2.2　直流电路

电流从一个充电点流到另一充电点的路径称为电路。电流通过电路从能源流到负载。能源和负载可布置成彼此串联和/或并联。

在光伏系统中，光伏组件作为发电端可串联和并联，以创建一个具有特定电压和电流特性的光伏阵列。本节将回顾串联和并联直流电路的规则及配置，这是理解后续阵列设计要求的基础。串联和并联排列的光伏组件在第4章有进一步说明。

在研究串联和并联之前，要理解两个关键概念：开路和短路。

（1）开路。如果电流通路的任何部分断开，会形成一个没有电流通过的开路[图2.5（a）]。开路可以使用发电端的开路电压（VOC）进行说明。

（2）短路。如果发生故障，电流穿过源端子在闭合回路中流动（即无接收电流的负载），这就是所谓的短路[图2.5（b）]。短路可以使用能源的短路电流（ISC）进行说明。

定义

电路是电流从一个充电点流到另一充电点的路径。

开路是电流通路断开而使电流等于0之处。

短路是电流穿过电源端子在闭合回路中流动的情况。

2.2.1　串联电路

如果电流连续流经电路的所有组件，则称为一个串联电路。在串联电路中，流过每个组件的电流相同。

要点

在串联电路中，流过每个组件的电流相同。

要了解并网光伏发电系统中的光伏阵列和直流电路，重要的是要了解电阻和源（组件）组合串联布置时会发生什么。

1.串联电阻

思考当两个电阻器（电阻R1和R2）与源（PV组件）串联放置时会发生什么，如图2.6所示。

只有一个路径供总电流（IT）遵循，因此电路所有部分的电流是相同的。

施加到串联电路的总电压（VPV）将由所有组件（即V1和V2）按比例分配为

电流会受到路径中所有单个组件的阻碍（即R1和R2），使得总电阻（RT）为

通过将VPV=V1+V2代入等式V=IR所得

消去电流，电路中的电流相同，则得到：

定义

标称值是用来描述电池、组件或系统的一个参考值。因此，它不是一个精确值。例如，一个72片电池的太阳能组件的标称电压是24V，但相同组件的开路电压（VOC）可以是45.6V，最大功率电压（VMP）可以是35V。

实例

图2.6的配置有产生标称12V电压的光伏组件。在下列情况下，穿过两个电阻器的电压是多少？

第1种情况：

电阻器的电阻相同（即R1=R2）。

解答1：

R1两端的电压将等于R2两端的电压。因此，电压为均压，均为6V。

第2种情况：

电阻1是电阻2的2倍（即R1=2R2）。

解答2：

电路总电阻等于串联电阻之和。

因此，总电阻为

电阻上的电压为均压。由于R2的电压是总电压12V的1/3，因此等于4V。

剩余的电压为R1的电压，等于（12-4）=8V。

注意电阻加倍导致电阻两端的电压也倍增。

2.串联发电端（光伏组件）

思考两种源，如2个光伏组件（PV1和PV2），与电阻器（R）串联会发生什么，如图2.7所示。

在这种情况下，各光伏组件的电压将结合以获得总电压（VT）。

与串联电阻一样，电流只有一个路径，因此电路所有部分的电流相同。

知识点

串联太阳能光伏组件被称为串。

实例

如果图2.7的每个光伏组件具有标称电压12V，电流容量3.5A，则施加到电阻器R的电势差将为24V，即

如果组件具有电流容量I1=I2=3.5A，则组件的电流IT相同，即

如果额定电流不同的多种电源串联连接，串联电源的总电流等于最小电源的电流。然而，具有较高电流的电源产生的过剩电流将流入电流最低的电源并转化为热量释放，导致发电端性能降低和潜在损害。因此，应避免在不同电流的发电端串联连接。

实例

图2.7中，如果光伏组件PV1具有标称电压6V和电流3A，PV2具有标称电压12V和电流6 A，两个组件通过电阻R的输出电压将是光伏组件各电压之和，即

但总电流（IT）将为最小组件电流，即

总结

串联组件通过各组件的电流相同。因此，随着串联光伏组件增多，电流仍保持不变，但电压继续增加。如果增加串联不同瓦数的光伏组件，则电流等于容量最小的光伏组件的电流。

3.发电端电源极性反接

观察连接在一起的电源极性至关重要。在图2.8中，光伏组件看上去是串联连接。然而，仔细检查电源的极性，就会发现电源极性是反接。因此，如果它们的电压相等，则不会有电流流过电路。另外，通过电阻R的电位差（电压）将为0。

4.串联电路开路

串联电路开路状态（图2.9）可能是由于开关打开或故障条件下熔丝熔断所致。开路表示没有电流流过，电源的开路电压可以测量。电源的开路电压（VOC）通过测量开路条件下，即没有外部负载（逆变器等）连接到电路时，两个端子之间的电压获得。在这种条件下，电路中没有电流流过，可以通过在开路点测量得到总供电电压。

实例

如果图2.9中的光伏组件具有18V开路电压，测得的通过端子的VOC将为18V。

2.2.2　并联电路

当两个或多个组件以电压源方式连接时，它们形成了一个并联电路。每一组并联的组件构成一个单独的“串”，并且每个“串”具有相同的电压。流经每个分支的电流取决于“串”的电阻，因而电流可能不同。

要点

并联电路中，每串组件的电压相同。

要了解并网光伏系统中的光伏阵列和直流电路，重要的是要了解当电阻和源（组件）的组合平行布置时的情况。

1.并联电阻

思考当两个电阻器（电阻R1和R2）与能源（一个光伏组件）平行布置时会发生什么，如图2.10。穿过所有支路的电位差（电压）相同，即

每个支路的电流（I1和I2）与各支路的电阻成比例。电路总电流（IT）等于流经每个并联支路的电流之和，即

由于上述两个特性，并联电路的总电阻的倒数与每个支路电阻倒数之和相等，即

变换公式V=IR，得到电流

将该等式代入并联电流等式IT=I1+I2，即

消去电压，因为电路中所有支路的电压相同，从而得到

2.并联电源（光伏组件）

考虑当两种电源，两个光伏组件（PV1和PV2）并联连接时发生的情况，如图2.11所示。

随着并联电源增加，系统的电位差（总电压）保持恒定，假定它们的电压相同，即

然而，电源的电流值等于各个供电电流之和，即

具有不同电压的能源不应并联连接。如果并联连接，系统会按最低支路电压运行，剩余能量将转化为热量耗散。这将导致系统性能欠佳，随着时间的推移，可能对组件造成物理性损坏。

澳大利亚标准

AS/NZS 5033：2014第2.1.6条规定相同最大功率点跟踪（MPPT）的所有组件应具有相同的品牌和型号，具有相似的额定电气特性，以防止环路电流的形成。该条款规定，并联连接支路必须有匹配的VOC（每支路在5%以内）。

实例

假设图2.11中的光伏组件具有标称电压VPV1=VPV2=12V，电流I1=I2=3.5A。电压和电流的输出是多少？

解答：

电路的总电压为

总电流为

总结

随着多个支路的并联连接，光伏系统的电流增加，但电压保持不变，即保持最低电压。不同支路电压产生的剩余能量会从系统中释放，从而导致性能降低，并造成可能的损害。因此，光伏阵列中的各支路需要设计成具有相同的电压。

2.2.3　组合串并联电路

电源发电端，如光伏组件，可串联和并联布置，以实现系统要求的不同的电压或电流配置。

（1）串联布置光伏组件增加了发电端的电压。

（2）并联布置光伏组件增加了发电端的电流容量。

知识点

串联和/或并联光伏组件组合形成的光伏系统称为阵列。

因此，为了实现具有所需电压和电流的阵列，光伏组件可布置成串联和并联连接相结合（图2.12）。

切记，并联连接的组串电源应具有相同的电压。因此，重要的是并联连接的组件串（串联组件）含有相同数量的具有相同电压特性的组件。同样，各组串内的组件（即那些串联的组件）需具有相同的电流。例如，图2.12中I1和I2必须相同，I3和I4必须相同，VPV1+VPV2必须与VPV3+VPV4相同。

实例

图2.12为两串两并的光伏阵列。假设每个光伏组件的工作电压是35V，电流为4A，那么阵列的输出电压和电流是多少？

解答：

阵列的输出电压为

输出电流为

总结

增加串联光伏组件，形成一个组串，增加了组串的电压。增加并联光伏组串增加了阵列的电流。并联连接的光伏组串必须具有相同的电压特性。

由于每串电压必须相同，因此阵列电压等于组串电压。