光伏電站PID解決方法的創(chuàng)新研究

江蘇輝倫太陽能科技有限公司 ■ 洪洋 姜衛(wèi) 楊建城 王麗芹

0 引言

隨著全球傳統(tǒng)能源的枯竭和新能源的日益壯大，晶體硅光伏組件的應(yīng)用場景不斷擴大，行業(yè)內(nèi)也在追求將更優(yōu)的產(chǎn)品推向市場，以迎合大眾的需求。然而，應(yīng)用范圍的不斷擴大也使晶體硅光伏組件出現(xiàn)了批量性的問題，如蚯蚓紋、PID現(xiàn)象等。

2005年，美國SunPower公司首次發(fā)現(xiàn)并提出PID效應(yīng)，自此，光伏行業(yè)開始關(guān)注PID的研究和討論；PID效應(yīng)可能是導(dǎo)致組件嚴重退化的主要原因，其引起的組件功率衰減甚至超過50%，但卻無法從組件外觀上進行檢查和判斷。在過去的幾十年里，許多光伏電站在運營三四年后，組件出現(xiàn)了大幅度的衰減，造成了嚴重損失。面對這樣的組件問題，越來越多的組件買家和用戶明確要求把防PID寫入合同，并在制造或安裝時隨機抽檢。

不斷變化的市場需要更可靠、更優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品，因此，解決組件的PID現(xiàn)象是本文的主要研究方向。

1 PID效應(yīng)

PID (Potential Induced Degradation) 效應(yīng)又稱電勢誘導(dǎo)衰減，是指在高壓情況下由于泄露電流而導(dǎo)致的光伏組件功率損失。組件長期處于高電壓作用下，玻璃與封裝之間易產(chǎn)生漏電流，大量電荷聚集在電池片表面，使太陽電池的鈍化效果變差，少數(shù)載流子在電池片表面的復(fù)合嚴重，導(dǎo)致其開路電壓、短路電流和填充因子都下降，輸出功率明顯下降，衰減最大時可超過50%[1]。

圖1為組件實際發(fā)生PID現(xiàn)象時的EL照片。

圖1 發(fā)生PID現(xiàn)象的組件EL圖片

PID現(xiàn)象產(chǎn)生的原因目前仍未有定論，根據(jù)組件供應(yīng)商和研究機構(gòu)的數(shù)據(jù)來看，PID現(xiàn)象對組件功率的影響程度與電池、玻璃、膠膜、溫度、濕度和系統(tǒng)電壓等因素有關(guān)。圖2為組串中不同位置和不同接地方式的組件對地電壓圖[1]。

圖2 組串中不同位置的組件對地電壓

由圖2可知，若光伏陣列中間一塊組件和逆變器負極輸出端之間的所有組件處于負偏壓下，則越靠近負輸出端的組件對地負偏壓越大，漏電越嚴重，PID效應(yīng)越明顯。

2 PID現(xiàn)象的不同解決方案

針對PID效應(yīng)的影響因素，行業(yè)內(nèi)主要在電池源頭、組件制造和系統(tǒng)優(yōu)化等3個方面采取不同的方案來預(yù)防PID現(xiàn)象。

2.1 電池源頭

選用高電阻率的硅片，采用鈍化工藝可形成更高的勢壘，能有效減弱PID效應(yīng)對光生少子復(fù)合的影響[2]。對于p型太陽電池，可優(yōu)化背板的制備工藝，增加鋁的摻雜濃度和深度[1]。

2.2 組件制造

優(yōu)化組件設(shè)計，例如，增加電池片到邊框的距離；或選用高體阻率的封裝材料和非鈉鈣玻璃的特殊玻璃；同時，提高不同封裝材料之間的匹配性[1]。

2.3 系統(tǒng)優(yōu)化

選用合理的接地方式，將逆變器負極通過熔絲加斷路器與地相連，這樣使組件負極對地電勢差抬升至0 V左右，組件對地一直處于正偏壓，可避免PID效應(yīng)，系統(tǒng)負極接地的原理圖如圖3所示[1]。此方案比較適合應(yīng)用于規(guī)模較小的系統(tǒng)或大容量的帶隔離變壓器的集中式系統(tǒng)[1]。

圖3 系統(tǒng)負極接地原理圖

3 光伏電站PID創(chuàng)新解決方法

PID現(xiàn)象屬于可逆現(xiàn)象，根據(jù)PID效應(yīng)可逆原理，市面上也相繼涌現(xiàn)了不少PID恢復(fù)裝置。針對已出現(xiàn)PID現(xiàn)象的電站，主要是在光伏組件的負極和地之間施加一個高電壓，在夜間逆變器不工作時，將光伏組件在白天因負極與地之間的負偏壓所積累下來的電荷釋放掉，使組件持續(xù)工作，修復(fù)因PID效應(yīng)導(dǎo)致功率衰減的光伏組件[1]。

針對目前無法安裝PID恢復(fù)設(shè)備或安裝后效果不明顯的電站，可以考慮采用本文的方法進行恢復(fù)和預(yù)防，解決PID問題。

本文提到的解決方法的創(chuàng)新點在于，將PID的預(yù)防工作和恢復(fù)工作合二為一：首先，抬高極性電壓，預(yù)防PID現(xiàn)象的繼續(xù)發(fā)生；其次，進行組串極性對調(diào)，使PID現(xiàn)象能夠快速恢復(fù)。

3.1 方案原理

3.1.1 預(yù)防PID發(fā)生的原理

由于PID現(xiàn)象產(chǎn)生的根本原因是組件邊框與內(nèi)部存在負偏壓，因此，解決了負偏壓的問題就從根本上解決了PID現(xiàn)象的產(chǎn)生。

本實驗方案是將組件正極端的電壓抬高，保證負極端的對地電壓大于0 V。電路原理圖如圖4所示，其中，R1和R2分別為系統(tǒng)正、負極端對地等效電阻。

圖4 技術(shù)改造方案原理圖

將外接電源、保險熔絲和防反二極管串聯(lián)在逆變器正極與地之間。其中，外接電源主要是用于抬高組串電壓；保險熔絲主要是防止正極端意外接地產(chǎn)生大電流，從而保證電氣安全；防反二極管是為了防止UMPPT＞US而產(chǎn)生的電流倒灌現(xiàn)象。

根據(jù)該電氣連接原理，正極端和負極端的電壓分別為：

式中，UH為逆變器正極端電壓 ；US為外接電源電壓。

式中，UL為逆變器負極端電壓；UMPPT為最大功率點電壓。

只要保證US＞UMPPT，則負極端的對地電壓始終大于0 V，從根本上消滅了PID效應(yīng)的產(chǎn)生。

技術(shù)改造完成后，整個組串中各組件的對地電壓如圖5所示。由圖5可知，該方法提高了負極端的對地電壓，使之大于0 V，組件邊框與內(nèi)部不存在負偏壓現(xiàn)象。

圖5 技術(shù)改造后組串中不同位置的組件對地電壓

3.1.2 PID恢復(fù)的原理

根據(jù)PID效應(yīng)可逆的實驗來看，環(huán)境條件(高溫度、高濕度)和高電壓等因素可實現(xiàn)PID效應(yīng)快速恢復(fù)。

由于電站實際環(huán)境條件不易于控制，因此，筆者主要考慮高電壓因素，即提高PID反偏電壓的因素。

將逆變器的組串正負極對調(diào)，對調(diào)后負極端的組件對地電壓變更為正極端對地電壓，組串的對地電壓變化如圖6所示。

圖6 組串正負極對調(diào)后的對地電壓變換圖

由圖6可知，“PID預(yù)防”方案中，第1塊組件的電壓較低，對調(diào)后，“PID預(yù)防&恢復(fù)”方案中，第1塊組件的電壓最高；同理，第22塊組件的電壓由最高降為最低。

根據(jù)實驗?zāi)M可知，對已發(fā)生PID效應(yīng)的組件在高溫條件下施加正向偏置電壓72 h后，PID現(xiàn)象基本消失[4]。因此，將存在PID效應(yīng)的組件邊框與負極端的電壓差抬高，可幫助該組件快速恢復(fù)因PID導(dǎo)致的功率衰減。

4 光伏電站PID恢復(fù)方案驗證

4.1 實驗?zāi)M

根據(jù)上文提到的PID恢復(fù)方案的原理，筆者的團隊搭建了100 kW小型電站，由22塊250 W的光伏組件串聯(lián)成正偏電源，并確定了系統(tǒng)負極端對地電壓為140 V。

實驗主要是以組件功率的提升率作為方案實施效果的評價指標。各實驗樣品的出廠功率均為250 W，在經(jīng)過了一段時間的使用后，對樣品實施PID恢復(fù)方案，并跟蹤不同階段的組件。具體功率恢復(fù)效果如表1所示。

表1 樣品功率恢復(fù)數(shù)據(jù)

根據(jù)表1的功率恢復(fù)數(shù)據(jù)可以看出，僅用60天的時間，組件功率最大可提升43.68%；平均提升30.19%。

以上戶外實驗研究結(jié)果初步表明，該實驗方法有效。下一步將采取電站實際驗證，從功率和發(fā)電量的提升效果進行進一步確認。

4.2 戶外電站實際效果

為了更直觀地體現(xiàn)該PID解決方案對光伏PID效應(yīng)的修復(fù)作用，筆者選取某電站進行功率和發(fā)電量的對比分析。

某山地電站建于2013年，地處亞熱帶與暖溫帶過渡區(qū)域，屬季風性濕潤氣候，氣候溫和。2016年對該電站所使用的組件(銘牌功率為245 W)進行抽樣檢測時發(fā)現(xiàn)，該電站的組件出現(xiàn)了嚴重的PID現(xiàn)象，詳細的抽樣數(shù)據(jù)如表2所示。抽樣檢查的同時發(fā)現(xiàn)該電站使用的早期逆變器無法實現(xiàn)負極接地。

表2 電站組件抽樣測試數(shù)據(jù)

針對該現(xiàn)象，筆者的團隊對該電站實施了PID恢復(fù)和PID預(yù)防等兩個方面的技術(shù)改造，技術(shù)改造的結(jié)果將從組件的功率恢復(fù)和逆變器發(fā)電量比提升兩個角度進行評估。

4.2.1 組件功率恢復(fù)效果

以實施技術(shù)改造的一個組串作為跟蹤對象，測試其改造前后各組件的功率[3]，表3為正負端組件平均功率的變化。

表3 樣品功率恢復(fù)數(shù)據(jù)

從表3的數(shù)據(jù)來看，改造前后，正極端的組件功率變化不大，負極端的組件由改造前的177.1 W提升為233.3 W，組件功率平均提升46.2 W，提升26.09%，組件功率提升效果明顯。4.2.2電站發(fā)電量提升

眾所周知，光伏的發(fā)電量與光照強度有著密不可分的關(guān)系，筆者采取橫向?qū)Ρ鹊姆椒?，在同等光照強度、同等容量的情況下[4]，以未進行技術(shù)改造且組件正常的1臺逆變器的發(fā)電量作為基準，以實施技術(shù)改造的1臺逆變器的發(fā)電量作為跟蹤對象，跟蹤其發(fā)電量的提升效果。發(fā)電量的對比圖如圖7所示。

由圖7可知，在技術(shù)改造前，逆變器的發(fā)電量比為94.58%，改造2個月后，其發(fā)電量比提升為98.04%，總體提升了3.46%。

圖7 發(fā)電量比提升圖

4.3 小結(jié)

根據(jù)上文所述的技術(shù)改造結(jié)果來看，該技術(shù)方法遏制了PID現(xiàn)象的再出現(xiàn)，組件平均功率提升26.09%，發(fā)電量比提升3.46%，PID預(yù)防與恢復(fù)效果良好。這些數(shù)據(jù)說明本技術(shù)改造方案效果明顯。

5 總結(jié)與討論

通過上述組件功率提升和發(fā)電量增益的數(shù)據(jù)可知，該PID創(chuàng)新解決方法對光伏組件PID效應(yīng)有明顯作用，方案實施后，該技術(shù)方法有效地遏制了PID現(xiàn)象的再出現(xiàn)，問題組件功率平均提升26.09%，發(fā)電量比提升3.46%，在一定程度上改善了電站發(fā)電量，保證了電站收益。另外，本解決方法易于操作，便于安裝， (轉(zhuǎn)第77頁)且實施成本較小，很適合對運營中的光伏電站進行技術(shù)改造，提升光伏電站發(fā)電量和效率，保證投資者的收益。