电气工程学报, 2023, 18(2): 254-259 doi: 10.11985/2023.02.026

新能源发电与电能存储

现场环境下光伏组件PID衰减及修复研究

李达,, 郑海兴,, 张剑锐,, 吴潮辉, 翁军华, 姜鹤, 肖文

南方电网综合能源股份有限公司 广州 510075

Research on PID Effect and PID Repair of PV Module on Site

LI Da,, ZHENG Haixing,, ZHANG Jianrui,, WU Chaohui WENG Junhua, JIANG He, XIAO Wen

China Southern Power Grid Energy Efficiency & Clean Energy Co., Ltd., Guangzhou 510075

收稿日期: 2021-11-12   修回日期: 2022-04-7  

Received: 2021-11-12   Revised: 2022-04-7  

作者简介 About authors

李达，男，1980年生，博士，高级工程师。主要研究方向为新能源及节能环保。E-mail：lida@csg.cn

郑海兴，男，1985年生，硕士，高级工程师。主要研究方向为新能源与储能技术。E-mail：zhenghx@csg.cn

张剑锐，男，1983年生，硕士，高级工程师。主要研究方向为新能源与储能技术。E-mail：zhangjianrui@csg.cn

摘要

光伏电站系统层面的抗组件电势诱导衰减(Potential induced degradation, PID)实际应用方案主要为PID抑制和PID修复，现有的相关研究均为验证其中一种方案的有效性，但对于在电站设计之初如何选择两种方案，两种方案实际抗PID效果对比如何，却未见相关的研究和结论。在现场环境试验平台和实验室条件下，对多种型号、规格的光伏组件进行PID人工加速衰减及修复试验，依据试验结果将组件分类，再对比现场环境、相同工况下两种方案对这些组件的PID修复效果，分析得到现场环境下不同拓扑结构的光伏系统抗组件PID现象的最优解决方案，对光伏电站的建设和运维有一定的指导意义。

关键词： 光伏组件; 电势诱导衰减(PID); PID抑制; PID修复; 虚拟接地; 反压修复

Abstract

The practical application scheme for anti-PID(Potential induced degradation) of photovoltaic module at system level of photovoltaic power station is mainly PID suppression and PID repair. However, there is no relevant research and conclusion on how to choose these two schemes on site and the actual anti-PID effect comparison of the two schemes is unclear. Through the on site experiment platform and laboratory platform, the PID effect and repair experiments with various types and specs of PV modules are carried out, and the data onto IV and EL test are collected. At the practical level, the two anti-PID technical routes are studied and demonstrated, and the on site optimal solution to the anti-PID phenomenon of PV systems with different topologies is obtained, which provides certain guidance for the contruction, operation and maintenance of photovaltaic power stations.

Keywords： PV module; potential induced degradation(PID); PID suppression; PID repair; virtual grounding; backward voltage repair

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本文引用格式

李达, 郑海兴, 张剑锐, 吴潮辉, 翁军华, 姜鹤, 肖文. 现场环境下光伏组件PID衰减及修复研究[J]. 电气工程学报, 2023, 18(2): 254-259 doi:10.11985/2023.02.026

LI Da, ZHENG Haixing, ZHANG Jianrui, WU Chaohui WENG Junhua, JIANG He, XIAO Wen. Research on PID Effect and PID Repair of PV Module on Site[J]. Chinese Journal of Electrical Engineering, 2023, 18(2): 254-259 doi:10.11985/2023.02.026

1 引言

PID(Potential induced degradation)效应又称电势诱导衰减，是光伏组件的封装材料和其上下表面材料、电池片与其接地金属边框之间在高电压作用下出现离子迁移而形成漏电流，大量Na+电荷聚集在电池片表面，使得电池片表面的钝化效果恶化，而造成组件性能衰减的现象[1-2]。PID效应不仅降低了光伏组件的发电效率，同时也减少了光伏组件的使用寿命，可使组件最大功率点(Maximum power point, MPP)最多降低70%以上，从而带来了发电量的损失以及电站可靠性降低等严重问题。

目前业内抗PID技术可大致分为两类，即从光伏组件层面和光伏系统层面分别采取措施抗PID效应[3-4]。在光伏组件层面，主要有晶硅电池片处理工艺、组件封装材料选择等措施[5]。在光伏系统层面，主要有PID抑制和PID修复两种方案，PID抑制的原理是消除Na+电荷迁移必要的电场环境[6]，PID修复的原理是反向电压修复。PID抑制又可分为虚拟接地和直接接地两种方法[7-8]，由于组串正/负极直接接地方案具有很大的安全隐患，近年来已鲜有应用。

近年来，行业内主要针对某一抗PID方案的可行性方面进行研究，赵俊青等[9]研究了负极接地方案的有效性；龚铁裕等[10-11]通过现场实测证实了反压修复方案的有效性；谢磊等[12-13]提出了基于1 500 V光伏系统的虚拟接地PID抑制方案。虽然在光伏电站实际建设中，PID抑制和PID修复两种方案均得到了广泛应用，但在具体应用中，两种方案的适用场景和防PID的效果对比在行业内并没有明确的结论。

本文针对目前行业内主流应用的P型光伏组件，研究两种抗PID方案的实际效果。首先研究组件对PID效应的敏感性，将组件分为具备认证证书的抗PID组件和没有认证的非抗PID组件两类，分别进行实验室和现场环境下的PID衰减与修复测试。依据试验结果，在现场环境下进一步验证两种抗PID方案的实际效果，分析两种方案的适用场景，对抗PID技术的应用选择及技术演进有非常重要的意义。

2 试验装置与试验方法

本文首先从研究组件的PID敏感性入手，对试验组件进行了现场和实验室环境下的PID衰减与修复试验，在掌握组件的PID敏感性信息后，将组件分为两类：第一类抗PID组件为试验前经过三个月暴晒的全新组件；第二类非抗PID组件为2015年投运，持续工作至试验前的旧组件。随后，针对易发生PID的组件，进行PID抑制和修复方案的现场环境对比试验，以对比两种抗PID方案的实际运行效果。

2.1 现场环境下组件PID衰减测试与修复的试验方法

现场环境试验地点选择在东南沿海某城市，濒临南海，气候炎热，雨量充足，属海洋性南亚热带季风气候。试验区域选择混凝土厂房屋面，试验平台场景如图1所示。

图1

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图1   现场环境试验平台


试验区域总计12个组串，通过3台隔离变压器，分别接入5台逆变器。隔离变压器的作用在于，可使不同电压等级和使用不同抗PID方法的逆变器并入同一低压电网而互不影响，如虚拟接地、反压修复以及虚拟接地+反压修复。此外，试验还设置了独立循环的喷淋系统，为全部12个组串的负极三块组件进行喷淋操作，用来模拟潮湿和高盐度的运行环境，喷淋系统示意图如图2所示。

图2

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图2   组件喷淋系统示意图


基于上述试验场景，现场测试中采用了以下几种抗PID方案进行对比测试。

(1) PID抑制方案：使组件与边框之间的电压达到一定的正值，消除组件玻璃中金属粒子的迁移通道，从根源上消除组件PID效应。

(2) PID修复方案：组件正常运行情况下，处于负偏压电位的组件易发生PID效应，因此人为对组件施加正向偏置电压，实现组件PID的修复和预防。

(3) PID抑制及PID修复叠加方案：抑制及修复功能叠加的场景，评估对组件PID衰减的改善作用。

为了实现户外场景的PID衰减加速效果，场景中用于测试的组件都是放置在组串PV端，更有效地实现组件的PID衰减以及修复，另外对组件表面进行长时间的水喷淋，以用于加速组件PID衰减。

2.2 实验室环境下组件PID衰减测试与修复的试验方法

作为现场环境试验的补充，在实验室环境下对组件进行加速PID衰减及修复的测试。测试设备为上海质卫ZW-PID03-8光伏组件PID测试系统，测试条件参考IEC62804标准，详细试验条件如下所示。

(1) 组件PID衰减：在双85(温度85 ℃、相对湿度85%)条件下，测试过程中，环境试验箱中的组件正/负端子短接后处于-1 000 V偏置电压下，使组件边框对地电压为0 V，测试时间为96 h。

(2) 组件PID修复：在双85(温度85 ℃、相对湿度85%)条件下，测试过程中，环境试验箱中的组件正/负端子短接后电压保持0 V，组件边框处于-1 000 V的偏置电压下，测试时间为96 h。

此外，现场和实验室测试后的组件检测均在实验室完成，主要进行IV和EL检测。

3 组件PID衰减和修复结果分析

3.1 抗PID组件的衰减和修复试验

抗PID组件在实验室条件下和短时间的现场条件下都表现出了较好的抗PID性能。

在实验室环境下，经过双85衰减测试96 h及反压修复测试96 h后，具备抗PID性能的组件，其最大功率Pmax在两项测试前后均未发生明显变化，试验数据如表1所示。组件EL图像的明暗，在试验前后也未见明显变化，如图3所示。

表1   实验室环境下抗PID组件PID衰减与修复最大功率

组件信息初始功率/WPID衰减测试后功率/W功率衰减比例(%)PID修复测试后功率/W功率修复比例(%)
单晶，品牌a291.4289.90.50287.498.6
单晶，品牌a296.7291.51.70291.398.20
单晶，品牌b297.0294.90.70296.399.70
单晶，品牌b300.1298.90.40298.799.60
单晶，品牌c329.4323.31.90322.397.80
单晶，品牌c328.2323.11.50321.798.00

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图3

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图3   抗PID组件在PID衰减以及PID修复过程前后的EL图像


将抗PID组件移至现场环境下无抗PID防护运行2个月，亦未见明显功率衰减，试验数据如表2所示。

表2   现场环境下抗PID组件的最大功率

组件信息初始功率/W运行2个月后功率/W功率衰减比例(%)
常规多晶，品牌a258.2255.4-1.08
常规多晶，品牌a252.5245.9-2.61
常规多晶，品牌a265.5259.5-2.26
单晶PERC，品牌a301.0297.9-1.03
单晶PERC，品牌a300.7294.8-1.97
单晶PERC，品牌a294.2288.3-2.03
单晶PERC，品牌a300.4295.5-1.63
双玻PERC单晶，品牌a295.9285.7-3.45
双玻PERC单晶，品牌a291.2285.6-1.94

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3.2 非抗PID组件的衰减和修复试验

在实验室条件下和现场条件下，非抗PID组件都发生了较大程度的功率衰减。在实验室条件下，非抗PID组件在连续衰减测试后的最大功率出现大幅衰减，如图4所示。经过相同时间的PID修复后，这些组件的最大功率也很难恢复到之前的水平，如图5所示；并且，再次发生PID后，其功率衰减的比例会更高，如图6所示。

图4

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图4   非抗PID组件两次衰减测试后的最大功率


图5

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图5   非抗PID组件衰减及修复的最大功率


图6

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图6   非抗PID组件两次衰减及修复循环的最大功率


通过组件在试验前后的EL图像对比，可见非抗PID组件在双85试验后EL图像明显变暗，经过反压修复后，虽然大部分好转，但仍有局部区域较暗，如图7所示。图8为组件PID衰减及修复后的IV曲线，可见发生PID衰减后，IV曲线形状出现较大变化，经过PID修复后接近衰减前的形状。

图7

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图7   样品9在PID衰减以及PID修复后的EL图像


图8

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图8   样品9在PID衰减以及PID修复后的IV曲线


3.3 两种抗PID方案的现场运行试验

通过上述试验可知，抗PID组件在短时间内无法发生明显的PID现象，其长期抗PID效果需要进一步试验才能得以检验，因此，两种抗PID方案的效果验证以PID衰减后的非抗PID组件为主，其他组件作为参照。

经过实验室PID衰减测试后的非抗PID组件，在现场试验环境下，接入三种抗PID方案运行半年后，PID修复效果差异对比如图9所示。对于非抗PID、发生衰减且已修复的组件，在现场环温、加水喷淋高湿情况下运行6个月，未见PID衰减；在接入反压修复、加水喷淋的情况下运行6个月，功率亦未见明显变化。

图9

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图9   非抗PID组件在现场环境下运行的最大功率


而对于非抗PID且已衰减的组件，在现场环境、加水喷淋高湿情况下，分别接入虚拟接地抑制、反压修复及抑制加修复的工作环境运行6个月，组件功率均得到一定的提升，但未完全修复。其中，样品1组件在虚拟接地场景，运行1个月功率提升16.31%，运行2个月功率提升24.15%；样品2组件在夜间反压修复场景，运行1个月功率提升12.91%，运行2个月功率提升21.01%；样品3组件在虚拟接地加反压修复场景，运行1个月功率提升15.97%，运行2个月功率提升23.18%。值得注意的是，在虚拟接地的情况下，组件功率也得到提升。

从实验室EL检测图像来看，在三种抗PID方案下运行一个月后的三块组件，其暗片的数量和变暗程度均有所好转，如图10所示。

图10

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图10   样品1、样品2和样品3组件的EL图像


基于上述试验数据，对于抗PID组件和非抗PID未衰减或衰减已修复组件，在现场环境下，试验6个月内未发生明显的PID功率衰减现象，分析其原因是由于现场实际运行环境下，即使人为增加了湿度，仍无法达到实验室环境的严苛程度，现场温度、湿度、运行电压条件均远低于实验室测试条件(湿度≤85%，温度低于85 ℃，电压-1 000 V DC)，因此可认为，无论是抗PID组件还是非抗PID组件，在现场环境下运行，短时间内(≤6个月)PID效应不明显。

对于已经发生PID衰减的组件，分别在PID抑制、PID修复以及PID修复+抑制三种模式下运行6个月，组件功率均得到了明显提升。

虚拟接地运行方式的原理为逆变器电压自动调整PID模块的输出电压，使所有光伏组件(包括PV-)对边框及接地点电势为正偏(>0 V)，从而实现对组件PID衰减的抑制。在实际运行中，由于已衰减组件内部带电体与边框接地点之间电势变为在零和正向偏压之间波动，使驱动Na+离子运动的电场发生了反转，相当于为组件施加了绝对值较低的反压，加上现场湿热环境的作用，PID衰减得到了缓慢的修复。这一现象也印证了国内外研究普遍认为PID衰减的原因是Na+离子在电场的作用下渗入到硅片表面的晶格缺陷[14]导致的，而PID衰减现象又是可逆的[15-16]，其修复过程正是由外部因素引起的Na+离子迁出晶格缺陷的过程。对于已发生PID衰减的组件，电压修复与热修复均有一定的效果。因此，本试验中造成组件在虚拟接地运行方式下修复的原因是电压修复和热修复共同作用的结果。

而从试验数据来看，反压修复运行方式与虚拟接地结合反压修复的运行方式，在短时间内，对于已发生PID衰减的组件的修复效果均与虚拟接地相近。

进一步，以2 MW组串式光伏方阵为例，分析三种方案的优势，对比结果如表3所示。

表3   三种抗PID方案对比

方案抗PID
效果		施工难度控制难度设备成本/(元/W)
虚拟接地样品运行2个月，最大功率提升24.15%只需要连接三相交流线等简单接线可按照设定工作模式自动运行0.003 5
反压充电样品运行2个月，最大功率提升21.01%需要连接多路直流出线与电源线等可按照设定工作模式自动运行0.012
虚拟接地+反压充电样品运行2个月，最大功率提升23.18%设备数量多，且接线复杂可按照设定工作模式自动运行0.015 5

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由表3可知，在具备相近的抗PID效果的同时，无论在设备成本还是施工难度上，虚拟接地方案都具有较大的优势，因此，对于光伏系统层面的抗PID措施，应当优先选择PID抑制方式，采用PID抑制方案可同时达到组件PID抑制和修复效果，无需再增加PID修复方案。

4 结论

(1) 对于目前主流具备抗PID认证的P型组件，无论是在实验室条件下还是在现场条件下，短时间内都未发生严重的PID衰减现象，需要经过长年实际运行进一步检验其抗PID性能，而鉴于一旦发生PID衰减，组件功率很难完全修复，因此建议使用抗PID组件的新建光伏电站，采用虚拟接地的方式预防PID效应的发生。

(2) 对于使用非抗PID组件且无抗PID措施的早期电站，虽然短时间内，其组件功率衰减可能不明显，但在湿热环境下长期运行，发生PID衰减的可能性仍然较大，因此在系统端应进行防PID效应改造。

(3) 试验证明已发生PID衰减的组件在虚拟接地运行方式下也可以修复功率，并且虚拟接地在设备成本和实施难度上都具有较大的优势，因此，条件允许的情况下，应优先选择虚拟接地的方案进行改造。

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