Подключение солнечных панелей: последовательная, параллельная и смешанная схемы

Последовательное, параллельное и смешанное соединение фотовольтаических массивов

Что такое солнечный фотовольтаический массив?

Отдельный фотовольтаический модуль имеет мощность от 3 до 300 Вт. Однако для получения мощности в диапазоне от киловатт до мегаватт необходимо соединить множество модулей в последовательных и параллельных цепях.

Строка PV-модулей

Когда N модулей соединяют последовательно, вся цепь называется строкой PV-модулей. Последовательное соединение используется для повыжения напряжения в системе. На рисунке ниже показаны схемы последовательного, параллельного и смешанного соединения.

Фотовольтаический массив

Для увеличения тока модули соединяют параллельно. Такая комбинация последовательных и параллельных цепей называется «солнечный фотовольтаический массив» или «массив PV-модулей». Схема массива в смешанной конфигурации приведена ниже.

Солнечный элемент

Солнечный элемент — двухполярное устройство: положительный (анод) и отрицательный (катод) выводы. Группировка элементов образует солнечный модуль (панель), а объединение панелей — фотовольтаический массив.

Важно: при увеличении числа модулей в последовательном и параллельном соединении их мощность складывается.

Последовательное соединение модулей

Иногда требуемое системное напряжение значительно превышает возможности одного модуля. Тогда N модулей соединяют последовательно для получения нужного уровня напряжения. Это аналогично соединению ячеек внутри модуля. На рисунке показана схема последовательного соединения панелей.

При таком соединении увеличиваются не только напряжение, но и выработваемая мощность. Для этого отрицательный вывод одного модуля соединяют с положительным следующего.

Если у модуля напряжение холостого хода V_OC1 = 20 В, а у другого V_OC2 = 20 В, то общее напряжение холостого хода строки:

V_OC = V_OC1 + V_OC2 = 20 + 20 = 40 В

Суммирование напряжений в точке максимальной мощности также справедливо для PV-массива.

Расчёт числа модулей в последовательной цепи и их общей мощности

Для расчёта нужно знать требуемое напряжение массива. Все модули считаются идентичными.

Шаг 1: Зафиксируйте требования к напряжению PV-массива:

• Напряжение холостого хода массива V_OCA
• Напряжение в точке максимальной мощности V_MA

Шаг 2: Запишите параметры модуля: V_OC, V_M, I_SC, I_M, P_M.

Шаг 3: Рассчитайте число модулей N:

N = V_MA / V_M

Также можно использовать отношение V_OCA / V_OC. Если N нецелое, берут ближайшее большее целое, что увеличит V_MA и V_OCA выше требуемого.

Шаг 4: Общая мощность массива:

P_MA = N × P_M

Альтернативно: P_MA = V_MA × I_MA.

Пример

Станция 2 МВт, инвертер принимает 600–900 В. Нужно получить V_MA = 800 В. Параметры модуля:

• V_OC = 35 В
• V_M = 29 В
• I_SC = 7,2 А
• I_M = 6,4 А

Шаг 1: V_MA = 800 В.

Шаг 2: Параметры как выше. P_M = 29 × 6,4 = 185,6 Вт.

Шаг 3: N = 800 / 29 = 27,58 → берём 28 модулей.

Тогда V_MA = 29 × 28 = 812 В.

Шаг 4: P_MA = 28 × 185,6 = 5196,8 Вт.

Итог: нужно 28 модулей последовательно, суммарная мощность 5196,8 Вт для получения 800 В (фактически 812 В).

Неравномерность в последовательно соединённых модулях

Максимальная мощность модуля — произведение напряжения и тока в точке МРР. Если модули не соединены, мощность каждого отличается (таблица 1).

Модуль	VM, В	IM, А	PM, Вт
A	16	4,1	65,6
B	15,5	4,1	63,55
C	15,3	4,1	62,73
Всего	46,8	4,1	191,88

При последовательном соединении напряжения складываются, ток остаётся одинаковым (4,1 А). Разница напряжений не вызывает потерь мощности, если токи идентичны.

Но если токи разные (таблица 2), ток всей строки равен минимальному току модуля.

Модуль	VM, В	IM, А	PM, Вт
A	16	4,1	65,6
B	15,5	3,2	49,6
C	15,3	4,1	62,73
Всего	46,8	3,2	177,93

Модуль B задаёт ток 3,2 А. Мощность падает с 191,88 до 177,93 Вт. Вывод: при последовательном соединении недопустимо соединять модули с разным током — это приводит к потерям мощности. Разница напряжений не критична.

Параллельное соединение модулей

Для увеличения мощности иногда повышают ток параллельным соединением. Ток в параллельной цепи — сумма токов модулей. Напряжение остаётся равным напряжению одного модуля (при их идентичности).

Параллельное соединение: «плюс» к «плюсу», «минус» к «минусу». На рисунке схема параллельного соединения.

Если I_M1 и I_M2 — токи модулей в МРР, то общий ток I_M1 + I_M2. То же для тока КЗ.

Расчёт числа модулей в параллели и их общей мощности

Аналогично последовательному случаю, но по току.

Шаг 1: Требования к току массива: I_SCA, I_MA.

Шаг 2: Параметры модуля: V_OC, V_M, I_SC, I_M, P_M.

Шаг 3: N = I_MA / I_M (или I_SCA / I_SC). Округляют в большую сторону.

Шаг 4: P_MA = N × P_M = V_MA × I_MA.

Пример

Нужно I_MA = 40 А, напряжение системы 14 В. Модуль: V_OC=18 В, V_M=14 В, I_SC=6,5 А, I_M=6 А.

P_M = 14 × 6 = 84 Вт.

N = 40 / 6 = 6,66 → 7 модулей.

I_MA = 6 × 7 = 42 А.

P_MA = 7 × 84 = 588 Вт.

Итог: 7 модулей параллельно, суммарная мощность 588 Вт для получения 40 А (фактически 42 А).

Неравномерность в параллельно соединённых модулях

В параллели проблема — несовпадение напряжений. Если напряжения разные, системное напряжение устанавливается по модулю с минимальным напряжением, что вызывает потери. Рекомендуется: для последовательного соединения — модули с одинаковым током, для параллельного — с одинаковым напряжением.

Смешанное соединение (последовательно-параллельное)

Для крупных станций (ГВт) модули соединяют в строки (последовательно) для напряжения, а строки — параллельно для тока. На рисунке схема.

Строка 1: модули 1 и 2 последовательно. V_OC1 = 2V_OC, I_SC1 = I_SC.

Строка 2: модули 3 и 4. V_OC2 = 2V_OC, I_SC2 = I_SC.

Строки параллельно: V_OCA = V_OC1 = V_OC2 = 2V_OC, I_SCA = I_SC1 + I_SC2 = 2I_SC. То же для МРР.

Расчёт числа модулей в смешанной схеме и их мощности

N_S — модулей в строке (последовательно), N_P — строк параллельно. Все модули идентичны.

Шаг 1: Требования массива: P_MA, V_MA, I_MA.

Шаг 2: Параметры модуля: V_M, I_M, P_M.

Шаг 3: N_S = V_MA / V_M, N_P = I_MA / I_M. Округляют в большую сторону.

Шаг 4: P_MA = N_S × N_P × P_M = V_MA × I_MA.

Пример

Массив: P_MA = 40 кВт, V_MA = 400 В, I_MA = 100 А. Модуль: V_M = 70 В, I_M = 17 А.

P_M = 70 × 17 = 1190 Вт.

N_S = 400 / 70 = 5,71 → 6 модулей в строке. V_MA = 70 × 6 = 420 В.

N_P = 100 / 17 = 5,88 → 6 строк. I_MA = 17 × 6 = 102 А.

P_MA = 6 × 6 × 1190 = 42 840 Вт.

Итог: 36 модулей (6 последовательно × 6 параллельно), мощность 42,84 кВт, фактические параметры 420 В / 102 А.

Заключение

В статье подробно рассмотрены структуры PV-модулей и массивов, процедуры расчёта для последовательных, параллельных и смешанных схем, а также влияние неравномерности параметров. Это знание необходимо для проектирования эффективных и надёжных фотоэлектрических систем.