光伏组件电势诱导衰减效应的解决方法研究

徐 亮，缪冬青，喻 晶，朱 鸿，赵玉立，蒋志祥（中天宽带技术有限公司，江苏 南通 226400）

0 引 言

晶体硅光伏组件在户外通过多组件串联获得高压，该高压偏置电压使得玻璃、封装材料之间存在漏电流，致使组件表面钝化效果恶化，产生电势诱导衰减（Potential Induced Degradation，PID）效应。PID效应使得光伏组件的功率急剧衰减，使电池组件的填充因子、开路电压、短路电流减少，最终导致电站的输出功率、发电量减少，收益下降[1]。

实践证明，组件PID现象是可逆的，PID问题的防治更多地是从逆变器端进行，通过防PID模块可以有效消除光伏PID现象[2]。

1 解决方案

常见的解决光伏组件的PID效应的方法有以下3 种[3]。

1.1 负极接地

负极接地系统主要包括一个可控开关、熔断器以及接地装置等，将逆变器负极通过熔丝加断路器与地相连，使组件负极对地电势差抬升至0 V。当逆变器正常运行时，开关处于闭合状态，消除组件对地的负压，有效抑制PID现象。当光伏组件的正极发生接地故障时，形成短路回路，熔断器熔断，从而起到保护作用。

负极接地除了只能预防PID效应外还存在以下弊端：PV-直接接地后，若发生组件正极接地故障则会造成电池板短路；逆变器负极接地后，PV+对PE存在高压，若运维人员接触到正极则会发生电击危险[4]。

1.2 虚拟接地

集中式与组串式逆变器均可采用负极虚拟接地方案来抑制光伏组件PID效应。如图1所示，防PID模块通过数据采集，自动调整交流系统N线对地电压，使所有PV电池板对地电位为正，达到抑制PID的功能。虚拟接地的工作原理分析如下文所述。

图1 虚拟接地防PID效应示意图

根据三相逆变电路的特性，图2中各点之间的电压关系为

图2 三相逆变电路图

对于三相平衡系统：

由式（1）和式（2）可以求得：

模拟中性点N'和负极之间的电压：

从而可以得到负极和虚拟N点之间的电压：

由式（5）可知，光伏组件负极PV-和虚拟N点之间的电压差是一定的，因此只要调节模拟中性点N和地之间的电压，便可以得到光伏负极和地之间的电压。

最终可以得到光伏组件负极和地之间的电压表达式：U-地=UN地-UN-。由该表达式可以知道通过电压调整装置调整N点和地之间的电压，使，即可使U-地≥0，保证光伏组件负极对地电压大于0，实现光伏组件PID效应预防与修复。

根据前面对“虚拟接地”的工作原理推导，采用虚拟接地方案时，防PID模块通过采集器实时采集PV-BUS母线电压，因此防PID模块需要与数据采集器通信。基于通信方式进行采集控制，闭环时间较长，响应滞后，且方阵内多台逆变器最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking，MPPT）跟踪点在同一时间不一致且动态变化，难以保证所有组串负极对地电压在任意时刻均大于0，最终导致PID修复与预防效果变差[5]。

1.3 加正向偏置电压

加正向偏置电压防PID模块的工作原理如图3所示，模块通过内部电源从交流取电整流后在光伏阵列的负极和地之间进行正向加压，由于白天光伏发电时的电流方向与正向电压源的电流方向相反，因此该修复过程需在夜间逆变器停止工作后进行。在夜间，通过在负极和地之间正向加压，可以将光伏组件在白天因为负极与地之间的负偏压所积累下来的电荷释放掉，修复因为PID效应导致效率衰减的光伏组件。

图3 加正向偏置电压防PID效应示意

1.4 方案对比

上述3种方案对比结果如表1所示。

表1 常见的3种防PID解决方案优缺点对比

2 测试结果

选取某实际电站中同一地点，各种条件基本相同的两个光伏方阵，采用加正向偏置电压的方式进行光伏组件PID修复，其中青海省1区采用的集中式逆变器不具备防PID功能，而青海省2区采用的集中式逆变器具备防PID功能。测试发现，安装了PID模块的集中式逆变器可以大幅度减少光伏组件因PID效应带来的发电量损失。安装与不安装PID模块的光伏组件发电量对比如表2所示。

表2 安装与不安装PID模块的光伏组件发电量对比

3 结 论

在温度高、湿度大的分布式屋顶、水面等应用场景，光伏组件容易发生PID效应，对光伏电站发电量影响巨大。

实际电站运行数据显示，通过在逆变器中集成PID防护模块，可以有效地避免组件发生PID现象，减少电站发电量损失。同时，PID模块具有修复功能，可以对已发生PID问题的组件进行修复，使组件各项指标参数恢复正常。