PID效应的成因和解决方案

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1、1.1 PID效应的发现和成因PID效应(Potential Induced Degradation )全称为电势 诱导衰减。PID直接危害就是大量电荷聚集在电池片表面， 使电池表面的钝化效， 从而导致电池片的填充因子、开路电压、短路电流降低，电池组件功率衰减。2005年Sun power公司就发现晶硅N型电池在组件中施加正 高压后存在PID现象。2008年，Ever green公司报道了 P型电池组件的PID 效应。但是目前还没有明确的证据能够证明一个工作了五年的光伏电站，组件的输出功率骤降就是因为PID效应引起的。不过近年光伏行业对电池组件的PID效应还是引起了足够的重视。德国测试企业TU

2、V发布了他们的建议标准：TC82标准化(82/685/ NP)温度、湿度、偏置电压、导体，上述参数测试的主要环境数据。目前光伏行业比较认可的认可的一种 PID效应成因是：随着光 伏系统大规模应用，系统电压越来愈高，电池组件往往20-22块串联才能达到逆 变器的MPPTC作电压。这就导致了很高的开路电压和工作电压.STC环境下300WP 的72片电池组件为例，20用电池组件的开路电压高达 860V,工作电压为720V. 由于防雷工程的需要，一般组件的铝合金边框都要求接地， 这样在电池片和铝框 之间就形成了接近1000V的直流高压。电池组件在封装的层压过程中，分为5层。从外到内为：玻璃、 EVA电

3、池片、EVA背板。由于EVAM料不可能做到100%勺绝缘，特别是在潮 湿环境下水气通过作为封边用途的硅胶或背板进入组件内部。EVA的酯键在遇到水后按下面的过程发生分解，产生可以自由移动的醋酸。醋酸和玻璃表面碱反应 后，产生了钠离子。钠离子在外加电场的作用下向电池片表面移动并富集到减反 层而导致PID现象的产生(图1-1为PID效应产生的原理图)。图1-1文献2中提到了一个化学现象。已经衰减的电池组件在100c左右的温度下烘干100小时以后，由PID引起的衰减现象消失了。从而得到 一个结论：某些引起PID衰减的过程是可逆的。当然在实际工程中，高温加热组 件的这种方式不现实，不可能大规模应用。德国

4、的 SAM-个专利技术是针对PID效应的“可逆性”发明的，那就是在晚间对组件和大地之间施加正电压。该方法需要一个叫PID BOX勺设备，使用时需要把PID BOX联在组件正负极上。夜 问，PID BOXJ组件的正负极进行短接，同时在电池组件与大地之间施加1000V 左右的直流正压，让白天迁移到电池片上的离子移出电池片，恢复电池片P/N节中的电子。如图1-2图1-21.2 PID效应的危害和测试方法1.2.1 PID效应的危害PID效应的危害使得电池组件的功率急剧衰减。使得电池组件的填充因子（FF）、开路电压、短路电流减少。减少太阳能电站的输出功率，减少 发电量。减少太阳能发电站的电站收益。图1

5、-3干占光能光伏能源图1-4天合光能光伏能源图1-5图1-3 所示由于PN结中的电子损失的越来越多，导电性能越来越差。导致电池组件的发电性能下降。最多能达到50%8至更高。图1-4所示 编号为ET-P660FLZW845723电池组件，生产厂商为中盛光电，项目地点为江苏泗洪的某渔光互补电站。（铺设在鱼塘上面）图1-5所示 编号为ET-P660FLZW797159电池组件，生产厂 商为中盛光电，项目地点为以色列的阿卡某屋顶电站。（地中海沿岸城市，高盐雾 高湿度）图1-6所示 编号为ET-P660FLZW79747盅池组件，生产厂商为中盛光电，项目地点为内蒙古鄂尔多斯市某大型地面电站。（正常环境）

6、图1-4、4-5 分别为组件退回厂家后，在 EL实验室使用EL 测试仪测试的红外图。图1-5为现场拆卸返厂后的EL测试的红外图。图中发亮 的电池片为有效片，发暗、全黑的电池片为无效片。由图可见，在潮湿、盐雾高 的地区PID衰减的现象特别严重，干燥的地区的情况完全正常。图1-6图1-71.2.2 EL测试原理电致发光，又称场致发光，英文名为 Electroluminescence , 简称EL。目前，电致发光成像技术已被绝大部分太阳能电池和组件厂家使用， 用于检测产品的潜在缺陷，控制产品质量。EL的测试原理如图1-7所示，晶硅太阳电池外加正向偏置电 压，电源向太阳电池注入非平衡载流子，电致发光依

7、靠从扩散区注入的大量非平 衡载流子不断地复合发光，放出光子；再利用CCDffi机捕捉到这些光子，通过计 算机进行处理后显示出来，整个的测试过程是在暗室中进行。EL图像的亮度正比于电池片的少子扩散长度与电流密度，有 缺陷的地方，少子扩散长度较低，所以显示出来的图像亮度较暗。通过 EL图像 的分析可以有效地发现电池组件中的电池片缺陷。1.3 PID效应的预防和恢复方案PID效应并非不可预防和恢复，目前国内外工程施工中为了预 防PID效应很多逆变器厂家都推出了自己的解决方案。比如集中式逆变器的负极接地解决方案；组用逆变器并联时的单点接地解决方案；以SM朋代表的PID夜间 补偿解决方案。1.3.1 集

8、中式逆变器负极接地负极接地方案，被多家逆变器供应厂商应用后证明是一个解决 PID衰减的有效方案。特别是国内使用 500KW逆变器的大型地面电站。负极接地 有非常重要的使用意义.目前国内500kW大功率集中型逆变器均采用非隔电路结构， 通过隔离升压变压器并网.为了满足IEC62109, UL1741等国际主流逆变器规范 的需求。在负极接地的同时应该做几点改造：(I)增加GFDI (直流对地故障检测)由于整个系统负极接地，如果绝缘出现故障，正极就会对地放 电，由于是1000V的高压对地放电的故障是非常危险的，所以逆变器应采用具有 GFDI装置的内部接地设计，如果发生PV+寸地故障，可以将GFDI保

9、险丝熔 断或者使短路开关跳脱。依据UL1741标准大于250kW的太阳能系统最大对地 故障电流为5A,在GFDI线路中使用5A的熔断器或者断路器。系统正常工作时，熔断器或者断路器两端的电压为零.如果发生故障熔断器或断路器的端电压 变为光伏直流侧系统电压。电压瞬变产生了 I/O信号，逆变器产生了报警信号 逆变器停止运行.接地故障的电池组件整列被切除.（图1-8所示）。流程如下：检测到接地故障信号断开故障电流断开接地故障的电池组件发出故障警示停机正端接地故障ri流断路盥PV电源存电管PY面板图1-8接地导线按地故障漏电流I*c习匕匚 断路开关 匚GFDI根脸罐或（II）增加ISO（绝缘检测）功能：

10、依据IEC62109,非隔离型并网逆变器需要在开机前进行组件的绝缘阻抗检测，市场主流的500K逆变器一般都会采用Bender ISO侦测器. 在绝缘检测前，逆变器断开电池组件接地的熔断器或断路器， 检测完成后再闭合 接地的熔断器或断路器。（III）防雷改造当负极接地后，输出交流防雷器耐压值由原来的交流300V上升为直流侧系统电压（500V-1000V左右）需要更换交流侧防雷。对于 SPD原来 正极接地，正极对地防雷由A和C串联组成，负极对地防雷由B和C串联组成， 正极对负极的防雷由A和B串联组成。将负极接地后（图1-9所示）正极对地防雷 由A和B/C串联组成，防雷结构发生了变化，直流侧SP电需

11、要进行合适的选型。图1-91.3.2 组用式逆变器并联后负极接地在分布式系统中,使用组用式逆变器，PID现象的发生同样不 可避免.负极接地同样是一种行之有效的预防措施，由于组用逆变器系统和集中式逆变器系统的差异，需要另一种接地方。国外的一些逆变器厂家提出了一种虚 拟接地的方式。如图1-10PV1 + m PV2 + m 燃型蛔图 1-10a）光伏逆变器1#的负极接地；b）逆变器1#的输出端与逆变器2#的输出端并联后与一个隔离变压器（双绕组）的输入端相连；c）隔离变压器的输出端接入电网。d） 1#内部中点N1对负极电压PV1-的电压为1/2Vb1,即VN1=1/2Vb1+ VPV1-e） 2#内

12、部中点N2对其负极电压 PV2-的电压为1/2Vb2,即VN2=1/2Vb2+VPV2-f） 三相平衡系统中，有VN=VN1=VN2 （VN为变压器系统中性点点位）g） 因 VN=VN1=VN2可得 VPV2-=1/2Vb1+ VPV1- 1/2Vb2h） 1# 2#接入的电池组件数量相等，可得 VbhVb2i） PV1-接地，所以 VPV1-=0因此 PV2-=1/2Vb11/2Vb2 也约等于 0j） 1#2#并联系统中，光伏逆变器1#负极接地，电位为零。则光伏逆变器 2#的 负极也约等于零。上述2台逆变器接地的推导过程，同理可以得出：N个组用式并联的逆变系统中如果输出侧同接一个双绕组变压

13、器，那么这个系统只要将其中一台逆变器的负极接地，整个系统中所有并联的逆变器负极电位也为基本零，这样的接地系统被称为虚拟接地系统。由于组用式逆变器本身都有漏电流保护功能，在“单点虚拟接地”系统中，只要1台逆变器直流输入负极单点接地，其他组用式逆变器漏电 流保护功能仍然能够正常工作，同时组用逆变器的功率不是特别大，漏电流很小。 假设正极对大地放电，组用逆逆变的漏电流不会很大 ，也就不会出现不可控的后1.3.3PID恢复方案使用负极接地方法可以阻止PID的继续发生.但是该方法对逆变器有特殊要求.而且该方法只能针对新建设的光伏电站。对于已经发生PID现象的光伏电站，该方法只能阻止 PID深化，不能对组

14、件功率进行恢复。目前很多厂家都开发出了自己的 PID效应恢复设备，比如SMA就推出了 PVO BOX（下称PVOB恢复产品。笔者所在公司已使用过该产品，恢 复效果良好。PVOB勺原理非常简单：由于各种因素导致了电池片中PN结的导电离子大量损失，从而导致电池组件的发电能力大幅度下降。PVO改备在夜间对组件和大地之间施加正电压（1000V）让白天从PN结中流失的导电离子回到 PN 结中，从而恢复电池组件的发电能力。1.3.3.1 系统整体框图PVOBJ备系统才成如图1-11所示，它由3部分组成，分别为 控制部分、电源部分和接口部分.这些部分又分别有CPU空制单元、电源模块（包 括交直流转换模块和直

15、流400V-1000V电源转换模块）、信息存储模块、模式选 择模块、信号检测模块、告警模块、通信模块和输入输出接口等模块组成。其核 心器件是CPU空制单元和电源模块，其它各模块辅助PVOM1块实现其既定功能。其工作原理：CPU空制单元通过对PV卡PV-、LN FE等信号 的采集及对模式选择模块信号的分析， 进行状态和模式判断，以确定系统控制操 作的项目类型；CPU空制单元同时可以控制400V-1000V电压源模块的输出，以 完成设备的核心偏压供电功能。下面分别说明各部分的功能及硬件实现原理。控制部分AHHV信号检CPU控制单元参数和信息 存储模块控制模式选 择模块测模块电源部分 -接口部分状态指示告警处理模块图 1-111.3.3.2 控制部分控制部分是PVOB勺核心控制单元，它通过 CPU空制单元对输 入信号PV* PV-、LN FE等进行采集，并进行数据分析，已确认 PV偏压的输出 模式、开始时间、电压大小和结束时间等，并根据各种信息进行运行状态和告警 判断，并输出相应的状态信息。其硬件控制框图如图1-12。PV LN,. A信号输