如何从逆变器侧防治PID效应

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，使电池表面钝化效果恶化，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TUV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MPPT工作电压。这就导致了很高的开路电压和工作电压。以STC环境下300WP的72片电池组件为例，20串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、电池片、EVA、背板。由于EVA材料不可能做到100%的绝缘，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）。

已经衰减的电池组件在100℃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。德国的SAM一个专利技术是针对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的设备，使用时需要把PID BOX并联在组件正负极上。夜间，PID BOX将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PN结中的电子。如图1-2

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1-3 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%甚至更高。

图1-4所示 编号为ET-P660FLZW845723 电池组件，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，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-P660FLZW797470电池组件，项目地点为内蒙古鄂尔多斯市某大型地面电站。（正常环境）

图1-4、1-5 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，在干燥地区的情况则完全正常。

PID效应的防治

为了抑制PID效应，组件厂家从材料、结构等方面做了大量的工作并取得了一定的进展;如可采用抗PID材料、防PID电池和封装技术等。采用非乙烯—醋酸乙烯共聚物的封装材料、采用无边框组件或双玻组件等，都可以在一定程度上减少PID效应。

实践中， PID问题的防治更多的是从逆变器端进行。从逆变器角度可采用以下三种方案：

方案1：负极直接接地方案

将光伏组件或逆变器的负极通过电阻或保险丝直接接地，使电池板负极对大地的电压与接地金属边框保持在等电位，消除负偏压，该方案多用于集中式逆变器，如图2所示。

图2 负极直接接地方案

方案2：负极虚拟接地方案

图3 逆变电路原理图

图3中各点电压关系如下：其中

（三相平衡系统）

据此可得交流中性点N电位UN比直流侧负极电压U-高2Ud/3，如图4（a）所示。利用模拟中性点装置和电压调整装置，等效将UN抬升，使得U-大于0，消除负偏压，达到负极虚拟接地的目的，如图4（b）所示。

图4 负极虚拟接地方案

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组件PID。由于集中式与组串式逆变器的组网形式不同，使得两种类型逆变器的负极虚拟接地方案在防PID装置交流接入点、安装位置、获取负极对地电压方式等方面有区别，如图5所示。

图5 集中式与组串式的负极虚拟接地方案系统结构对比

方案3：夜间反PID修复

利用组件PID的可逆性原理，在夜间逆变器停止工作时段内，利用单独的直流源对电池板施加反向电压，修复白天发生PID现象的电池板，如图5所示。该方案需每台逆变器增加一台直流源，成本较高，且仅在逆变器不工作时，对电池板进行修复，属于“事后治疗”的被动方案。

图6夜间对电池板修复的反PID方案

PID防治案例

案例1：逆变器有无PID模块电站发电量差异对比

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，其中9-1区采用的集中式逆变器不具备防PID功能，而9-2区采用的阳光电源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有效地防止组件PID衰减，大幅度降低发电量损失，如表3所示。

表3 具备防PID功能的集中式逆变器可大幅度减少了因组件PID带来的发电量损失

案例2：PID夜间修复案例

深圳某5.5MW光伏电站项目，在电站建设前期未考虑组件PID影响，发生PID后，通过现场安装PID模块后，经过6个夜间（42小时）修复后组件各项指标参数恢复正常，有效地避免发电量损失，如表4所示。

表4 已出现PID的组件经PID模块修复后的实际效果

小结

在温度高、湿度大的东部分布式屋顶、水面等应用场景，光伏组件容易发生PID效应，会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，可以有效的避免组件发生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。