解决光伏电站组件的抗潜在电势诱导衰减效应的方法

龚铁裕，相海涛，黎 文

（晶澳太阳能投资（中国）有限公司，上海 200436）

0 引言

近十多年来，光伏并网发电得到了长足的发展，光伏并网发电形式的应用也越来越广泛，但部分光伏电站在运行3～4年甚至更短时间后会出现发电量明显下降的现象，尤以高温潮湿地区更为明显。

通过对光伏发电长期的衰减机理理论研究和实验验证，业内将该现象定义为潜在电势诱导衰减（PID）效应。PID效应会引起光伏组件功率衰减，导致光伏电站发电量大幅下降，造成极大经济损失，因此消除电站组件的PID效应对光伏产业来说意义重大。

1 PID效应产生机理

PID效应是美国著名光伏制造商SunPower在2005年发现的，光伏组件长时间在高电压作用下使得玻璃、封装材料和边框之间存在漏电流，如图1所示。

图1 光伏组件内部PID成因示意图

大量电荷聚集在电池片表面，使得电池表面的钝化效果恶化，导致光伏组件的填充因子FF、开路电压Uoc、最大功率Pmax显著降低，使组件性能远低于设计标准。

尽管当前业界对引起PID效应的原因还没有明确的共识，但各光伏组件厂商和研究机构的大量实验数据表明，环境温度、湿度、组件方阵系统电压的高低、接地方式以及组件材料工艺的选择都是影响PID效应的关键因素。文献［1］提出，采取抗PID材料和改进工艺的方法可以抑制PID效应，比如采用石英玻璃代替普通玻璃，来避免钠离子的析出；使用低醋酸乙烯含量的乙烯－醋酸乙烯共聚物（EVA）、选取含Si多的减反层和选择新型的背板和硅胶来降低水汽进入组件的程度等。除了采用抗PID材料和工艺来降低PID出现的风险外，从光伏电站系统的设计上采用电池阵列负极接地的方式，来去除组件承受的边框－电极间的电压这一诱因，也可很好地避免PID现象的出现［2］。

2 PID效应解决方案

采用抗PID材料和工艺只能降低组件出现PID现象的风险，而采用组件负极接地这种形式也具有一定的局限性。首先并网逆变器直流输入端必须具备负极接地功能，其次如果系统采用非隔离的并网逆变器，组件阵列和电网间没有电气隔离，逆变器工作时系统会出现漏电流的危险，触发漏电保护，另外组件负极接地，也增加了直流侧漏电的可能，必须增加额外的漏电检测以及保护装置。

已建成的光伏电站如果出现了PID现象，一般需要更换功率衰减严重的组件，并采用电池阵列负极接地措施来去除偏置电压这个诱因。这两个措施都需要对系统进行大范围的改造，如采用耐压更高的直流配电线缆、增加漏电保护装置甚至要更换并网逆变器，这需要极大的改造成本。

实验研究证明，如对组件电极和边框之间施加一定的恢复电压，在经过一段时间后出现PID现象的组件性能可以得到恢复［3－5］。根据这个研究成果，对已建成的集中式光伏电站开发了一种PID修复和抑制设备。该设备根据电离可逆原理，夜间通过在组串电极和边框之间施加直流电压来修复电离的方法，在不影响系统发电的前提下，达到修复组件PID的目的。

3 抗PID设备开发

抗PID设备具有如下特点：一是采用长寿命的精准时钟开关，设定设备夜间工作的时段；二是内置1000V／500A的接触器，最大可为200kW的光伏阵列进行修复并抑制再次衰减，设备工作时断开电池阵列与逆变器的连接，设备输出的恢复电压不会影响并网逆变器安全；三是具备诊断功能，根据组串各项性能参数自主决定是否施加恢复电压，把对组件绝缘可能产生的影响减少到最小。

3.1 技术指标

抗PID设备的技术指标如表1所示。

表1 抗PID设备技术指标

3.2 拓扑结构

抗PID设备的拓扑结构如图2所示，整个设备由功率电路部分和控制检测电路部分组成。

图2 抗PID设备拓扑结构图

1）功率电路主要由AC－DC、DC－DC两部分组成。前级采用由市电供电的电源模块，输出24V直流电压给后级推挽正激电路和接触器线圈控制供电，后级采用SG 3525控制的推挽正激电路经全桥整流后，输出600～900V可调电压施加于组件的电极和边框之间。

2）检测控制电路，主要实现对系统的逻辑控制，为系统提供软件保护和通信显示等功能。其中，逻辑控制部分关系到抗PID设备和逆变设备的安全可靠运行，是整个设备的关键。系统控制逻辑流程图如图3所示。

4 实验结果

选取8块发生PID衰减的250W组件使用抗PID设备进行修复，组件恢复前后测试数据平均值如表2所示。

图3 系统控制逻辑流程图

表2 组件恢复前后测试数据平均值

由表2可知，修复后组件平均的最大功率Pmp、最大功率点电压Ump和电流Imp均有所提升，平均串联阻抗Rsr降低，平均填充因子FF变大。组件平均功率提高了约25.8%，组件性能恢复明显。

修复前后组件电致发光（EL）检测图像如图4所示。经过修复后，组件PID衰减后再恢复效果明显，证明了方案的可行性。

图4 修复前后组件EL图像

5 结论

1）本文从并网光伏电站的电气和环境诱因等方面分析了引起功率衰减的原因，在此基础上研究分析了组件PID衰减的再恢复效应和方法。

2）针对集中式光伏电站的PID修复和抑制提出了一种施加偏置电压的解决方案，实验结果证明了方案的可行性。

［1］曹培亮.浅谈晶体硅太阳电池组件PID效应［J］.科技风，2013（14）：15.

［2］姚明，郭积晶.基于电池组件PID效应的光伏逆变器设计［J］.大功率变流技术，2014（03）：49－51＋59.

［3］Lausch D，Naumann V，Breitenstein O，et al.Potential－Induced Degradation（PID）：Introduction of a Novel Test Approach and Explanation of Increased Depletion Region Recombination［J］.2014.

［4］H Nagel，A Metz，and K Wangemann.Crystalline Si solar cells and modules featuring excellent stability against potential－induced degradation［C］.In Proc.26th Eur.Photovoltaic Sol.Energy Conf.Exhib.，Hamburg，Germany，2011，3107－3112.

［5］M.Schutze，M.Junghanel，O.Friedrichs，et al.Investigations of potential induced degradation of silicon photovoltaic modules［C］.Presented at the 26th Eur.Photovoltaic Solar Energy Conf.Exhib.，Hamburg，Germany，2011.