協(xié)鑫集團設計研究總院 ■ 謝磊 萬宏 潘高楓

0 引言

隨著國內光伏電站的大規(guī)模發(fā)展，在光伏電站運行期間光伏組件會出現(xiàn)較為明顯的電勢誘導衰減(Potential Induced Degradation，PID)，也稱為PID效應。特別是在漁光互補或沿海地區(qū)等空氣濕度大、鹽霧情況較為嚴重的情況下，PID效應直接導致光伏電站發(fā)電量的下降，影響了光伏電站的發(fā)電收益，而這勢必會影響到光伏發(fā)電在這些地區(qū)的推廣應用。尤其在近兩年，1500 V光伏系統(tǒng)由于綜合造價更低而受到青睞，開始越來越多地應用于國內光伏電站的建設，但由于其直流側電壓比1000 V光伏系統(tǒng)更高，使光伏組件PID效應的問題更加突出。本文簡要闡述了光伏組件PID效應產生的原因，介紹了國內主流逆變器廠商的PID效應解決方案，并對各類方案的優(yōu)缺點進行了詳細地分析，最終提出了一種適合1500 V光伏系統(tǒng)的PID效應解決方案。

1 光伏組件PID效應

光伏組件PID效應是由于組件長期在高壓作用下使得玻璃、封裝材料之間存在漏電流，大量的電荷聚集在電池表面，使電池表面鈍化效果惡化，最終導致組件性能衰減的現(xiàn)象[1]。相關研究和數(shù)據(jù)表明，PID效應對光伏組件的輸出功率有很大影響，PID效應不明顯時，組件的功率衰減可達15%～20%，嚴重時甚至可超過50%，導致光伏電站的發(fā)電量大幅下降，嚴重影響了光伏電站的發(fā)電收益。因此，必須對光伏組件的PID效應進行研究，并提出有效的解決方案。

目前解決這一問題的方法主要是通過改進光伏組件或在逆變器側加裝防PID效應的裝置。

改進光伏組件主要是從電池鍍膜材料、工藝控制及封裝材料選取等方面進行改善[2]。此外，雙玻組件由于去除了金屬邊框，PID效應得到了較好的抑制，但由于該類組件存在價格相對較高、安裝方式較復雜等問題，使其應用范圍受到了一定限制。并且改進光伏組件的方法僅適用于新建的光伏電站，對已經在運行的光伏電站，由于更換、改造組件的費用高昂，顯然是無法適用的。

目前較為通用的做法是在逆變器側加裝防PID效應的裝置，通過改變組件中電池片負極對地的電位，從而抑制離子遷移以達到防PID效應的目的；或通過PID效應修復裝置，在光伏發(fā)電系統(tǒng)不運行時，通過對光伏組件的正、負輸出端加以反向偏壓，或者在負極和地之間加以反向偏壓，以達到修復受損電池片的目的。

2 國內外主要方案

2.1 PID效應解決方案的主要分類

通過對國內外廠家所提交的有關PID效應解決方案的專利文獻的檢索，以及國內主要PID效應解決方案的調研，將目前光伏逆變器PID效應解決方案大致分為負極接地、反向偏壓恢復、負極電位抬升、交流電壓中性點電位抬升4類。

2.1.1 負極接地方案

負極接地方案是通過將光伏逆變器的直流輸入負極與大地相連，從而抬升光伏組件的負極對地電位，以達到防止PID效應出現(xiàn)的目的。但由于負極直接接地，增加了漏電風險，可能會引發(fā)操作人員觸電風險，因此此類方案通常會加入對負極的漏電流檢測，一旦負極對地電流超標，立即通過熔絲或斷路器等裝置切斷負極對地的連接。該方案原理圖如圖1所示[3]。

該方案通過將光伏陣列的負極與抗PID電路相連，并通過漏電流檢測單元后接地，實現(xiàn)了光伏組件的負極接地?？刂茊卧ㄟ^漏電流檢測單元送出的電流信號實時檢測光伏組件負極對地電流，一旦電流值超標，立即通過分斷抗PID電路的開關，斷開負極對地的連接。

圖1 負極接地方案原理圖

采用該方案的廠家主要有：陽光電源、南京冠亞、特變電工、南瑞繼保、深圳禾望、中節(jié)能等。

2.1.2 反向偏壓恢復方案

反向偏壓恢復方案主要是當光伏發(fā)電系統(tǒng)不運行時，通過對光伏組件施加反向偏壓，以恢復組件的I-V特性。

負極對地反向偏壓恢復方案是在光伏組件不工作時，通過在光伏組件的負極PVx(x=1,2,…,j)與地之間加上正向電壓，修復受損的光伏組件。圖2為負極對地反向偏壓恢復方案的原理圖[4]。

圖2 負極對地反向偏壓恢復方案原理圖

圖3為光伏組件正極對負極反向偏壓恢復方案，其原理圖如圖3所示[5]。

圖3 正極對負極反向偏壓恢復方案

負極之間加上反向電壓可修復受損的光伏組件，由于負極對地的偏壓是正極對負極的1/2，因此，正極對負極反向偏壓恢復方案要求直流電源的輸出電壓是圖2中直流電源輸出電壓的2倍，其對電源系統(tǒng)和線路的絕緣和耐壓要求更高。

目前提出上述2種方案的廠商有SMA、上海質衛(wèi)環(huán)保、上海正泰電源、深圳永聯(lián)、揚州晶澳、山東希格斯、常州佳訊等。

2.1.3 負極電位抬升方案

負極電位抬升方案主要是在光伏逆變器與大地之間增加一個可調DC/DC隔離電源，使光伏組件負極對地的電壓升到0 V以上，從而抑制PID效應的產生，該方案的原理圖如圖4所示[6]。

圖4 負極電位抬升方案原理圖

該方案通過在PV源n(n=1,2,…,m)的負極PVn-與PE端之間加入一個隔離電壓源，并將電壓源的正極輸出與PVn-相連，負極輸出與PE相連，從而將光伏組件對地的電位抬升至高于0 V，達到抑制光伏組件離子遷移的目的。由于所有的光伏逆變器的交流中性點均為N′，運用“虛短”思想，直流母線電壓中點N1、N2……Nm的電位與N′相同，即提高直流母線任意一中點Nm的電位，所有直流母線中點電位都提高相同幅值，從而實現(xiàn)所有PV源負極對地的電位提高。

提出此方案的廠商有江蘇兆伏、上海正泰電源、北京格林科電、陽光電源等。

2.1.4 交流電壓中性點電位抬升方案

交流電壓中性點電位抬升方案是通過在三相交流電壓的中性點與大地之間增加一個可調直流電壓源，從而抬升交流中性點與大地之間的電位，再利用光伏逆變器直流側中點與交流中性點之間的“虛短”思想，間接將直流負極對地的電壓抬升至0 V以上，從而抑制PID效應的產生。其原理圖如圖5所示[7]。

圖5 交流電壓中性點電位抬升方案原理圖

該方案通過中性線裝置引出光伏逆變器的交流側中性點，并通過電壓補償裝置，在中性點與PE之間增加一個正向的偏壓，由于負極對直流側中點的電壓為光伏組件輸出電壓的一半，因此，當中性點與PE之間增加的正向偏壓大于0.5UPV時，利用“虛短”的基本原理，即可將負極對地的電位抬升至0 V以上。同樣，由于所有變流器均接在相同的交流母線上，即它們擁有相同的中性點，即只要將中性點電位提升，則所有變流器對應的光伏陣列的負極對地電位均會提升相同的幅值。

目前采用該方案的廠家主要有陽光電源和無錫上能等。

3 各方案的優(yōu)缺點分析

表1對上文提到的4種PID效應解決方案的優(yōu)缺點進行了對比。

表1 4種方案的優(yōu)缺點對比

4 1500 V光伏系統(tǒng)PID效應解決方案

1500 V系統(tǒng)由于光伏組件的輸出電壓更高，因此PID效應的風險更大，所以必須采取一定的措施來抑制PID效應的產生，或修復因PID效應受損的光伏組件。根據(jù)前文對現(xiàn)有PID效應解決方案的優(yōu)缺點分析，提出一種抑制PID效應產生兼具修復因PID效應受損的組件的解決方案(以下稱為“P-BOX ”)。P-BOX的系統(tǒng)原理圖如圖6所示。

圖6中，P-BOX的輸入為三相交流電壓，經過內部的AC/DC電源模塊后，變換為輸出可在30～1000 V變化的直流電壓。當光伏陣列正常發(fā)電時，AC/DC電源模塊輸出一個較低的電壓，加在光伏陣列的負極與大地之間，以抑制PID效應的產生。當夜間光伏組件停止發(fā)電且電網斷開后，P-BOX將自動偵測光伏的輸入電壓，以判斷是否滿足啟動夜間工作模式的需求。若條件滿足，則會在負極與地之間逐步產生一個高于0.5Voc的電壓，以修復因PID效應造成輸出功率下降的光伏組件。

其工作模式的切換可通過檢測PV輸入電壓及GPS時間信號進行時間控制自動實現(xiàn)，無需與逆變器進行通信。

除此之外，P-BOX還包含以下主要器件：

1)電阻：阻值≥50 kΩ，避免了負極直接接地，而且即使正極出現(xiàn)對地短路故障，也可起到限制正極到負極漏電流的作用(該電流大小取決于光伏陣列負極對地的絕緣阻抗值)。

圖6 P-BOX的系統(tǒng)原理框圖

2)二極管：其作用是當正極出現(xiàn)接地故障時，能夠避免AC/DC電源模塊的輸出承受反向電壓而損壞。

3)直流電流傳感器和高壓繼電器：當直流電流傳感器檢測到負極對地電流大于系統(tǒng)保護值或瞬間沖擊過大時，可通過內部的控制器分斷高壓繼電器，以起到迅速切除對地連接的目的。

4)熔斷器：作用是當直流傳感器或高壓繼電器失效時，且負極對地漏電流超出允許限制時，依然可以起到切除對地連接的作用。

5)電壓傳感器1和電壓傳感器2：分別監(jiān)控PV+對地電壓和PV-對地電壓。當檢測到PV+對地電壓小于保護值時，P-BOX正常工作；當檢測到PV-對地電壓變化時，可調節(jié)AC/DC模塊的輸出電壓，更好地達到防PID效應的效果。

表2 P-BOX的主要技術指標

5 結論

本文通過介紹PID效應產生的原因，對目前主流PID效應解決方案的優(yōu)、缺點進行了分析比較，并針對性地提出了適用于1500 V光伏系統(tǒng)的PID效應解決方案。該方案可用于抑制PID現(xiàn)象的產生，并可修復由于PID效應受損的光伏組件，從而解決1500 V光伏系統(tǒng)中由PID效應引起的組件功率衰減問題。

[1]曾雪華,張志根,蔣建平. PID效應及影響因素[J].太陽能，2013, (3)： 25 － 30.

[2]肖慧萍,曹家慶,周浪,等.針對PID的多晶硅太陽電池片減反射膜研究[J].江西化工, 2016, (6) ： 107－108.

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[4]上海正泰電源系統(tǒng)有限公司.一種預防光伏電池板PID效應的實現(xiàn)方法[P].中國專利： 103888052A, 2014-06-25.

[5]山東希格斯新能源有限責任公司.防PID效應逆變器裝置[P]. 中國專利 ：204167913U, 2015-02-18.

[6]上海正泰電源系統(tǒng)有限公司. 一種采用虛擬接地技術的光伏發(fā)電系統(tǒng)[P].中國專利：104242351A, 2014-12-24.

[7]陽光電源股份有限公司.光伏發(fā)電系統(tǒng)及應用于該系統(tǒng)的電壓補償裝置、變流器[P].中國專利： 103337874A, 2013-10-02.