太阳能电池的串联和并联首先讨论太阳能电池单元PV

第一部分。

太阳能电池的串联和并联
首先讨论太阳能电池单元（PV-cell），太阳能模组（PV-module），太阳能面板（PV-panel），太阳能面板阵列（PV-array)定义。

∙太阳能电池单元（PV-cell），也就是一个电池的单元，一般输出电压只有0.6V左右。

）
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∙太阳能模组（PV-module），多个电池的单元串联后，并联一个旁路二极管（passby diode）。

太阳能模组（PV-module）是电路意义上的定义。

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∙太阳能面板（PV-panel），也就是我们看到的太阳能板。

一个太阳能面板（PV-panel），可以有多个太阳能模组（PV-module）串联，也可以有一个太阳能模组（PV-module）。

太阳能面板（PV-panel）是物理上的定义，可以看出一个器件。

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∙太阳能面板阵列（PV-array)。

就是太阳能面板（PV-panel）的串联和并联。

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太阳能电池的串联和并联
∙太阳能电池单元（PV-cell）串联问题。

如果没有passby diode（后面会讨论到）。

太阳能电池单元（PV-cell），太阳能模组（PV-module），太阳能面板（PV-panel），太阳能面板阵列（PV-array)的等效电路是一样的。

在这里不做分析，大家可以参照有关文献。

光伏本质上是恒流电源，只是最高的输出电压受到 n x V_cell的限制。

恒流源的特征是输出阻抗高，故在一个的PV-cell string（电池的串联）中。

最弱的一个PV-cell电流决定整个PV-
cell string电流大小。

比如500个 PV-cell string中。

499个能够输出8A电流，只有一个cell能够输出0.5A（阴影，污染等等原因）。

那么这个 PV-cell string只能输出0.5A。

7.5A就这样浪费了。

为了解决这个问题，可以在这个PV-cell并联一个passby diode。

这样电流就可以出来8A，只是电压降低V_cell + V_passby. 由于这个最弱的PV-cell是不确定的，因此要求每一个PV-cell加一个passby diode--------这样成本太高。

于是采用一个折中的方案。

比如每24个PV-cell string加一个passby二极管。

这24个PV-cell string 加这个并联的passby diode，就是一个PV-module。

以此类推，太阳能模组串（PV-module string）中，也存在同样的问题。

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∙太阳能电池单元（PV-cell）并联问题。

只有0.6V输出，电流是巨大的，传导损耗（conduct lose）太大了。

但是不存在串联电路中passby能量的问题。

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∙应用现状以及发展方向。

为了获取高的电压，目前我们看到的大多数的应用是太阳能模组（PV-module）直接串联。

从上面分析来看，串联问题带来了太多的能量的被passby。

也就是系统效率低下的问题。

为了解决该问题，目前太阳能应用的发展趋势是 u-convertor 和 u-inverter。

也就是如何将串联转化为并联，下面我们将会讨论
∙
总结：如何平衡串联和并联，如何将串联转化成并联。

是问题，也是挑战。

重点回顾：
1）光伏本质上是恒流电源
2）最弱的一个PV-cell电流决定整个PV-cell string电流大小
3）如何平衡串联和并联，如何将串联转化成并联。

4）u-convertor 和 u-inverter
第二部分。

MPPT
MPPT（maximum power point trace）。

MPPT的组成是由MPPT的算法和DCtoDC电路构成。

MPPT 的算法可以用硬件和软件来实现。

目前已经有带硬件的MPPT的电源IC面市。

有多少个PV-module，就有多少个功率峰。

一个太阳能模组串（PV-module string），如果以Y轴为输出功率，x轴输出电压。

我们可以得出一个功率VA电压曲线。

以3个PV-module为例。

假如他们的输出电流分别为0.5A，1A，2A。

那么曲线大致如下（x轴的数据有点点错误，重点是功率峰）。

有3个功率峰。

如果3个module的电流是一样的，那么3个功率峰会重叠，我们仍然还是可以看成有3个峰。

因此有多少个PV-module，就有多少个功率峰。

MPPT的目的就是找到最高的峰，然后锁住在峰的顶部。

如果只有一个功率峰，硬件MPPT可以实现。

如果存在多个功率峰，软件MPPT实现起来方便多了。

在多个功率峰的太阳能系统中，还是存在能量被passby。

因此将来发展的方向是one module， one peak。

MPPT的性能评估（测试方法）
1）MPPT静态指标。

测试方法如下。

电源：恒压源串联一个电阻. 在MPPT时，负载上的电压只有恒压源的电源一半。

2）ORRR（output ripple rejection ratio）。

输出电压纹波抑制比。

这个指标的意义是，如果输出电压波动，不能影响MPPT的跟踪。

测试方法是在输出端加一个正弦波，看看PV的输出功率有没有变化。

3）MPPT实时跟踪。

在输入加一个正弦波，评估MPPT状态。

4）最大功率峰测试。

任何时域信号的变化，通过傅里叶可以转为频域上正弦波组合。

任何复杂的动作，可以分解单一动作的组合。

怎样测试和制定指标，目前还没有规范。

建议根据应用来制定。

如果太阳能混合动力车。

由于太阳能电池是移动的，和负载变化大，1）2）3）指标都非常重要，而且正弦波的频率设置要高。

太阳能混合动力车最好避免测试4），最好是只有一个功率峰。

而且最好直接采用硬件MPPT。

Off-grid电站，由于有电池，以及太阳能面板位置是固定的，2）3）指标要求低一点
on-tied 电站，太阳能面板位置是固定，没有电池。

2）3）指标要求高一点。

电池充电器太阳能面板位置是固定，电池电压变化缓慢。

2）3）指标要求更低。

总结：MPPT的目的在于提高系统效率。

重点回顾：
1）硬件MPPT 和软件MPPT
2）有多少个PV-module，就有多少个功率峰。

3）方向one module， one peak。

4）MPPT的性能评估（测试方法）
第三部分。

从能量传输的连续性来看效率，产品寿命，DCtoDC电力电路设计。

面临的问题
1)太阳能电池本质是恒流电源，要求能量不间断输出,既是要求能量的传输的连续性. DCtoDC能量传输的连续性是不连续, inverter输出的交流电, 在时域上能量传输是不连续性.
2)为了提高效率, 太阳能的能量要求连续不断地输出能量.
3)为了解决DCtoDC的能量传输不连续性, 和inverter 能量传输不连续性. 不连续的部分能量将会储存在电感, 电容, 电池中. 不连续的部分越少, 效率越高.
4)电容有一个指标是 rated ripple current. 就是通过电流的能力. 如果超过rated ripple current. 电容的寿命将会缩短.
5) DCtoDC电路
a)Buck 电路. 下面是buck电路仿真线路图和CM模式下输入侧的电流变化. BUCK电路电流突变, 不利于能量传输连续性
b) boost. 下面是boost电路仿真线路图和CM模式下输入侧的电流变化. Boost电路在输入侧相对连续, 适合做solar的DCtoDC. 但是boost的输出侧的电流波形是断续的.
c) 同步多相电路减少的系统的电流纹波. 即并联能减少系统电流纹波.
线路图:
在duty 10% 时的纹波电压(红色为1-phase, 绿色为2-phase, 兰色为4 –phase)
在duty=50% 波形
在duty=90%的波形
d)如果频率和相位都不同步的电源并联, 同样能减少系统电流纹波, 这是并联的妙处和妙用. 即异步并联也能减少系统电流纹波.
总结: 1) 由于我们习惯于电压设计, 我们习惯于海量的恒压电源. 太阳能其实完全不同, solar实际是要求电流设计.
2)boost 电路适合于solar能量输出. 而buck 适合inverter电路. 其结论是基于电路分析.
3) 某个指名半导体公司采用 2-phase boost电路作solar的输入.
进一步讨论:
1)我们看到最大电流控制电路, 对于太阳能来说, 最好是直接控制纹波电流的大小. 这样的电路在开环特性上, 有比较好的输入和输出隔离. 也就是开环特性好.
这样在做闭环控制的适合, 可以获得比较好的闭环特性.
太阳能应用挑战.
1)将串联问题转化成并联优势. 要求突破高的输入输出比(变比)DCtoDC有较低的效率问题. 即micro-convertor 和 micro inverter是现在的方向.
2)电流控制取代电压控制. 好的开环电流控制, 即cycle by cycle电流控制, 为好的闭合回路创造了条件. 另外cycle by cycle级的ripple current小
了. 可以简化EMI电路设计.
3)硬件的MPPT 取代软件的MPPT.。