本章介紹光伏系統(tǒng)的基礎(chǔ)電工知識(shí)。從事太陽(yáng)能發(fā)電工作，我們不可避免要接觸到有關(guān)電方面的名詞、術(shù)語(yǔ)，也經(jīng)常有很多用電方面的困惑。同樣的組件，同樣的安裝方式，是什么因素導(dǎo)致發(fā)電量不一樣？為什么會(huì)發(fā)生由用電引發(fā)的火災(zāi)？晚上并網(wǎng)逆變器不工作，為什么隔離變壓器還會(huì)消耗電能?很多經(jīng)常聽到的，看似簡(jiǎn)單，又不容易說(shuō)清的問(wèn)題，通過(guò)本章的學(xué)習(xí)都會(huì)有明確的答案。
本章介紹光伏系統(tǒng)基本電路知識(shí)
2.1、電路的組成和作用
電流所流過(guò)的路徑稱為電路。它是由電源、負(fù)載、開關(guān)和連接導(dǎo)線等4個(gè)基本部分組成的。電源是把非電能轉(zhuǎn)換成電能并向外提供電能的裝置。常見的電源有光伏發(fā)電系統(tǒng)、蓄電池和發(fā)電機(jī)等。負(fù)載是電路中用電器的總稱，它將電能轉(zhuǎn)換成其他形式的能。如電燈把電能轉(zhuǎn)換成光能；電烙鐵把電能轉(zhuǎn)換成熱能；電動(dòng)機(jī)把電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。開關(guān)屬于控制電器，用于控制電路的接通或斷開。連接導(dǎo)線將電源和負(fù)載連接起來(lái)，擔(dān)負(fù)著電能的傳輸和分配的任務(wù)。電路電流方向是由電源正極經(jīng)負(fù)載流到電源負(fù)極，在電源內(nèi)部，電流由負(fù)極流向正極，形成一個(gè)閉合通路。
電源和負(fù)載也是可以變換的，如電網(wǎng)一般都是電源，但在光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中，電源是組件和逆變器，電網(wǎng)是負(fù)載。蓄電池在充電時(shí)是負(fù)載，放電時(shí)是電源。
2.2、電路的三種狀態(tài)
電路有三種狀態(tài)：即通路、開路、短路。
通路是指電路處處接通。通路也稱為閉合電路，簡(jiǎn)稱閉路。只有在通路的情況下，電路才有正常的工作電流，開路是電路中某處斷開，沒(méi)有形成通路的電路，開路也稱為斷路，此時(shí)電路中沒(méi)有電流；短路是指電源或負(fù)載兩端被導(dǎo)線連接在一起，分別稱為電源短路或負(fù)載短路。電源短路時(shí)電源提供的電流要比通路時(shí)提供的電流大很多倍，通常是有害的，也是非常危險(xiǎn)的，所以一般不允許電源短路。
光伏系統(tǒng)中，逆變器工作時(shí)，組件處于通路狀態(tài)，組件的電壓就是工作電壓；逆變器沒(méi)有工作時(shí)，組件處于開路狀態(tài)，組件的電壓就是開路電壓，開路電壓一般要比工作電壓高19%左右。由于組件是一個(gè)電流源，內(nèi)阻比較高，組件短路時(shí)電流也不大，約為工作電流的1.25倍，所以單路的組件短路，熔斷器不會(huì)熔斷，逆變器里面的熔斷器的主要作用是有多路接入時(shí)，任意一組接地，防止別的組串就會(huì)流向這一路，超過(guò)三路就需要配熔斷器了。
2.3、歐姆定律
所謂一段電阻電路是指不包括電源在內(nèi)的外電路，電阻電路歐姆定律的內(nèi)容是，流過(guò)導(dǎo)體的電流強(qiáng)度與這段導(dǎo)體兩端的電壓成正比；與這殷導(dǎo)體的電阻成反比。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：
本章介紹光伏系統(tǒng)基本電路知識(shí)
2.1、電路的組成和作用
電流所流過(guò)的路徑稱為電路。它是由電源、負(fù)載、開關(guān)和連接導(dǎo)線等4個(gè)基本部分組成的。電源是把非電能轉(zhuǎn)換成電能并向外提供電能的裝置。常見的電源有光伏發(fā)電系統(tǒng)、蓄電池和發(fā)電機(jī)等。負(fù)載是電路中用電器的總稱，它將電能轉(zhuǎn)換成其他形式的能。如電燈把電能轉(zhuǎn)換成光能；電烙鐵把電能轉(zhuǎn)換成熱能；電動(dòng)機(jī)把電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。開關(guān)屬于控制電器，用于控制電路的接通或斷開。連接導(dǎo)線將電源和負(fù)載連接起來(lái)，擔(dān)負(fù)著電能的傳輸和分配的任務(wù)。電路電流方向是由電源正極經(jīng)負(fù)載流到電源負(fù)極，在電源內(nèi)部，電流由負(fù)極流向正極，形成一個(gè)閉合通路。
電源和負(fù)載也是可以變換的，如電網(wǎng)一般都是電源，但在光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中，電源是組件和逆變器，電網(wǎng)是負(fù)載。蓄電池在充電時(shí)是負(fù)載，放電時(shí)是電源。
2.2、電路的三種狀態(tài)
電路有三種狀態(tài)：即通路、開路、短路。
通路是指電路處處接通。通路也稱為閉合電路，簡(jiǎn)稱閉路。只有在通路的情況下，電路才有正常的工作電流，開路是電路中某處斷開，沒(méi)有形成通路的電路，開路也稱為斷路，此時(shí)電路中沒(méi)有電流；短路是指電源或負(fù)載兩端被導(dǎo)線連接在一起，分別稱為電源短路或負(fù)載短路。電源短路時(shí)電源提供的電流要比通路時(shí)提供的電流大很多倍，通常是有害的，也是非常危險(xiǎn)的，所以一般不允許電源短路。
光伏系統(tǒng)中，逆變器工作時(shí)，組件處于通路狀態(tài)，組件的電壓就是工作電壓；逆變器沒(méi)有工作時(shí)，組件處于開路狀態(tài)，組件的電壓就是開路電壓，開路電壓一般要比工作電壓高19%左右。由于組件是一個(gè)電流源，內(nèi)阻比較高，組件短路時(shí)電流也不大，約為工作電流的1.25倍，所以單路的組件短路，熔斷器不會(huì)熔斷，逆變器里面的熔斷器的主要作用是有多路接入時(shí)，任意一組接地，防止別的組串就會(huì)流向這一路，超過(guò)三路就需要配熔斷器了。
2.3、歐姆定律
所謂一段電阻電路是指不包括電源在內(nèi)的外電路，電阻電路歐姆定律的內(nèi)容是，流過(guò)導(dǎo)體的電流強(qiáng)度與這段導(dǎo)體兩端的電壓成正比；與這殷導(dǎo)體的電阻成反比。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：
式中 ——導(dǎo)體中的電流，(A)；
——導(dǎo)體兩端的電壓，(V)；
——導(dǎo)體的電阻，()。
1）當(dāng)全電路處于通路狀態(tài)時(shí)，得出端電壓為：，由公式可知，隨著電流的增大，外電路電壓也隨之減小。電源內(nèi)阻越大，外電路電壓減小得越多。在直流負(fù)載時(shí)需要恒定電壓供電，所以總是希望電源內(nèi)阻越小越好。
2）當(dāng)全電路處于斷路狀態(tài)時(shí)，相當(dāng)于外電路電阻值趨于無(wú)窮大，此時(shí)電路電流為零，開路內(nèi)電路電阻電壓為零，外電路電壓等于電源電動(dòng)勢(shì)。
3）當(dāng)全電路處于短路狀態(tài)時(shí)，外電路電阻值趨近于零，此時(shí)電路電流叫短路電流。由于電源內(nèi)阻很小，所以短路電流很大。短路時(shí)外電路電壓為零，內(nèi)電路電阻電壓等于電源電動(dòng)勢(shì)。
2.4、串聯(lián)和并聯(lián)電路
在一段電路上，將幾個(gè)電阻或者電源的首尾依次相連所構(gòu)成的一個(gè)沒(méi)有分支的電路，叫做串聯(lián)電路。將兩個(gè)或兩個(gè)以上的電阻或者電源兩端分別接在電路中相同的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間，這種連接方式叫做并聯(lián)電路。
1）串聯(lián)電路有以下特點(diǎn)：
A、串聯(lián)電路中流過(guò)電流都相等 …；I=I1=I2=I3=…=In
B、串聯(lián)電路兩端的總電壓等于各個(gè)器件兩端的電壓之和…；U=U1+U2+ …+Un
C、串聯(lián)電路的總功率等于各個(gè)電源功率之和…；P=P1+P2+…+Pn
2）電阻的并聯(lián)電路有如下特點(diǎn)：
A．并聯(lián)電路中各個(gè)支路兩端的電壓相等…U=U1=U2=…=Un
B．并聯(lián)電路中總的電流等于各支路中的電流之和 …I=I1+I2+…+In
C．并聯(lián)電路的總電阻(即等效電阻)的倒數(shù)等于各并聯(lián)電阻的倒數(shù)之和，即：
…
D、并聯(lián)電路的總功率等于各個(gè)電源功率之和…；P=P1+P2+…+Pn
在并聯(lián)電路中，電阻的阻值越大，這個(gè)電阻所分配到的電流越小，反之越大，即電阻上的電流分配與電阻的阻值成反比。這個(gè)結(jié)論是電阻并聯(lián)電路特點(diǎn)的重要推論，用途極為廣泛，比如，用并聯(lián)電阻的辦法，擴(kuò)大電流表的量程。
電阻并聯(lián)的應(yīng)用，同電阻串聯(lián)的應(yīng)用一樣，也很廣泛。例如：
A因?yàn)殡娮璨⒙?lián)的總電阻小于并聯(lián)電路中的任意一個(gè)電阻，因此，可以用電阻并聯(lián)的方法來(lái)獲得阻值較小的電阻。
(2)由于并聯(lián)電阻各個(gè)支路兩端電壓相等，因此，工作電壓相同的負(fù)載，如電動(dòng)機(jī)、電燈等都是并聯(lián)使用，任何一個(gè)負(fù)載的工作狀態(tài)既不受其他負(fù)載的影響，也不影響其他負(fù)載。在并聯(lián)電路中，負(fù)載個(gè)數(shù)增加，電路的總電阻減小，電流增大，負(fù)載從電源取用的電能多，負(fù)載變重；負(fù)載數(shù)目減少，電路的總電阻增大，電流減小，負(fù)載從電源取用的電能少，負(fù)載變輕。因此，人們可以根據(jù)工作需要啟動(dòng)或停止并聯(lián)使用的負(fù)載。
(3)在電工測(cè)量中應(yīng)用電阻并聯(lián)方法組成分流器來(lái)擴(kuò)大電流表的量程。
光伏系統(tǒng)中，我們也經(jīng)常會(huì)遇到組件串并聯(lián)的問(wèn)題：
案例1：在一個(gè)光伏系統(tǒng)中，使用120塊265W的組件，組件的工作電壓是31.4V，工作電流是8.44A，開路電壓是38.4V，系統(tǒng)采用20串聯(lián)6并聯(lián)的方式，求總功率，總電流，總電壓？
答：組件是電源，按照上述串并聯(lián)的公司，可求出
無(wú)論是串聯(lián)還是并聯(lián)，總功率都是各塊組件的總和，P=120*265=31800W=31.8kW；
串聯(lián)回路，電流不變，并聯(lián)電流是各串聯(lián)回路之和，總工作電流I=8.44*6=50.64A；
并聯(lián)回路，電壓不變，串聯(lián)電壓是各串聯(lián)回路之和，總工作電壓U=31.4*20=628V，總開路電壓 U=38.4*20=768V。
案例2：有一個(gè)客戶，買了76塊265W的組件，組件的工作電壓是31.4V，工作電流是8.44A，客戶手頭還有4塊250W的組件，組件的工作電壓是30.8V，工作電流是8.12A，請(qǐng)問(wèn)這4塊組件能不能使用？
答：在設(shè)計(jì)光伏系統(tǒng)時(shí)，要盡量保持同一臺(tái)逆變器所有的組件都是一致的，但這是最理想狀況，實(shí)際上我們遇到很多復(fù)雜的情況，比如說(shuō)剛好客戶幾塊老組件，再比如說(shuō)有人送你幾塊組件，你是要還是不要。就這個(gè)客戶而言，我們先分析一下：
逆變器都有兩路MPPT，這兩路互不干擾，相當(dāng)于兩個(gè)回路，我們先把這80塊組件分成兩部分，40塊一路MPPT。有40塊全部用新的265W的組件，這一部分發(fā)電不受影響。另外40塊組件，20塊265W的組件組件一串，另外16塊265W的組件和4塊250W的組件組成一串。按照串聯(lián)回路電流相等的原理，這一路組件工作電流變成8.12A，原265W的組件降為255W的組件，16塊組件合計(jì)下降160W，再按照并聯(lián)回路電壓相等的原理，另一路組件電壓要下降（31.4-30.8）*4=2.4V，總功率要下降2.4*8.44約為20W，加起來(lái)約為180W，如果再考慮組件的MPPT特性，實(shí)際下降功率約為250W。相對(duì)于增加的1000W功率，損耗的功率比較小。
結(jié)論：這4塊小功率組件可以接入。
——導(dǎo)體兩端的電壓，(V)；
——導(dǎo)體的電阻，()。
1）當(dāng)全電路處于通路狀態(tài)時(shí)，得出端電壓為：，由公式可知，隨著電流的增大，外電路電壓也隨之減小。電源內(nèi)阻越大，外電路電壓減小得越多。在直流負(fù)載時(shí)需要恒定電壓供電，所以總是希望電源內(nèi)阻越小越好。
2）當(dāng)全電路處于斷路狀態(tài)時(shí)，相當(dāng)于外電路電阻值趨于無(wú)窮大，此時(shí)電路電流為零，開路內(nèi)電路電阻電壓為零，外電路電壓等于電源電動(dòng)勢(shì)。
3）當(dāng)全電路處于短路狀態(tài)時(shí)，外電路電阻值趨近于零，此時(shí)電路電流叫短路電流。由于電源內(nèi)阻很小，所以短路電流很大。短路時(shí)外電路電壓為零，內(nèi)電路電阻電壓等于電源電動(dòng)勢(shì)。
2.4、串聯(lián)和并聯(lián)電路
在一段電路上，將幾個(gè)電阻或者電源的首尾依次相連所構(gòu)成的一個(gè)沒(méi)有分支的電路，叫做串聯(lián)電路。將兩個(gè)或兩個(gè)以上的電阻或者電源兩端分別接在電路中相同的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間，這種連接方式叫做并聯(lián)電路。
1）串聯(lián)電路有以下特點(diǎn)：
A、串聯(lián)電路中流過(guò)電流都相等 …；I=I1=I2=I3=…=In
B、串聯(lián)電路兩端的總電壓等于各個(gè)器件兩端的電壓之和…；U=U1+U2+ …+Un
C、串聯(lián)電路的總功率等于各個(gè)電源功率之和…；P=P1+P2+…+Pn
2）電阻的并聯(lián)電路有如下特點(diǎn)：
A．并聯(lián)電路中各個(gè)支路兩端的電壓相等…U=U1=U2=…=Un
B．并聯(lián)電路中總的電流等于各支路中的電流之和 …I=I1+I2+…+In
C．并聯(lián)電路的總電阻(即等效電阻)的倒數(shù)等于各并聯(lián)電阻的倒數(shù)之和，即：
…
D、并聯(lián)電路的總功率等于各個(gè)電源功率之和…；P=P1+P2+…+Pn
在并聯(lián)電路中，電阻的阻值越大，這個(gè)電阻所分配到的電流越小，反之越大，即電阻上的電流分配與電阻的阻值成反比。這個(gè)結(jié)論是電阻并聯(lián)電路特點(diǎn)的重要推論，用途極為廣泛，比如，用并聯(lián)電阻的辦法，擴(kuò)大電流表的量程。
電阻并聯(lián)的應(yīng)用，同電阻串聯(lián)的應(yīng)用一樣，也很廣泛。例如：
A因?yàn)殡娮璨⒙?lián)的總電阻小于并聯(lián)電路中的任意一個(gè)電阻，因此，可以用電阻并聯(lián)的方法來(lái)獲得阻值較小的電阻。
(2)由于并聯(lián)電阻各個(gè)支路兩端電壓相等，因此，工作電壓相同的負(fù)載，如電動(dòng)機(jī)、電燈等都是并聯(lián)使用，任何一個(gè)負(fù)載的工作狀態(tài)既不受其他負(fù)載的影響，也不影響其他負(fù)載。在并聯(lián)電路中，負(fù)載個(gè)數(shù)增加，電路的總電阻減小，電流增大，負(fù)載從電源取用的電能多，負(fù)載變重；負(fù)載數(shù)目減少，電路的總電阻增大，電流減小，負(fù)載從電源取用的電能少，負(fù)載變輕。因此，人們可以根據(jù)工作需要啟動(dòng)或停止并聯(lián)使用的負(fù)載。
(3)在電工測(cè)量中應(yīng)用電阻并聯(lián)方法組成分流器來(lái)擴(kuò)大電流表的量程。
光伏系統(tǒng)中，我們也經(jīng)常會(huì)遇到組件串并聯(lián)的問(wèn)題：
案例1：在一個(gè)光伏系統(tǒng)中，使用120塊265W的組件，組件的工作電壓是31.4V，工作電流是8.44A，開路電壓是38.4V，系統(tǒng)采用20串聯(lián)6并聯(lián)的方式，求總功率，總電流，總電壓？
答：組件是電源，按照上述串并聯(lián)的公司，可求出
無(wú)論是串聯(lián)還是并聯(lián)，總功率都是各塊組件的總和，P=120*265=31800W=31.8kW；
串聯(lián)回路，電流不變，并聯(lián)電流是各串聯(lián)回路之和，總工作電流I=8.44*6=50.64A；
并聯(lián)回路，電壓不變，串聯(lián)電壓是各串聯(lián)回路之和，總工作電壓U=31.4*20=628V，總開路電壓 U=38.4*20=768V。
案例2：有一個(gè)客戶，買了76塊265W的組件，組件的工作電壓是31.4V，工作電流是8.44A，客戶手頭還有4塊250W的組件，組件的工作電壓是30.8V，工作電流是8.12A，請(qǐng)問(wèn)這4塊組件能不能使用？
答：在設(shè)計(jì)光伏系統(tǒng)時(shí)，要盡量保持同一臺(tái)逆變器所有的組件都是一致的，但這是最理想狀況，實(shí)際上我們遇到很多復(fù)雜的情況，比如說(shuō)剛好客戶幾塊老組件，再比如說(shuō)有人送你幾塊組件，你是要還是不要。就這個(gè)客戶而言，我們先分析一下：
逆變器都有兩路MPPT，這兩路互不干擾，相當(dāng)于兩個(gè)回路，我們先把這80塊組件分成兩部分，40塊一路MPPT。有40塊全部用新的265W的組件，這一部分發(fā)電不受影響。另外40塊組件，20塊265W的組件組件一串，另外16塊265W的組件和4塊250W的組件組成一串。按照串聯(lián)回路電流相等的原理，這一路組件工作電流變成8.12A，原265W的組件降為255W的組件，16塊組件合計(jì)下降160W，再按照并聯(lián)回路電壓相等的原理，另一路組件電壓要下降（31.4-30.8）*4=2.4V，總功率要下降2.4*8.44約為20W，加起來(lái)約為180W，如果再考慮組件的MPPT特性，實(shí)際下降功率約為250W。相對(duì)于增加的1000W功率，損耗的功率比較小。
結(jié)論：這4塊小功率組件可以接入。
