光伏組件電勢誘導衰減效應的解決方法研究

徐 亮，繆冬青，喻 晶，朱 鴻，趙玉立，蔣志祥（中天寬帶技術有限公司，江蘇 南通 226400）

0 引 言

晶體硅光伏組件在戶外通過多組件串聯獲得高壓，該高壓偏置電壓使得玻璃、封裝材料之間存在漏電流，致使組件表面鈍化效果惡化，產生電勢誘導衰減（Potential Induced Degradation，PID）效應。PID效應使得光伏組件的功率急劇衰減，使電池組件的填充因子、開路電壓、短路電流減少，最終導致電站的輸出功率、發電量減少，收益下降[1]。

實踐證明，組件PID現象是可逆的，PID問題的防治更多地是從逆變器端進行，通過防PID模塊可以有效消除光伏PID現象[2]。

1 解決方案

常見的解決光伏組件的PID效應的方法有以下3 種[3]。

1.1 負極接地

負極接地系統主要包括一個可控開關、熔斷器以及接地裝置等，將逆變器負極通過熔絲加斷路器與地相連，使組件負極對地電勢差抬升至0 V。當逆變器正常運行時，開關處于閉合狀態，消除組件對地的負壓，有效抑制PID現象。當光伏組件的正極發生接地故障時，形成短路回路，熔斷器熔斷，從而起到保護作用。

負極接地除了只能預防PID效應外還存在以下弊端：PV-直接接地后，若發生組件正極接地故障則會造成電池板短路；逆變器負極接地后，PV+對PE存在高壓，若運維人員接觸到正極則會發生電擊危險[4]。

1.2 虛擬接地

集中式與組串式逆變器均可采用負極虛擬接地方案來抑制光伏組件PID效應。如圖1所示，防PID模塊通過數據采集，自動調整交流系統N線對地電壓，使所有PV電池板對地電位為正，達到抑制PID的功能。虛擬接地的工作原理分析如下文所述。

圖1 虛擬接地防PID效應示意圖

根據三相逆變電路的特性，圖2中各點之間的電壓關系為

圖2 三相逆變電路圖

對于三相平衡系統：

由式（1）和式（2）可以求得：

模擬中性點N'和負極之間的電壓：

從而可以得到負極和虛擬N點之間的電壓：

由式（5）可知，光伏組件負極PV-和虛擬N點之間的電壓差是一定的，因此只要調節模擬中性點N和地之間的電壓，便可以得到光伏負極和地之間的電壓。

最終可以得到光伏組件負極和地之間的電壓表達式：U-地=UN地-UN-。由該表達式可以知道通過電壓調整裝置調整N點和地之間的電壓，使，即可使U-地≥0，保證光伏組件負極對地電壓大于0，實現光伏組件PID效應預防與修復。

根據前面對“虛擬接地”的工作原理推導，采用虛擬接地方案時，防PID模塊通過采集器實時采集PV-BUS母線電壓，因此防PID模塊需要與數據采集器通信。基于通信方式進行采集控制，閉環時間較長，響應滯后，且方陣內多臺逆變器最大功率點跟蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT）跟蹤點在同一時間不一致且動態變化，難以保證所有組串負極對地電壓在任意時刻均大于0，最終導致PID修復與預防效果變差[5]。

1.3 加正向偏置電壓

加正向偏置電壓防PID模塊的工作原理如圖3所示，模塊通過內部電源從交流取電整流后在光伏陣列的負極和地之間進行正向加壓，由于白天光伏發電時的電流方向與正向電壓源的電流方向相反，因此該修復過程需在夜間逆變器停止工作后進行。在夜間，通過在負極和地之間正向加壓，可以將光伏組件在白天因為負極與地之間的負偏壓所積累下來的電荷釋放掉，修復因為PID效應導致效率衰減的光伏組件。

圖3 加正向偏置電壓防PID效應示意

1.4 方案對比

上述3種方案對比結果如表1所示。

表1 常見的3種防PID解決方案優缺點對比

2 測試結果

選取某實際電站中同一地點，各種條件基本相同的兩個光伏方陣，采用加正向偏置電壓的方式進行光伏組件PID修復，其中青海省1區采用的集中式逆變器不具備防PID功能，而青海省2區采用的集中式逆變器具備防PID功能。測試發現，安裝了PID模塊的集中式逆變器可以大幅度減少光伏組件因PID效應帶來的發電量損失。安裝與不安裝PID模塊的光伏組件發電量對比如表2所示。

表2 安裝與不安裝PID模塊的光伏組件發電量對比

3 結 論

在溫度高、濕度大的分布式屋頂、水面等應用場景，光伏組件容易發生PID效應，對光伏電站發電量影響巨大。

實際電站運行數據顯示，通過在逆變器中集成PID防護模塊，可以有效地避免組件發生PID現象，減少電站發電量損失。同時，PID模塊具有修復功能，可以對已發生PID問題的組件進行修復，使組件各項指標參數恢復正常。