如何從逆變器側(cè)防治PID效應(yīng)

PID效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)和成因

PID效應(yīng)（Potential Induced Degradation）全稱為電勢誘導(dǎo)衰減。PID直接危害就是大量電荷聚集在電池片表面，使電池表面鈍化效果惡化，從而導(dǎo)致電池片的填充因子、開路電壓、短路電流降低，電池組件功率衰減。

2005年Sun power公司就發(fā)現(xiàn)晶硅N型電池在組件中施加正高壓后存在PID現(xiàn)象。2008年，Ever green公司報道了P型電池組件的PID效應(yīng)。但是目前還沒有明確的證據(jù)能夠證明一個工作了五年的光伏電站，組件的輸出功率驟降就是因?yàn)镻ID效應(yīng)引起的。不過近年光伏行業(yè)對電池組件的PID效應(yīng)還是引起了足夠的重視。德國測試企業(yè)TUV發(fā)布了他們的建議標(biāo)準(zhǔn)： TC82標(biāo)準(zhǔn)化（82/685 / NP） 溫度、濕度、偏置電壓、導(dǎo)體，上述參數(shù)測試的主要環(huán)境數(shù)據(jù)。

目前光伏行業(yè)比較認(rèn)可的一種PID效應(yīng)成因是：隨著光伏系統(tǒng)大規(guī)模應(yīng)用，系統(tǒng)電壓越來愈高，電池組件往往20-22塊串聯(lián)才能達(dá)到逆變器的MPPT工作電壓。這就導(dǎo)致了很高的開路電壓和工作電壓。以STC環(huán)境下300WP的72片電池組件為例，20串電池組件的開路電壓高達(dá)860V，工作電壓為720V.由于防雷工程的需要，一般組件的鋁合金邊框都要求接地，這樣在電池片和鋁框之間就形成了接近1000V的直流高壓。

電池組件在封裝的層壓過程中，分為5層。從外到內(nèi)為：玻璃、EVA、電池片、EVA、背板。由于EVA材料不可能做到100%的絕緣，特別是在潮濕環(huán)境下水氣通過作為封邊用途的硅膠或背板進(jìn)入組件內(nèi)部。EVA的酯鍵在遇到水后按下面的過程發(fā)生分解，產(chǎn)生可以自由移動的醋酸。醋酸和玻璃表面堿反應(yīng)后，產(chǎn)生了鈉離子。鈉離子在外加電場的作用下向電池片表面移動并富集到減反層而導(dǎo)致PID現(xiàn)象的產(chǎn)生（圖1-1為PID效應(yīng)產(chǎn)生的原理圖）。

已經(jīng)衰減的電池組件在100℃左右的溫度下烘干100小時以后，由PID引起的衰減現(xiàn)象消失了。從而得到一個結(jié)論：某些引起PID衰減的過程是可逆的。當(dāng)然在實(shí)際工程中，高溫加熱組件的這種方式不現(xiàn)實(shí)，不可能大規(guī)模應(yīng)用。德國的SAM一個專利技術(shù)是針對PID效應(yīng)的“可逆性”發(fā)明的，那就是在晚間對組件和大地之間施加正電壓。該方法需要一個叫PID BOX的設(shè)備，使用時需要把PID BOX并聯(lián)在組件正負(fù)極上。夜間，PID BOX將組件的正負(fù)極進(jìn)行短接，同時在電池組件與大地之間施加1000V左右的直流正壓，讓白天遷移到電池片上的離子移出電池片，恢復(fù)電池片PN結(jié)中的電子。如圖1-2

PID效應(yīng)的危害

PID效應(yīng)的危害使得電池組件的功率急劇衰減。使得電池組件的填充因子（FF）、開路電壓、短路電流減少。減少太陽能電站的輸出功率，減少發(fā)電量。減少太陽能發(fā)電站的電站收益。

圖1-3 所示由于PN結(jié)中的電子損失的越來越多，導(dǎo)電性能越來越差。導(dǎo)致電池組件的發(fā)電性能下降。最多能達(dá)到50%甚至更高。

圖1-4所示 編號為ET-P660FLZW845723 電池組件，項(xiàng)目地點(diǎn)為江蘇泗洪的某漁光互補(bǔ)電站。（鋪設(shè)在魚塘上面）

圖1-5所示 編號為ET-P660FLZW797159 電池組件，項(xiàng)目地點(diǎn)為以色列的阿卡某屋頂電站。（地中海沿岸城市，高鹽霧高濕度）

圖1-6所示 編號為ET-P660FLZW797470電池組件，項(xiàng)目地點(diǎn)為內(nèi)蒙古鄂爾多斯市某大型地面電站。（正常環(huán)境）

圖1-4、1-5 分別為組件退回廠家后，在EL實(shí)驗(yàn)室使用EL測試儀測試的紅外圖。圖1-5為現(xiàn)場拆卸返廠后的EL測試的紅外圖。圖中發(fā)亮的電池片為有效片，發(fā)暗、全黑的電池片為無效片。由圖可見，在潮濕、鹽霧高的地區(qū)PID衰減的現(xiàn)象特別嚴(yán)重，在干燥地區(qū)的情況則完全正常。

PID效應(yīng)的防治

為了抑制PID效應(yīng)，組件廠家從材料、結(jié)構(gòu)等方面做了大量的工作并取得了一定的進(jìn)展;如可采用抗PID材料、防PID電池和封裝技術(shù)等。采用非乙烯—醋酸乙烯共聚物的封裝材料、采用無邊框組件或雙玻組件等，都可以在一定程度上減少PID效應(yīng)。

實(shí)踐中， PID問題的防治更多的是從逆變器端進(jìn)行。從逆變器角度可采用以下三種方案：

方案1：負(fù)極直接接地方案

將光伏組件或逆變器的負(fù)極通過電阻或保險絲直接接地，使電池板負(fù)極對大地的電壓與接地金屬邊框保持在等電位，消除負(fù)偏壓，該方案多用于集中式逆變器，如圖2所示。

圖2 負(fù)極直接接地方案

方案2：負(fù)極虛擬接地方案

圖3 逆變電路原理圖

圖3中各點(diǎn)電壓關(guān)系如下：其中

（三相平衡系統(tǒng)）

據(jù)此可得交流中性點(diǎn)N電位UN比直流側(cè)負(fù)極電壓U-高2Ud/3，如圖4（a）所示。利用模擬中性點(diǎn)裝置和電壓調(diào)整裝置，等效將UN抬升，使得U-大于0，消除負(fù)偏壓，達(dá)到負(fù)極虛擬接地的目的，如圖4（b）所示。

圖4 負(fù)極虛擬接地方案

集中式與組串式逆變器均可采用負(fù)極虛擬接地方案來抑制組件PID。由于集中式與組串式逆變器的組網(wǎng)形式不同，使得兩種類型逆變器的負(fù)極虛擬接地方案在防PID裝置交流接入點(diǎn)、安裝位置、獲取負(fù)極對地電壓方式等方面有區(qū)別，如圖5所示。

圖5 集中式與組串式的負(fù)極虛擬接地方案系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對比

方案3：夜間反PID修復(fù)

利用組件PID的可逆性原理，在夜間逆變器停止工作時段內(nèi)，利用單獨(dú)的直流源對電池板施加反向電壓，修復(fù)白天發(fā)生PID現(xiàn)象的電池板，如圖5所示。該方案需每臺逆變器增加一臺直流源，成本較高，且僅在逆變器不工作時，對電池板進(jìn)行修復(fù)，屬于“事后治療”的被動方案。

圖6夜間對電池板修復(fù)的反PID方案

PID防治案例

案例1：逆變器有無PID模塊電站發(fā)電量差異對比

選取某實(shí)際電站中同一地點(diǎn)，各種條件基本相同的兩個光伏方陣，其中9-1區(qū)采用的集中式逆變器不具備防PID功能，而9-2區(qū)采用的陽光電源集中式逆變器具備防PID功能。測試發(fā)現(xiàn)：安裝了PID模塊的集中式逆變器可以有效地防止組件PID衰減，大幅度降低發(fā)電量損失，如表3所示。

表3 具備防PID功能的集中式逆變器可大幅度減少了因組件PID帶來的發(fā)電量損失

案例2：PID夜間修復(fù)案例

深圳某5.5MW光伏電站項(xiàng)目，在電站建設(shè)前期未考慮組件PID影響，發(fā)生PID后，通過現(xiàn)場安裝PID模塊后，經(jīng)過6個夜間（42小時）修復(fù)后組件各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)恢復(fù)正常，有效地避免發(fā)電量損失，如表4所示。

表4 已出現(xiàn)PID的組件經(jīng)PID模塊修復(fù)后的實(shí)際效果

小結(jié)

在溫度高、濕度大的東部分布式屋頂、水面等應(yīng)用場景，光伏組件容易發(fā)生PID效應(yīng)，會對光伏電站發(fā)電量影響巨大。

實(shí)際電站運(yùn)行數(shù)據(jù)顯示，通過在逆變器中集成PID防護(hù)模塊，可以有效的避免組件發(fā)生PID現(xiàn)象，減少電站發(fā)電量損失。同時，PID模塊具有修復(fù)功能，可以對已發(fā)生PID問題的組件進(jìn)行修復(fù)，使組件各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)恢復(fù)正常。