基于电池组件PID效应的光伏逆变器设计

发表时间：2017-06-13T14:57:08.027Z 来源：《电力设备》2017年第6期作者：刘新波[导读] 通过把光伏逆变器进行特殊改造，从而得以大大减少电池内部组件的PID效应，藉此从发电效率方面对光伏系统进行优化升级。

（易事特集团股份有限公司）摘要：本文主要论述了光伏电池组件电势诱导衰减效应(PID)产生的机理、衰减的方式，通过把光伏逆变器进行特殊改造，从而得以大大减少电池内部组件的PID效应，藉此从发电效率方面对光伏系统进行优化升级。

关键词：电池组件；PID效应；负偏电压；逆变器光伏电池的组件一般包括玻璃、电池片、EVA胶膜和背板等部分，如果它的电压一直比较高，并且长期工作在高温高湿的外部状态下，电池片的表面就会产生众多的电荷聚集，进而会在外部的封装材料与里面的衬底间造成电流的泄漏，而且由于填充组件的因子大量减少、电压降低和短路电流密度等原因，最终造成电池的性能达不到最初的设计标准，从而出现电势诱导衰减(Potential Induced

Degradation，简称PID)效应，这一情况在一定情况下能够造成电池组件的功率下降百分之三十多。

在一些规模比较大的荒漠电站和分布式发电站那里，被大规模、成批量使用的是集中型光伏逆变器，这就使得系统开路电压也处于比较高的状态下，构成电池组件的电池片相对于地面的电压力高达700v到1100v。在通常情况下，电池组件的铝边框被要求与地面相接，这样以来，在电池片和边框之间就形成了一个高达60-l000V的负偏压电场。在潮湿而且高温的环境状态下，在负高压电场的作用下，电池组件上的漏电电流能够达到毫安级别。

本文主要通过分析产生PID效应的机理，着重探讨了不同接地方式的光伏并网系统所产生的对地电压，通过特殊改造后的光伏逆变器，能够有效降低甚至规避电池组件内部的PID效应，从而大大提高系统的实际效率。

一、产生PlD效应的机理

世界各大权威研究机构和许多生产光伏电池组件的厂家所做出的的研究报告都显示：假如在潮湿的外部状态之下，如果电池的内部组件持续长时间的受到其本身与接地边框之间形成的负偏压的影响，那么就很有可能造成电池组件的性能发生不可逆转的持续性减退。

离子迁移现象往往在组件电池片表层和封装材料之间出现，而负偏压电场的存在是产生这一现象最为重要的因素。使得相关电路发生腐蚀现象的另一个原因是电池的活性层被大量缩减，而这个缩减却是由于电荷的再分配造成的。外部环境的潮湿程度是直接影响活性层的最主要因素，如果组件持续长时间的暴露在潮湿的环境之下，特别容易出现离子的迁移现象；另外，大大加速电池组件性能衰减的原因还有其他方面，比如：电池组件表面的导电性、电池组件表面的酸碱性以及一些带有离子的物体污染了电池组件的表面等。PID效应主要有三种方式造成电池组件性能的衰减，它们分别是：Na离子的迁移、p-n结分流及电离腐蚀和电离子腐蚀现象和金属离子的转移。

1、Na离子的迁移

当出现带电离子穿透了半导体材料的表层，进而使得电荷的活性范围大受影响，并最终导致电离子发生严重的分层现象，然而究其原因，却是因为电池组件的电池片内部活性层的大量离子发生了迁移；这种状况最糟糕时，玻璃／TCO的表面会出现大量的Na离子聚集，结果造成玻璃／TCO的表面发生分层和电化学腐蚀现象。在光伏阵列偏置电压的促使下，许多带电载流子透过玻璃，并且经由组件的接地边框下行到达地面，从而产生了漏电电流，最终使得电池组件性能大大衰减。

2、p-n结分流

发生在活性区域内的离子迁移现象，往往能使p-n结性能出现衰减并发生分流。如果电池片的电压为正、边框的电压为负，那么就会造成阳离子流出电池片并在p-n结附近产生聚集现象；相反，如果电池片的电压为负压、边框的电压为正偏压，那么就会造成阳离子流入电池片，从而导致p-n结性能的严重衰减。

3、电离子腐蚀现象和金属离子的转移

因为电池组件在生产封装过程中不可避免的会残留少量的湿气，而这些湿气则会导致EVA材料发生水解现象，并导致电离腐蚀以及金属电极的腐蚀，从而产生出可以自由移动的Na离子，在电场的持续作用下，Na离子会逐渐移动到电池的表面，并最终导致电池性能出现严重衰减。

二、光伏并网体系的对地电压剖析

在光伏并网系统中，光伏逆变器的拓扑结构和最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking,英文简称MPPT）电压是光伏阵列输出端对地电压的决定性因素。通过对250kW光伏逆变器（电网电压为三相380V），对逆变器输入端不接地、输入端正极接地和输入端侧负极接地三种情况下阵列输出侧正、负极对地电压进行仿真分析。可以看出：逆变器的接地方式可以对光伏阵列承受偏压的极性产生决定性的影响，而电池组件在光伏阵列中的次序则直接影响到其接受的负偏电压所形成的隐性危险的大小。如果光伏阵中的其中一块组件承受负偏压作用，组件距离近输出端的负极越小，那么它承担的负偏电压就会越大，而PID效应也会相应的更加明显。

三、经过特殊改造后的光伏逆变器

1、逆变器的拓扑选型

光伏逆变器常见的拓扑类型有两种，分别是带变压器型和不带变压器型。第一种逆变器由于有变压器进行电器隔离，所以它的输入与输出两端之间不能形成有效的漏电回路，因此一般不用考虑它在输出时产生的漏电电流。而第二种逆变器因为缺少电器隔离的存在，输入与输出两端间往往会形成漏电回路，也会出现漏电流。根据变压器工作时产生的不同频率又能分成低频变压器型和高频变压器型，这也是带变压器型逆变器拓扑的两种类型。低频变压器型光伏逆变器由全桥逆变器与工频变压器两者组合而成，由于输出端有变压器的隔离，因此可以避免并网漏电流与DC偏量的产生。高频变压器型光伏逆变器由带高频变压器的互换式电能变换器与全桥逆变器两者组成，由于在它的输入与输出两端之间有变压器的隔离存在，所以能有效防止对输出漏电流的影响。以上这两种拓扑光伏逆变器都能根据电池组件的需要，把它的正(+)端或负(一)端接入地面。同低频变压器型光伏逆变器相比较而言，由于高频变压器型光伏逆变器为两级电路拓扑结构，整体工作效率相对较低，因此现在大多数的光伏电站都采用低频隔离变压器型光伏逆变器。由于其本身电路的特征，三电平拓扑结构的光伏逆变器会使光伏阵列两端存在严重的电压不稳定，因此会造成漏电电流大增，不能满足组件负极接入地面的运用需求。基于上述分析，为避免电池组件PID效应的产生，采用逆变器输入端负极接地方案，以减小光伏阵列的负偏压。

2、负极接地方式