1500V光伏系统PID效应解决方案探讨

协鑫集团设计研究总院 ■ 谢磊 万宏 潘高枫

0 引言

随着国内光伏电站的大规模发展，在光伏电站运行期间光伏组件会出现较为明显的电势诱导衰减(Potential Induced Degradation，PID)，也称为PID效应。特别是在渔光互补或沿海地区等空气湿度大、盐雾情况较为严重的情况下，PID效应直接导致光伏电站发电量的下降，影响了光伏电站的发电收益，而这势必会影响到光伏发电在这些地区的推广应用。尤其在近两年，1500 V光伏系统由于综合造价更低而受到青睐，开始越来越多地应用于国内光伏电站的建设，但由于其直流侧电压比1000 V光伏系统更高，使光伏组件PID效应的问题更加突出。本文简要阐述了光伏组件PID效应产生的原因，介绍了国内主流逆变器厂商的PID效应解决方案，并对各类方案的优缺点进行了详细地分析，最终提出了一种适合1500 V光伏系统的PID效应解决方案。

1 光伏组件PID效应

光伏组件PID效应是由于组件长期在高压作用下使得玻璃、封装材料之间存在漏电流，大量的电荷聚集在电池表面，使电池表面钝化效果恶化，最终导致组件性能衰减的现象[1]。相关研究和数据表明，PID效应对光伏组件的输出功率有很大影响，PID效应不明显时，组件的功率衰减可达15%～20%，严重时甚至可超过50%，导致光伏电站的发电量大幅下降，严重影响了光伏电站的发电收益。因此，必须对光伏组件的PID效应进行研究，并提出有效的解决方案。

目前解决这一问题的方法主要是通过改进光伏组件或在逆变器侧加装防PID效应的装置。

改进光伏组件主要是从电池镀膜材料、工艺控制及封装材料选取等方面进行改善[2]。此外，双玻组件由于去除了金属边框，PID效应得到了较好的抑制，但由于该类组件存在价格相对较高、安装方式较复杂等问题，使其应用范围受到了一定限制。并且改进光伏组件的方法仅适用于新建的光伏电站，对已经在运行的光伏电站，由于更换、改造组件的费用高昂，显然是无法适用的。

目前较为通用的做法是在逆变器侧加装防PID效应的装置，通过改变组件中电池片负极对地的电位，从而抑制离子迁移以达到防PID效应的目的；或通过PID效应修复装置，在光伏发电系统不运行时，通过对光伏组件的正、负输出端加以反向偏压，或者在负极和地之间加以反向偏压，以达到修复受损电池片的目的。

2 国内外主要方案

2.1 PID效应解决方案的主要分类

通过对国内外厂家所提交的有关PID效应解决方案的专利文献的检索，以及国内主要PID效应解决方案的调研，将目前光伏逆变器PID效应解决方案大致分为负极接地、反向偏压恢复、负极电位抬升、交流电压中性点电位抬升4类。

2.1.1 负极接地方案

负极接地方案是通过将光伏逆变器的直流输入负极与大地相连，从而抬升光伏组件的负极对地电位，以达到防止PID效应出现的目的。但由于负极直接接地，增加了漏电风险，可能会引发操作人员触电风险，因此此类方案通常会加入对负极的漏电流检测，一旦负极对地电流超标，立即通过熔丝或断路器等装置切断负极对地的连接。该方案原理图如图1所示[3]。

该方案通过将光伏阵列的负极与抗PID电路相连，并通过漏电流检测单元后接地，实现了光伏组件的负极接地。控制单元通过漏电流检测单元送出的电流信号实时检测光伏组件负极对地电流，一旦电流值超标，立即通过分断抗PID电路的开关，断开负极对地的连接。

图1 负极接地方案原理图

采用该方案的厂家主要有：阳光电源、南京冠亚、特变电工、南瑞继保、深圳禾望、中节能等。

2.1.2 反向偏压恢复方案

反向偏压恢复方案主要是当光伏发电系统不运行时，通过对光伏组件施加反向偏压，以恢复组件的I-V特性。

负极对地反向偏压恢复方案是在光伏组件不工作时，通过在光伏组件的负极PVx(x=1,2,…,j)与地之间加上正向电压，修复受损的光伏组件。图2为负极对地反向偏压恢复方案的原理图[4]。

图2 负极对地反向偏压恢复方案原理图

图3为光伏组件正极对负极反向偏压恢复方案，其原理图如图3所示[5]。

图3 正极对负极反向偏压恢复方案

负极之间加上反向电压可修复受损的光伏组件，由于负极对地的偏压是正极对负极的1/2，因此，正极对负极反向偏压恢复方案要求直流电源的输出电压是图2中直流电源输出电压的2倍，其对电源系统和线路的绝缘和耐压要求更高。

目前提出上述2种方案的厂商有SMA、上海质卫环保、上海正泰电源、深圳永联、扬州晶澳、山东希格斯、常州佳讯等。

2.1.3 负极电位抬升方案

负极电位抬升方案主要是在光伏逆变器与大地之间增加一个可调DC/DC隔离电源，使光伏组件负极对地的电压升到0 V以上，从而抑制PID效应的产生，该方案的原理图如图4所示[6]。

图4 负极电位抬升方案原理图

该方案通过在PV源n(n=1,2,…,m)的负极PVn-与PE端之间加入一个隔离电压源，并将电压源的正极输出与PVn-相连，负极输出与PE相连，从而将光伏组件对地的电位抬升至高于0 V，达到抑制光伏组件离子迁移的目的。由于所有的光伏逆变器的交流中性点均为N′，运用“虚短”思想，直流母线电压中点N1、N2……Nm的电位与N′相同，即提高直流母线任意一中点Nm的电位，所有直流母线中点电位都提高相同幅值，从而实现所有PV源负极对地的电位提高。

提出此方案的厂商有江苏兆伏、上海正泰电源、北京格林科电、阳光电源等。

2.1.4 交流电压中性点电位抬升方案

交流电压中性点电位抬升方案是通过在三相交流电压的中性点与大地之间增加一个可调直流电压源，从而抬升交流中性点与大地之间的电位，再利用光伏逆变器直流侧中点与交流中性点之间的“虚短”思想，间接将直流负极对地的电压抬升至0 V以上，从而抑制PID效应的产生。其原理图如图5所示[7]。

图5 交流电压中性点电位抬升方案原理图

该方案通过中性线装置引出光伏逆变器的交流侧中性点，并通过电压补偿装置，在中性点与PE之间增加一个正向的偏压，由于负极对直流侧中点的电压为光伏组件输出电压的一半，因此，当中性点与PE之间增加的正向偏压大于0.5UPV时，利用“虚短”的基本原理，即可将负极对地的电位抬升至0 V以上。同样，由于所有变流器均接在相同的交流母线上，即它们拥有相同的中性点，即只要将中性点电位提升，则所有变流器对应的光伏阵列的负极对地电位均会提升相同的幅值。

目前采用该方案的厂家主要有阳光电源和无锡上能等。

3 各方案的优缺点分析

表1对上文提到的4种PID效应解决方案的优缺点进行了对比。

表1 4种方案的优缺点对比

4 1500 V光伏系统PID效应解决方案

1500 V系统由于光伏组件的输出电压更高，因此PID效应的风险更大，所以必须采取一定的措施来抑制PID效应的产生，或修复因PID效应受损的光伏组件。根据前文对现有PID效应解决方案的优缺点分析，提出一种抑制PID效应产生兼具修复因PID效应受损的组件的解决方案(以下称为“P-BOX ”)。P-BOX的系统原理图如图6所示。

图6中，P-BOX的输入为三相交流电压，经过内部的AC/DC电源模块后，变换为输出可在30～1000 V变化的直流电压。当光伏阵列正常发电时，AC/DC电源模块输出一个较低的电压，加在光伏阵列的负极与大地之间，以抑制PID效应的产生。当夜间光伏组件停止发电且电网断开后，P-BOX将自动侦测光伏的输入电压，以判断是否满足启动夜间工作模式的需求。若条件满足，则会在负极与地之间逐步产生一个高于0.5Voc的电压，以修复因PID效应造成输出功率下降的光伏组件。

其工作模式的切换可通过检测PV输入电压及GPS时间信号进行时间控制自动实现，无需与逆变器进行通信。

除此之外，P-BOX还包含以下主要器件：

1)电阻：阻值≥50 kΩ，避免了负极直接接地，而且即使正极出现对地短路故障，也可起到限制正极到负极漏电流的作用(该电流大小取决于光伏阵列负极对地的绝缘阻抗值)。

图6 P-BOX的系统原理框图

2)二极管：其作用是当正极出现接地故障时，能够避免AC/DC电源模块的输出承受反向电压而损坏。

3)直流电流传感器和高压继电器：当直流电流传感器检测到负极对地电流大于系统保护值或瞬间冲击过大时，可通过内部的控制器分断高压继电器，以起到迅速切除对地连接的目的。

4)熔断器：作用是当直流传感器或高压继电器失效时，且负极对地漏电流超出允许限制时，依然可以起到切除对地连接的作用。

5)电压传感器1和电压传感器2：分别监控PV+对地电压和PV-对地电压。当检测到PV+对地电压小于保护值时，P-BOX正常工作；当检测到PV-对地电压变化时，可调节AC/DC模块的输出电压，更好地达到防PID效应的效果。

表2 P-BOX的主要技术指标

5 结论

本文通过介绍PID效应产生的原因，对目前主流PID效应解决方案的优、缺点进行了分析比较，并针对性地提出了适用于1500 V光伏系统的PID效应解决方案。该方案可用于抑制PID现象的产生，并可修复由于PID效应受损的光伏组件，从而解决1500 V光伏系统中由PID效应引起的组件功率衰减问题。

[1]曾雪华,张志根,蒋建平. PID效应及影响因素[J].太阳能，2013, (3)： 25 － 30.

[2]肖慧萍,曹家庆,周浪,等.针对PID的多晶硅太阳电池片减反射膜研究[J].江西化工, 2016, (6) ： 107－108.

[3]深圳市禾望电气有限公司.一种光伏发电系统及其控制方法[P].中国专利：103475271A, 2013-12-25.

[4]上海正泰电源系统有限公司.一种预防光伏电池板PID效应的实现方法[P].中国专利： 103888052A, 2014-06-25.

[5]山东希格斯新能源有限责任公司.防PID效应逆变器装置[P]. 中国专利 ：204167913U, 2015-02-18.

[6]上海正泰电源系统有限公司. 一种采用虚拟接地技术的光伏发电系统[P].中国专利：104242351A, 2014-12-24.

[7]阳光电源股份有限公司.光伏发电系统及应用于该系统的电压补偿装置、变流器[P].中国专利： 103337874A, 2013-10-02.