝、镓），就得到P型半导体。在P型半导体中，空穴占多数，自由电子占少数，空穴是多数载流子，电子是少数载流子。而N型半导体中，电子浓度高于空穴，电子为多数载流子，空穴为少数载流子。但由于掺杂的杂质本身也是电中性的，因此掺杂后的半导体仍然是电中性的。因为P型和N型半导体掺杂的杂质本身是电中性的，因此掺杂后的半导体正负电荷数量是相等是仍然是电中性的。

P型和N型半导体

3.PN结采用不同的掺杂工艺，要把P型半导体与N型半导体结合在一起，电子或空穴将发生扩散运动，从高浓度区向低浓度区移动，从而在交界面处形成PN结（PNjunction)。并在结的两边形成势垒电场，使得电子或空穴的扩散运动达到平衡状态。如图所示。PN结的形成光伏发电的原理光生伏特效应太阳光照在半导体p-n结上，形成新的空穴-电子对，在p-n结电场的作用下，空穴由n区流向p区，电子由p区流向n区，接通电路后就形成电流。这就是光电效应太阳能电池的工作原理。NEWENERGYFORPHOTOVOLTAICPOWERGENERATION4.光伏组件工作原理光伏组件能量转换的基础是半导体PN结的光生伏特效应。当太阳光照射PN结时，半导体内的原子由于获得了光能而释放电子，产生电子-空穴对，在势垒电场的作用下，电子被驱向N型区，空穴被驱向P型区，从而在PN结的附近形成与势垒电场方向相反的光生电场。光剩电场的一部分抵势垒电场，其余使得N型区域P型区之间的薄层产生了电动势。即光生伏特电动势，当接通外电路时便有电能输出。如图所示。5.光伏组件的串并联连接1设计方法一基本计算公式为组件日平均发电量＝组件峰值电流（A）×峰值日照时数（h）在计算组件的并联数时，如果负载用电量的单位为W·h，就应按下式转换后进根据基尔霍夫电压定律，串联电路的总电压等于各分电压之和。因此，将多块光伏组件像电池一样串联起来，它们的工作电压会叠加，而电流保持不变。光伏阵列的总功率（W）=组件并联数×组件串联数×选定组件的峰值输出功率（W）组件串并联后的输出特性完美匹配逆变器的输入要求第一步：理解关键参数首先，你必须看懂光伏组件铭牌上的几个关键参数（以某550W组件为例）：开路电压(Voc)：43.8V（不接负载时的最大电压，低温时会升高）开路电压不是我们工作时关心的电压，而是我们在设计时为了确保安全而必须考虑的“最高警戒电压”。工作电压(Vmp)：41.5V（最大功率点时的电压）短路电流(Isc)：13.2A（正负极短接时的电流，高温时会略升）最大功率点电流(Imp)：13.0A其次，看懂逆变器的输入要求：最大直流输入电压：例如1100V（绝对不可逾越的红线，否则会击穿逆变器）MPPT电压范围：例如200-1000V（逆变器能高效追踪最大功率的电压窗口）额定输入电压：例如600V应用“电压越串越大”确定串联数量串联是为了提升电压到逆变器喜欢的工作区间。约束条件一：不超过最大输入电压(Voc_max)原理：冬天温度骤降时，组件的开路电压(Voc)会显著升高。所有组件的Voc之和必须在极端低温下也不能超过逆变器的最大直流输入电压。公式：最大串联数≤逆变器最大输入电压/(组件Voc×(1+(低温最低温度-STC温度)×

组件Voc温度系数))简化计算：通常取经验值。例如，逆变器最大电压1100V，组件Voc=43.8V。1100V/43.8V≈25.1所以最大串联数不能超过25块。应用“电压越串越大”确定串联数量约束条件二：工作在MPPT最佳电压范围原理：组件的串联工作电压(Vmp之和)应落在逆变器MPPT电压范围（如200-1000V）的中上部，这样在光照变化和温度升高时，电压波动也不会轻易跳出这个范围，保证长时间高效发电。公式：串联数≈逆变器额定电压/组件Vmp举例：逆变器额定电压600V，组件Vmp=41.5V。600V/41.5V≈14.45取整为14或15块。14块时，工作电压为14×41.5V=581V，很好地落在200-1000V范围内，且靠近额定电压600V，效率高

在14块和25块之间，我们最终选择14块。因为既能满足电压要求，又是更经济、更高效的选择。。应用“电流越并越大”确定并联数量约束条件：不超过最大输入电流原理：多个组串并联后，它们的总电流会相加。这个总电流不能超过逆变器单路MPPT的最大输入电流。公式：最大并联数≤逆变器最大输入电流/组件Isc举例：逆变器最大输入电流为26A，组件Isc=13.2A。26A/13.2A≈1.97所以最多只能并联1个组串。如果并联2串，电流理论最大可达2×13.2A=26.4A>26A，会导致逆变器限流保护或效率下降。注意：通常我们会留有一定裕量，所以这里选择并联1串。首要原则：低温下的总Voc绝不能超过逆变器最大电压。

次要原则：工作时的总Vmp应落在MPPT范围内。小明有一个屋顶，打算安装20块光伏组件。每块组件的参数如下：开路电压(Voc)：45V假设冬天温度最低时，电压会升高20%。工作电压(Vmp)：38V他选择了一台逆变器，参数如下：最大直流输入电压：1000VMPPT工作电压范围：250-800V请问最多能多少块组件串联成一串？请说明理由。单块组件最高电压：45V*1.2=54V逆变器最大允许电压是1000V。最大串联数≤1000V/54V≈18.5所以，最多只能串联18块（必须向下取整）并联是为了增加电流。

总电流不能超过逆变器单路MPPT的电流上限。

设计时要灵活，让总组件数能被串联数整除，便于并联。接上题，小明有20块组件，每块组件的短路电流(Isc)是10A。他的逆变器每路MPPT的最大输入电流是25A。如果他决定采用18块一串，剩下的2块组件怎么处理？最多可以并联几串？解答：分析现状：20块组件，已用18块组成1串，还剩2块，无法再组成一个18块的串。方案一：再购买16块组件，组成第二串。（成本高）方案二：用剩下的2块组件单独做一个小系统（不划算）。最佳方案：调整串联数，让20块组件能平均分配。重新设计串联数：逆变器MPPT范围是250-800V。尝试10块一串：工作电压=10*38V=380V（在250-800V范围内，完美）。检查低温电压：10*45V*1.2=540V（远小于1000V，安全）。尝试10块一串：工作电压=10*38V=380V（在250-800V范围内，完美）。检查低温电压：10*45V*1.2=540V（远小于1000V，安全）。计算并联数：现在可以组成2串，每串10块组件。单串最大电流：10A*1.2(裕量)=12A逆变器每路最大电流：25A。最大并联数≤25A/12A≈2.08结论：最佳方案是每10块组件串联成一串，然后将这样的2串并联接入逆变器的一路MPPT。我的串并联选择为何是现在根据逆变器。并联根据实际负载平均用的发电量和组件日平均发电量来选择。串联根据系统工作电压和组件峰值电压来选择呢。1设计方法一基本计算公式为组件日平均发电量＝组件峰值电流（A）×峰值日照时数（h）在计算组件的并联数时，如果负载用电量的单位为W·h，就应按下式转换后进根据基尔霍夫电压定律，串联电路的总电压等于各分电压之和。因此，将多块光伏组件像电池一样串联起来，它们的工作电压会叠加，而电流保持不变。光伏阵列的总功率（W）=组件并联数×组件串联数×选定组件的峰值输出功率（W）1设计方法一【例

2-1】

某一地区建设的光伏发电系统为以下负载供电：荧光灯4盏，每盏功率40W，每盏工作4h；电视机两台，每台功率为70W，每天工作5h。系统工作电压为48V。选用组件参数：峰值电压为17.4V，峰值电流为5.75A，峰值功率为100W。当地峰值日照时数为3.43h。修正因数：充电效率为0.9，组件损耗系数为0.9，逆变效率为0.9。试确定组件的数目。（根据负载或组件日均发电量）在离网系统中是绝对正确的。但对于主流的并网系统，之所以要“根据逆变器”来选择，根本原因在于：并网系统的“负载”不是您家的电器，而是电网本身。而逆变器，是连接组件和电网（最终负载）的唯一智能桥梁。1.核心区别：并网系统vs.离网系统并网系统(Grid-Tied)：它的目标是将光伏组件产生的每一度电，最大限度地转化为符合电网要求的交流电，并送入电网。电网是一个无限大的“负载”，它来者不拒（在允许的范围内）。因此，系统不需要存储，也不需要直接匹配某个具体负载的用电曲线。离网系统(Off-Grid)：它的目标是用光伏电能为一个确定的、无电网连接的负载供电。这时，负载的用电量、用电时间（日平均发电量）和蓄电池的配置就成了设计的绝对核心。并网系统是“生产者”，追求的是最大产量；离网系统是“自给自足者”，追求的是可靠供应。这是两者最根本的区别。如何理解提出的“负载”和“发电量关于“实际负载”：在并网系统中，您家的负载和光伏系统在电线上是并联关系。光伏电力会优先供给您正在使用的负载，多余的部分输送给电网；不够时则由电网补充。系统设计不考虑负载大小：因为无论您家用1度电还是100度电，光伏系统的目标都是在有阳光时发尽可能多的电。即使您全家出动，电网也会“吃掉”所有发的电。系统功率只由组件规模和逆变器容量决定。财务上考虑负载：我们设计系统容量时，会参考您的电费账单和用电习惯，目的是为了进行经济性计算（投资回报率），而不是为了电气设计。电气设计只关心如何安全、高效地把组件发出的电变给电网。关于“日均发电量”：这是一个结果，而不是一个输入条件。日均发电量=系统装机容量

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当地峰值日照时数

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系统效率系统效率的高低，很大程度上就取决于组串的电压/电流是否完美匹配逆变器的MPPT范围。如果匹配不好，效率就从85%掉到70%，日均发电量就大幅减少。所以，我们先通过串并联设计让系统“高效运行”，然后才能准确地预测出“日均发电量”。把光伏组件想象成水井，能产出多少水（电）由阳光决定。把逆变器想象成水泵和净水系统，它有一个最高扬程（最大电压）和最大流量（最大电流）。把电网想象成大海。您的问题等价于：“为什么水泵的选型要根据水泵本身的参数，而不是根据我每天要用多少水来定？答案就是：因为无论你用不用水，水泵的任务就是在安全的前提下，以最高效率把井水抽到大海里。

你需要做的，是打一口或多口井（组件串并联），确保它们产出的水量和水压，正好能让这台水泵最高效、最安全地工作。确定组件参数（Voc,V