1.1PID效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)和成因

PID效應(yīng)(Potential Induced Degradation)全稱為電勢誘導(dǎo)衰減。PID直接危害就是大量電荷聚集在電池片表面，使電池表面鈍化效果惡化，從而導(dǎo)致電池片的填充因子、開路電壓、短路電流降低，電池組件功率衰減。

2005年Sun power公司就發(fā)現(xiàn)晶硅N型電池在組件中施加正高壓后存在PID現(xiàn)象。2008年，Ever green公司報(bào)道了P型電池組件的PID效應(yīng)。但是目前還沒有明確的證據(jù)能夠證明一個(gè)工作了五年的光伏電站，組件的輸出功率驟降就是因?yàn)镻ID效應(yīng)引起的。不過近年光伏行業(yè)對電池組件的PID效應(yīng)還是引起了足夠的重視。德國測試企業(yè)TUV發(fā)布了他們的建議標(biāo)準(zhǔn)： TC82標(biāo)準(zhǔn)化(82/685 / NP) 溫度、濕度、偏置電壓、導(dǎo)體,上述參數(shù)測試的主要環(huán)境數(shù)據(jù)。

目前光伏行業(yè)比較認(rèn)可的一種PID效應(yīng)成因是：隨著光伏系統(tǒng)大規(guī)模應(yīng)用，系統(tǒng)電壓越來愈高，電池組件往往20-22塊串聯(lián)才能達(dá)到逆變器的MPPT工作電壓。這就導(dǎo)致了很高的開路電壓和工作電壓.以STC環(huán)境下300WP的72片電池組件為例，20串電池組件的開路電壓高達(dá)860V，工作電壓為720V.由于防雷工程的需要，一般組件的鋁合金邊框都要求接地，這樣在電池片和鋁框之間就形成了接近1000V的直流高壓。

電池組件在封裝的層壓過程中，分為5層。從外到內(nèi)為：玻璃、EVA、電池片、EVA、背板。由于EVA材料不可能做到100%的絕緣，特別是在潮濕環(huán)境下水氣通過作為封邊用途的硅膠或背板進(jìn)入組件內(nèi)部。EVA的酯鍵在遇到水后按下面的過程發(fā)生分解，產(chǎn)生可以自由移動(dòng)的醋酸。醋酸和玻璃表面堿反應(yīng)后，產(chǎn)生了鈉離子。鈉離子在外加電場的作用下向電池片表面移動(dòng)并富集到減反層而導(dǎo)致PID現(xiàn)象的產(chǎn)生(圖1-1為PID效應(yīng)產(chǎn)生的原理圖)。

文獻(xiàn)[2]中提到了一個(gè)化學(xué)現(xiàn)象。已經(jīng)衰減的電池組件在100℃左右的溫度下烘干100小時(shí)以后,由PID引起的衰減現(xiàn)象消失了。從而得到一個(gè)結(jié)論：某些引起PID衰減的過程是可逆的。當(dāng)然在實(shí)際工程中，高溫加熱組件的這種方式不現(xiàn)實(shí)，不可能大規(guī)模應(yīng)用。德國的SAM一個(gè)專利技術(shù)是針對PID效應(yīng)的“可逆性”發(fā)明的，那就是在晚間對組件和大地之間施加正電壓。該方法需要一個(gè)叫PID BOX的設(shè)備，使用時(shí)需要把PID BOX并聯(lián)在組件正負(fù)極上。夜間，PID BOX將組件的正負(fù)極進(jìn)行短接，同時(shí)在電池組件與大地之間施加1000V左右的直流正壓，讓白天遷移到電池片上的離子移出電池片，恢復(fù)電池片PN結(jié)中的電子。如圖1-2

1.2PID效應(yīng)的危害和測試方法

1.2.1 PID效應(yīng)的危害

PID效應(yīng)的危害使得電池組件的功率急劇衰減。使得電池組件的填充因子(FF)、開路電壓、短路電流減少。減少太陽能電站的輸出功率，減少發(fā)電量。減少太陽能發(fā)電站的電站收益。

圖1-3 所示由于PN結(jié)中的電子損失的越來越多，導(dǎo)電性能越來越差。導(dǎo)致電池組件的發(fā)電性能下降。最多能達(dá)到50%甚至更高。

圖1-4所示 編號為ET-P660FLZW845723 電池組件，項(xiàng)目地點(diǎn)為江蘇泗洪的某漁光互補(bǔ)電站。(鋪設(shè)在魚塘上面)

圖1-5所示 編號為ET-P660FLZW797159 電池組件，項(xiàng)目地點(diǎn)為以色列的阿卡某屋頂電站。(地中海沿岸城市,高鹽霧高濕度)

圖1-6所示 編號為ET-P660FLZW797470電池組件，項(xiàng)目地點(diǎn)為內(nèi)蒙古鄂爾多斯市某大型地面電站。(正常環(huán)境)

圖1-4、1-5 分別為組件退回廠家后，在EL實(shí)驗(yàn)室使用EL測試儀測試的紅外圖。圖1-5為現(xiàn)場拆卸返廠后的EL測試的紅外圖。圖中發(fā)亮的電池片為有效片，發(fā)暗、全黑的電池片為無效片。由圖可見，在潮濕、鹽霧高的地區(qū)PID衰減的現(xiàn)象特別嚴(yán)重，在干燥地區(qū)的情況則完全正常。

1.2.2 EL測試原理

電致發(fā)光，又稱場致發(fā)光，英文名為Electroluminescence，簡稱EL。目前，電致發(fā)光成像技術(shù)已被絕大部分太陽能電池和組件廠家使用，用于檢測產(chǎn)品的潛在缺陷，控制產(chǎn)品質(zhì)量。

EL的測試原理如圖1-7所示，晶硅太陽電池外加正向偏置電壓，電源向太陽電池注入非平衡載流子，電致發(fā)光依靠從擴(kuò)散區(qū)注入的大量非平衡載流子不斷地復(fù)合發(fā)光，放出光子;再利用CCD相機(jī)捕捉到這些光子，通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理后顯示出來，整個(gè)的測試過程是在暗室中進(jìn)行。

EL圖像的亮度正比于電池片的少子擴(kuò)散長度與電流密度，有缺陷的地方，少子擴(kuò)散長度較低，所以顯示出來的圖像亮度較暗。通過EL圖像的分析可以有效地發(fā)現(xiàn)電池組件中的電池片缺陷。

1.3PID效應(yīng)的預(yù)防和恢復(fù)方案

PID效應(yīng)并非不可預(yù)防和恢復(fù)，目前國內(nèi)外工程施工中為了預(yù)防PID效應(yīng)很多逆變器廠家都推出了自己的解決方案。比如集中式逆變器的負(fù)極接地解決方案;組串逆變器并聯(lián)時(shí)的單點(diǎn)接地解決方案;以SMA為代表的PID夜間補(bǔ)償解決方案。

1.3.1 集中式逆變器負(fù)極接地

負(fù)極接地方案，被多家逆變器供應(yīng)廠商應(yīng)用后證明是一個(gè)解決PID衰減的有效方案。特別是國內(nèi)使用500kW逆變器的大型地面電站。負(fù)極接地有非常重要的使用意義.

目前國內(nèi)500kW大功率集中型逆變器均采用非隔電路結(jié)構(gòu)，通過隔離升壓變壓器并網(wǎng)。為了滿足IEC62109，UL1741等國際主流逆變器規(guī)范的需求，在負(fù)極接地的同時(shí)應(yīng)該做幾點(diǎn)改造:

(I)增加GFDI(直流對地故障檢測)

由于整個(gè)系統(tǒng)負(fù)極接地,如果絕緣出現(xiàn)故障,正極就會對地放電,由于是1000V的高壓對地放電的故障是非常危險(xiǎn)的,所以逆變器應(yīng)采用具有GFDI裝置的內(nèi)部接地設(shè)計(jì), 如果發(fā)生PV+對地故障，可以將GFDI保險(xiǎn)絲熔斷或者使短路開關(guān)跳脫。依據(jù)UL1741標(biāo)準(zhǔn)大于250kW的太陽能系統(tǒng)最大對地故障電流為5A，在GFDI線路中使用5A的熔斷器或者斷路器。系統(tǒng)正常工作時(shí)，熔斷器或者斷路器兩端的電壓為零。如果發(fā)生故障熔斷器或斷路器的端電壓變?yōu)楣夥绷鱾?cè)系統(tǒng)電壓。電壓瞬變產(chǎn)生了I/O信號,逆變器產(chǎn)生了報(bào)警信號。逆變器停止運(yùn)行，接地故障的電池組件整列被切除。(圖1-8所示)

(II)增加ISO(絕緣檢測)功能:

依據(jù)IEC62109，非隔離型并網(wǎng)逆變器需要在開機(jī)前進(jìn)行組件的絕緣阻抗檢測，市場主流的500KW 逆變器一般都會采用Bender ISO偵測器.在絕緣檢測前，逆變器斷開電池組件接地的熔斷器或斷路器，檢測完成后再閉合接地的熔斷器或斷路器。

(III)防雷改造

當(dāng)負(fù)極接地后，輸出交流防雷器耐壓值由原來的交流300V上升為直流側(cè)系統(tǒng)電壓(500V-1000V左右)需要更換交流側(cè)防雷。對于SPD原來正極接地,正極對地防雷由A和C串聯(lián)組成，負(fù)極對地防雷由B和C串聯(lián)組成，正極對負(fù)極的防雷由A和B串聯(lián)組成。將負(fù)極接地后(圖1-9所示)正極對地防雷由A和B//C串聯(lián)組成，防雷結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化,直流側(cè)SPD也需進(jìn)行合適的選型。

1.3.2 組串式逆變器并聯(lián)后負(fù)極接地

在分布式系統(tǒng)中,使用組串式逆變器,PID現(xiàn)象的發(fā)生同樣不可避免。負(fù)極接地同樣是一種行之有效的預(yù)防措施，由于組串逆變器系統(tǒng)和集中式逆變器系統(tǒng)的差異，需要另一種接地方式。國外的一些逆變器廠家提出了一種虛擬接地的方式。如圖1-10

a) 光伏逆變器1#的負(fù)極接地;
b) 逆變器1#的輸出端與逆變器2#的輸出端并聯(lián)后與一個(gè)隔離變壓器(雙繞組)的輸入端相連;
c) 隔離變壓器的輸出端接入電網(wǎng);
d) 1#內(nèi)部中點(diǎn)N1對負(fù)極電壓PV1-的電壓為1/2Vb1，即VN1=1/2Vb1+ VPV1-;
e) 2#內(nèi)部中點(diǎn)N2對其負(fù)極電壓PV2-的電壓為1/2Vb2，即VN2=1/2Vb2+VPV2-;
f) 三相平衡系統(tǒng)中，有VN=VN1=VN2 (VN為變壓器系統(tǒng)中性點(diǎn)點(diǎn)位);
g) 因VN=VN1=VN2 可得VPV2-=1/2Vb1+ VPV1--1/2Vb2;
h) 1# 2# 接入的電池組件數(shù)量相等，可得Vb1≈Vb2;
i) PV1-接地，所以VPV1-=0 因此PV2-=1/2Vb1-1/2Vb2也約等于0;
j) 1#2#并聯(lián)系統(tǒng)中，光伏逆變器1#負(fù)極接地，電位為零。則光伏逆變器2#的負(fù)極也約等于零。

上述2臺逆變器接地的推導(dǎo)過程,同理可以得出:

N個(gè)組串式并聯(lián)的逆變系統(tǒng)中如果輸出側(cè)同接一個(gè)雙繞組變壓器，那么這個(gè)系統(tǒng)只要將其中一臺逆變器的負(fù)極接地，整個(gè)系統(tǒng)中所有并聯(lián)的逆變器負(fù)極電位也基本為零，這樣的接地系統(tǒng)被稱為虛擬接地系統(tǒng)。

由于組串式逆變器本身都有漏電流保護(hù)功能，在“單點(diǎn)虛擬接地”系統(tǒng)中，只要1臺逆變器直流輸入負(fù)極單點(diǎn)接地，其他組串式逆變器漏電流保護(hù)功能仍然能夠正常工作，同時(shí)組串逆變器的功率不是特別大，漏電流很小。假設(shè)正極對大地放電，組串逆變器的漏電流不會很大,也就不會出現(xiàn)不可控的后果。

1.3.3 PID恢復(fù)方案

使用負(fù)極接地方法可以阻止PID的繼續(xù)發(fā)生。但是該方法對逆變器有特殊要求.而且該方法只能針對新建設(shè)的光伏電站。對于已經(jīng)發(fā)生PID現(xiàn)象的光伏電站，該方法只能阻止PID深化，不能對組件功率進(jìn)行恢復(fù)。

目前很多廠家都開發(fā)出了自己的PID效應(yīng)恢復(fù)設(shè)備，比如SMA就推出了PVO BOX(下稱PVOB)恢復(fù)產(chǎn)品。筆者所在公司已使用過該產(chǎn)品，恢復(fù)效果良好。PVOB的原理非常簡單：由于各種因素導(dǎo)致了電池片中PN結(jié)的導(dǎo)電離子大量損失，從而導(dǎo)致電池組件的發(fā)電能力大幅度下降。PVOB設(shè)備在夜間對組件和大地之間施加正電壓(1000V)讓白天從PN結(jié)中流失的導(dǎo)電離子回到PN結(jié)中，從而恢復(fù)電池組件的發(fā)電能力。

1.3.3.1系統(tǒng)整體框圖

PVOB設(shè)備系統(tǒng)構(gòu)成如圖1-11所示，它由3部分組成，分別為控制部分、電源部分和接口部分.這些部分又分別有CPU控制單元、電源模塊(包括交直流轉(zhuǎn)換模塊和直流400V-1000V電源轉(zhuǎn)換模塊)、信息存儲模塊、模式選擇模塊、信號檢測模塊、告警模塊、通信模塊和輸入輸出接口等模塊組成。其核心器件是CPU控制單元和電源模塊，其它各模塊輔助PVOM模塊實(shí)現(xiàn)其既定功能。

其工作原理：CPU控制單元通過對PV+、PV-、LN、FE等信號的采集及對模式選擇模塊信號的分析，進(jìn)行狀態(tài)和模式判斷，以確定系統(tǒng)控制操作的項(xiàng)目類型;CPU控制單元同時(shí)可以控制400V-1000V電壓源模塊的輸出，以完成設(shè)備的核心偏壓供電功能。

下面分別說明各部分的功能及硬件實(shí)現(xiàn)原理。

1.3.3.2控制部分

控制部分是PVOB的核心控制單元，它通過CPU控制單元對輸入信號PV+、PV-、LN、FE等進(jìn)行采集，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，已確認(rèn)PV偏壓的輸出模式、開始時(shí)間、電壓大小和結(jié)束時(shí)間等，并根據(jù)各種信息進(jìn)行運(yùn)行狀態(tài)和告警判斷，并輸出相應(yīng)的狀態(tài)信息。其硬件控制框圖如圖1-12。

1.3.3.3電源部分

電源部分有兩個(gè)模塊組成，一個(gè)模塊是交流直流轉(zhuǎn)換電路，該部分實(shí)現(xiàn)86V-264V的交流電源輸入，輸出12V直流電壓供控制電路和400V-1000V升壓電路使用;一個(gè)模塊是400V-1000V可調(diào)直流升壓電源電路，該部分的電壓輸出模式、時(shí)間、大小受控制單元控制，它為光伏組件提供400V-1000V直流偏壓。

1.3.3.4 PID恢復(fù)效果

圖1-14 所示編號為ET-P660FLZW845723 電池組件從項(xiàng)目現(xiàn)場返廠以后EL測試紅外圖片(左);

使用PVOB產(chǎn)品恢復(fù)20天后EL測試紅外圖片(中);

使用PVOB產(chǎn)品恢復(fù)40天后EL測試紅外圖片(右)。

圖1-15 所示編號為ET-P660FLZW797159電池組件從項(xiàng)目現(xiàn)場返廠以后EL測試紅外圖片(左);

使用ET的PIDFB產(chǎn)品恢復(fù)20天后EL測試紅外圖片(中);

使用ET的PIDFB產(chǎn)品恢復(fù)40天后EL測試紅外圖片(右)。

表1-1所示，在10天、40天的恢復(fù)以后，受到PID影響的電池組件性能得到了很大的恢復(fù)。

實(shí)驗(yàn)證明電池組件PID恢復(fù)設(shè)備，在恢復(fù)電池組件發(fā)電能力的效果是明顯的。

1.4小結(jié)

本章主要介紹了影響太陽能發(fā)電效能的PID現(xiàn)象和危害。用工程應(yīng)用的實(shí)例介紹了PID現(xiàn)象的EL測試方法,并從電站設(shè)計(jì)的角度介紹了目前能夠大面積推廣的“負(fù)極接地”預(yù)防措施，通過簡單的改造逆變器使得新建太陽能發(fā)電站免受PID效應(yīng)的影響。最后介紹了一種PID效應(yīng)恢復(fù)方法，并通過實(shí)際的實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)和照片，證明了這項(xiàng)技術(shù)的可行性。

同時(shí)需要指出的是，目前國內(nèi)外的電池組件生產(chǎn)廠家、科研機(jī)構(gòu)、各大光伏實(shí)驗(yàn)室和測試機(jī)構(gòu)都沒有找出造成PID效應(yīng)的真正原因。但是，要想徹底解決PID效應(yīng)，業(yè)內(nèi)公認(rèn)的研究方向是 EVA、玻璃、背板材料、封裝材料的重新組合。

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文章來源：古瑞瓦特 張喆