光伏组件PID效应的修复及抑制研究

杨跃武

(河南省洛阳市质量计量检测中心，河南洛阳 471000)

截至2020 年，全球光伏电站累计装机容量突破了760 GW，光伏在整个能源中的比重稳步增加，这得益于光伏从业人员不断研究并提高光伏组件产品的效率和性能，并将其研究成果应用于实际光伏发电项目，使光伏电站的整体建设成本大幅降低，平价上网得以逐步实现。在这些研究当中，提高组件产品在全寿命周期的运行效率也是研究热点。在组件性能失效的研究中，其中最为典型的是组件的PID(potential induced degradation)效应，它是光伏电站晶硅组件在运行过程中的一种衰减现象，近几年得到了行业的广泛关注和相关研究[1]。尽管有些问题尚未完全清楚，但是研发人们已经在电池、组件、电站等三个层面采用了有效的方法来减轻这种现象所带来的发电损失。尽管如此，但随着1 500 V系统电压在电站的应用，甚至未来(2030 年)系统电压将突破1 500 V，PID 问题仍然将会有一定程度的暴露[2]。本文在光伏电站现场应用了PID 预防和恢复设备，通过持续跟踪监测，取得了良好的结果。

1 PID 产生机理

PID 现象是由于光伏电站并网运行以后，晶硅组件内部和边框之间形成了比较高的电势差[1]，进而产生漏电流[3]，使正离子或负离子聚集到电池片的表面，形成了电极效应[4]，或带正电荷的Na 离子进入到电池内部，形成了缺陷中心[5-6]，而使得光生载流子数量下降。

据相关文献记载，PID 现象与晶硅电池片的减反射层[7-8]、封装材料[9]、组件结构[10-11]、系统结构[7-8]等因素有关。另外，PID 现象还与电站应用的实际安装环境(如环境温度、环境湿度、凝露情况)[10,12]、玻璃面接地情况(湿润或干燥状态)[13-14]、光照情况[15-16]、表面落尘情况[17]、施加在组件内部和边框之间的电压[18-19]等因素有关。

E.Annigoni 等研究人员发现，可以用式(1)来描述PID 现象的动力学过程[18]。

式中：Pmax(t)为产生PID 效应后的组件额定功率，W；Pmax,0为产生PID 前的组件初始额定功率，W；U为加到组件内部和边框之间的电压，V；θ 为组件温度，℃；RH为环境湿度，%；t1为施加电压的时间，h；A，Ea，k，B是常数。

从公式(1)看出，电压U越大、温度θ 越高、湿度RH越大、时间t越长，衰减后的功率Pmax(t)越低。这也解释了温度和湿度比较高的地区，PID 现象越容易出现，温度低和气候干燥的地区，PID 现象不容易出现。从这个公式还看出，只要有电压U存在，不论温度和湿度数值的高低，在组件经过足够的运行时间t后，一定会有PID 现象产生。

2 PID 预防及恢复的方法

PID 现象是可以恢复和预防的，从公式(1)看出，如果反电压U为0，则不会出现PID 衰减。一般从技术层面预防PID 的方法有直流侧负极虚拟接地[20]和负极接地[7-8]等两种方法，即将直流端负极的电压调整为接近于0 V，其他电压都大于0 V。在这种情况下，正离子迁移的电压为0 V，因此对于市面上常见的p 型硅电池组件产品来讲，就不会发生PID 现象。

如果组件已经产生了PID 现象，可通过增加环境温度(如增加到250 ℃)对PID 组件进行恢复，Peter Lechner 等研究人员发现功率恢复速度与环境温度之间存在一定的关系，可以用阿仑尼乌斯(Arrhenius)方程表示[21]，如式(2)所示：

式中：Pini为组件初始额定功率，W；Pt为恢复后的额定功率，W；Pmin为PID 衰减后的额定功率，W；t2为PID 恢复需要的时间，h；Eα、β和τ0均为常数。

从式(2)可知，环境温度越高，组件加压时间越长，恢复后的功率越高。一般情况下，夜晚恢复较白天恢复的时间长，冬天恢复效果比夏天差。

Peter Lechner 发现功率恢复与迁移的离子有关[21]，因此加压恢复比纯温度恢复的速度快[22]。对于加压恢复方法，可以用扩散和漂移理论[23]进行解释。

PID 的功率恢复情况还与PID 的严重程度有关[24]，PID 衰减越严重的，需要恢复的时间越长。

3 PID 恢复设备在电站的应用及结果分析

3.1 电站现场的应用结果

以上海质卫环保科技有限公司生产的Anti-PID(抗PID)设备为例，它白天可将负极电压调整为0 V，夜间可在组件电池与边框之间施加电压，这样既可以在白天预防PID 现象，又可以在夜间对PID 组件进行恢复，所以特别适用于存量电站和新建电站。

图1 所示为Anti-PID 设备与逆变器直流侧的连接示意图。设备的正极、负极分别与逆变器直流侧的正极、负极连接，施加的电压为800 V。

图1 Anti-PID 产品电压调整图

图2 为该产品在甘肃某100 MW 光伏电站的应用场景，其与现场逆变器的直流侧连接已经完成，设备正在运行当中。

图2 Anti-PID 产品安装图

逆变器直流侧电压的调整情况见图3 所示，并使用万用表进行了电压核实。电压调整值见表1 所示。

表1 DC 端对地的电势调整结果

图3 电压测试结果

经过从1 月份至7 月份的恢复后，我们跟踪了某块组件的EL 测试结果，见图4。从图4 中可以看出3 个月后，组件电池黑斑明显减少，6 个月后，黑斑基本消失，说明Anti-PID 产品在电站现场对PID 问题进行了有效的预防和恢复。

图4 PID 恢复前后EL图片对比图

3.2 PID 组件恢复结果与温度的关系

我们1 月份在山东某电站的19#逆变器上安装了Anti-PID 产品，以9#逆变器作为参考逆变器，并记录了1 月份至10月份以来19#逆变器相对于9#逆变器的发电量提升情况，见表2。

表2 山东某电站9#、19#逆变器发电量记录表

根据实验逆变器(19#)与参考逆变器(9#)的日发电量比值，可绘制图5 所示曲线。其中将发电量的恢复情况分为A、B、C 三个区。A 区中19#逆变器发电量缓慢上升，从表2 看出，1～2 月的气温在0 ℃左右，恢复速度比较慢。B 区是快速上升阶段，3～7 月气温逐步上升，所以恢复速度也比较快，这也印证了Peter Lechner 的研究结果[18]。C 区的上升速度有所减缓，这是由于PID 组件的额定功率相对于衰减前已经得到了较大的恢复，进一步恢复的难度增加，上升速度减缓。

图5 山东某电站19#/9#发电量比值随时间的变化趋势

3.3 PID 组件恢复结果与PID 严重程度的关系

我们在新疆某电站的3#和13#逆变器上安装了Anti-PID产品，以5#逆变器为参考进行对比。其中3#逆变器的PID 现象比较严重，13#次之，5#的情况最好。其发电量情况见表3和图6 所示。

表3 新疆某电站3#、5#、13#逆变器发电量记录表 kWh

图6 新疆某电站3#、5#、13#逆变器发电量对比图

从表3 和图6 看出，3#逆变器的组件衰减比较严重，尽管其恢复的发电量高于13#逆变器，但其最终发电量仍然较低，需要更长的时间才能达到5#逆变器的发电水平。这也印证了J.Hattendorf 等[24]的结论。

4 总结

本文回顾了晶硅组件PID 现象的产生机理及在电池、组件、电站层面上预防PID 的方法。PID 现象是晶硅组件光伏电站在运行过程中不可避免的现象。通过自主研发的PID 恢复设备应用到实际电站，采用了白天预防、夜间恢复的方法，并经过多个电站的实际案例跟踪，PID 恢复设备有明显的恢复效果，组件的黑斑基本消失，发电量也恢复到比较高的水平。文中还从实际数据分析了PID 恢复效果与环境温度、PID 严重程度的关系。结果表明，环境温度越高，功率恢复速度越快，PID 组件功率衰减越严重，恢复的时间越长。