光伏安裝者必備電工知識—基本電路

本章介紹光伏系統(tǒng)的基礎(chǔ)電工知識。從事太陽能發(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，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消耗電能?很多經(jīng)常聽到的，看似簡單，又不容易說清的問題，通過本章的學(xué)習(xí)都會有明確的答案。

本章介紹光伏系統(tǒng)基本電路知識

2.1、電路的組成和作用

電流所流過的路徑稱為電路。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，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。蓄電池在充電時是負(fù)載，放電時是電源。

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，沒有形成通路的電路，開路也稱為斷路，此時電路中沒有電流；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。電源短路時電源提供的電流要比通路時提供的電流大很多倍，通常是有害的，也是非常危險的，所以一般不允許電源短路。

光伏系統(tǒng)中，逆變器工作時，組件處于通路狀態(tài)，組件的電壓就是工作電壓；逆變器沒有工作時，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。由于組件是一個電流源，內(nèi)阻比較高，組件短路時電流也不大，約為工作電流的1.25倍，所以單路的組件短路，熔斷器不會熔斷，逆變器里面的熔斷器的主要作用是有多路接入時，任意一組接地，防止別的組串就會流向這一路，超過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：

1）當(dāng)全電路處于通路狀態(tài)時，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，相當(dāng)于外電路電阻值趨于無窮大，此時電路電流為零，開路內(nèi)電路電阻電壓為零，外電路電壓等于電源電動勢。

3）當(dāng)全電路處于短路狀態(tài)時，外電路電阻值趨近于零，此時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。短路時外電路電壓為零，內(nèi)電路電阻電壓等于電源電動勢。

2.4、串聯(lián)和并聯(lián)電路

在一段電路上，將幾個電阻或者電源的首尾依次相連所構(gòu)成的一個沒有分支的電路，叫做串聯(lián)電路。將兩個或兩個以上的電阻或者電源兩端分別接在電路中相同的兩個節(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)：

2）電阻的并聯(lián)電路有如下特點(diǎn)：

在并聯(lián)電路中，電阻的阻值越大，這個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)電路中的任意一個電阻，因此，可以用電阻并聯(lián)的方法來獲得阻值較小的電阻。

(2)由于并聯(lián)電阻各個支路兩端電壓相等，因此，工作電壓相同的負(fù)載，如電動機(jī)、電燈等都是并聯(lián)使用，任何一個負(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)工作需要啟動或停止并聯(lián)使用的負(fù)載。

(3)在電工測量中應(yīng)用電阻并聯(lián)方法組成分流器來擴(kuò)大電流表的量程。

光伏系統(tǒng)中，我們也經(jīng)常會遇到組件串并聯(lián)的問題：

案例1：在一個光伏系統(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，請問這4塊組件能不能使用？

答：在設(shè)計光伏系統(tǒng)時，要盡量保持同一臺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，比如說剛好客戶幾塊老組件，再比如說有人送你幾塊組件，你是要還是不要。就這個客戶而言，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。