解决光伏电站组件的抗潜在电势诱导衰减效应的方法

资源描述：

第３５卷第４期２０１４年８月电力与能源解决光伏电站组件的抗潜在电势诱导衰减效应的方法龚铁裕，相海涛，黎文（晶澳太阳能投资（中国）有限公司，上海２００４３６）摘要针对光伏电站组件特有的潜在电势诱导衰减（ＰＩＤ）效应，从光伏电站电气和环境诱因等方面介绍了组件功率衰减的机理，研究了组件ＰＩＤ的再恢复效应和方法。在此基础上，开发了一种适合用于集中式光伏电站的抗ＰＩＤ专用设备，可用于已建成电站的系统升级和改造，使组件在现场实现性能恢复，避免再次衰减，介绍了设备的技术指标、电路结构。实验结果证明，该设备具有良好的实用性和可靠性。关键词潜在电势诱导衰减（ＰＩＤ）；再恢复效应；集中式光伏电站；抗ＰＩＤ设备中图分类号ＴＭ６１５文献标志码Ａ文章编号２０９５－１２５６（２０１４）０４－０５２５－０４ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＡｎｔｉ－ＰＩＤＥｆｆｅｃｔｆｏｒＰＶＰａｎｅｌｓｉｎＰｏｗｅｒＳｔａｔｉｏｎＧｏｎｇＴｉｅｙｕ，ＸｉａｎｇＨａｉｔａｏ，ＬｉＷｅｎ（ＪＡＳｏｌａｒＨｏｌｄｉｎｇｓＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｓｈａｎｇｈａｉ２００４３６，Ｃｈｉｎａ）ＡｂｓｔｒａｃｔＴｈｉｓｐａｐｅｒａｎａｌｙｚｅｓｃｏｎｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｅｌｅｃｔｒｉｃａｎｄｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｅｌｅｍｅｎｔｓｏｆＰＶＰｌａｎｔｔｏｇｉｖｅａｎｉｎｓｉｇｈｔｉｎｔｏｔｈｅｃａｕｓｅｓａｎｄｍｅｃｈａｎｉｓｍｓｏｆＰｏｔｅｎｔｉａｌｌｙＩｎｄｕｃｅｄＤｅｇｒａｄａｔｉｏｎ（ＰＩＤ）ｏｆｔｈｅＰＶｍｏｄｕｌｅｓ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓ，ｍｅｔｈｏｄｓｏｆｒｅ－ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｏｆｔｈｅＰＩＤａｆｆｅｃｔｅｄｍｏｄｕｌｅｓｈａｖｅｂｅｅｎｓｔｕｄｉｅｄ，ａｎｄａｎａｎｔｉ－ＰＩＤｂｏｘｓｕｉｔａｂｌｅｆｏｒｃｅｎｔｒａｌｉｚｅｄＰＶｐｏｗｅｒｓｔａｔｉｏｎｉｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄｔｏｒｅｎｏｖａｔｅｔｈｅｂｕｉｌｔＰＶｐｏｗｅｒｓｔａｔｉｏｎｓ．ＴｈｅＰＩＤｅｑｕｉｐｍｅｎｔｃａｎｒｅｇｅｎｅｒａｔｅｐａｎｅｌｓａｆｆｅｃｔｅｄｗｉｔｈＰＩＤａｎｄｐｒｅｖｅｎｔｒｅｃｕｒｒｅｎｃｅ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎａｎｄｃｉｒｃｕｉｔｔｏｐｏｌｏｇｙｏｆｔｈｉｓｅｑｕｉｐｍｅｎｔｈａｖｅｂｅｅｎｇｉｖｅｎａｎｄｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｏｆｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｖｅｒｉｆｙｔｈａｔｔｈｅａｎｔｉＰＩＤｂｏｘｉｓｐｒａｃｔｉｃａｌａｎｄｒｅｌｉａｂｌｅ．ＫｅｙｗｏｒｄｓＰｏｔｅｎｔｉａｌｉｎｄｕｃｅｄｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ（ＰＩＤ）；Ｒｅｇｅｎｅｒａｔｅｅｆｆｅｃｔ；Ｃｅｎｔｒａｌｉｚｅｄｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃｐｏｗｅｒｓｔａｔｉｏｎ；Ａｎｔｉ－ＰＩＤｅｑｕｉｐｍｅｎｔ０引言近十多年来，光伏并网发电得到了长足的发展，光伏并网发电形式的应用也越来越广泛，但部分光伏电站在运行３～４年甚至更短时间后会出现发电量明显下降的现象，尤以高温潮湿地区更为明显。通过对光伏发电长期的衰减机理理论研究和实验验证，业内将该现象定义为潜在电势诱导衰减（ＰＩＤ）效应。ＰＩＤ效应会引起光伏组件功率衰减，导致光伏电站发电量大幅下降，造成极大经济损失，因此消除电站组件的ＰＩＤ效应对光伏产业来说意义重大。１ＰＩＤ效应产生机理ＰＩＤ效应是美国著名光伏制造商ＳｕｎＰｏｗｅｒ在２００５年发现的，光伏组件长时间在高电压作用下使得玻璃、封装材料和边框之间存在漏电流，如图１所示。图１光伏组件内部ＰＩＤ成因示意图大量电荷聚集在电池片表面，使得电池表面的钝化效果恶化，导致光伏组件的填充因子ＦＦ、开路电压Ｕｏｃ、最大功率Ｐｍａｘ显著降低，使组件性能远低于设计标准。尽管当前业界对引起ＰＩＤ效应的原因还没有明确的共识，但各光伏组件厂商和研究机构的大量实验数据表明，环境温度、湿度、组件方阵系５２５龚铁裕，等解决光伏电站组件的抗潜在电势诱导衰减效应的方法统电压的高低、接地方式以及组件材料工艺的选择都是影响ＰＩＤ效应的关键因素。文献［１］提出，采取抗ＰＩＤ材料和改进工艺的方法可以抑制ＰＩＤ效应，比如采用石英玻璃代替普通玻璃，来避免钠离子的析出；使用低醋酸乙烯含量的乙烯－醋酸乙烯共聚物（ＥＶＡ）、选取含Ｓｉ多的减反层和选择新型的背板和硅胶来降低水汽进入组件的程度等。除了采用抗ＰＩＤ材料和工艺来降低ＰＩＤ出现的风险外，从光伏电站系统的设计上采用电池阵列负极接地的方式，来去除组件承受的边框－电极间的电压这一诱因，也可很好地避免ＰＩＤ现象的出现［２］。２ＰＩＤ效应解决方案采用抗ＰＩＤ材料和工艺只能降低组件出现ＰＩＤ现象的风险，而采用组件负极接地这种形式也具有一定的局限性。首先并网逆变器直流输入端必须具备负极接地功能，其次如果系统采用非隔离的并网逆变器，组件阵列和电网间没有电气隔离，逆变器工作时系统会出现漏电流的危险，触发漏电保护，另外组件负极接地，也增加了直流侧漏电的可能，必须增加额外的漏电检测以及保护装置。已建成的光伏电站如果出现了ＰＩＤ现象，一般需要更换功率衰减严重的组件，并采用电池阵列负极接地措施来去除偏置电压这个诱因。这两个措施都需要对系统进行大范围的改造，如采用耐压更高的直流配电线缆、增加漏电保护装置甚至要更换并网逆变器，这需要极大的改造成本。实验研究证明，如对组件电极和边框之间施加一定的恢复电压，在经过一段时间后出现ＰＩＤ现象的组件性能可以得到恢复［３－５］。根据这个研究成果，对已建成的集中式光伏电站开发了一种ＰＩＤ修复和抑制设备。该设备根据电离可逆原理，夜间通过在组串电极和边框之间施加直流电压来修复电离的方法，在不影响系统发电的前提下，达到修复组件ＰＩＤ的目的。３抗ＰＩＤ设备开发抗ＰＩＤ设备具有如下特点一是采用长寿命的精准时钟开关，设定设备夜间工作的时段；二是内置１０００Ｖ／５００Ａ的接触器，最大可为２００ｋＷ的光伏阵列进行修复并抑制再次衰减，设备工作时断开电池阵列与逆变器的连接，设备输出的恢复电压不会影响并网逆变器安全；三是具备诊断功能，根据组串各项性能参数自主决定是否施加恢复电压，把对组件绝缘可能产生的影响减少到最小。３．１技术指标抗ＰＩＤ设备的技术指标如表１所示。表１抗ＰＩＤ设备技术指标指标类型指标值最大ＰＶ电压／Ｖ１０００最小ＭＰＰ电压（逆变器反馈模式）／Ｖ７５最大ＰＶ电压（偏置电压输出模式）／Ｖ５０最小绝缘阻抗／ｋ Ω ５对地输出电压／Ｖ６００～９００最大输出电流／ｍＡ２５３．２拓扑结构抗ＰＩＤ设备的拓扑结构如图２所示，整个设备由功率电路部分和控制检测电路部分组成。图２抗ＰＩＤ设备拓扑结构图１）功率电路主要由ＡＣ－ＤＣ、ＤＣ－ＤＣ两部分组成。前级采用由市电供电的电源模块，输出２４Ｖ直流电压给后级推挽正激电路和接触器线圈控制供电，后级采用ＳＧ３５２５控制的推挽正激电路经全桥整流后，输出６００～９００Ｖ可调电压施加于组件的电极和边框之间。２）检测控制电路，主要实现对系统的逻辑控制，为系统提供软件保护和通信显示等功能。其中，逻辑控制部分关系到抗ＰＩＤ设备和逆变设备的安全可靠运行，是整个设备的关键。系统控制逻辑流程图如图３所示。４实验结果选取８块发生ＰＩＤ衰减的２５０Ｗ组件使用抗ＰＩＤ设备进行修复，组件恢复前后测试数据平均值如表２所示。６２５龚铁裕，等解决光伏电站组件的抗潜在电势诱导衰减效应的方法图３系统控制逻辑流程图表２组件恢复前后测试数据平均值组件恢复前后ＵｏｃＩｓｃＰｍｐＲｓｒＦＦＵｍｐＩｍｐ原始值３４．６８．６１８４．００．７６１．１２５．７７．１恢复后３８．１８．５２３１．５０．４７５．７３１．２７．８由表２可知，修复后组件平均的最大功率Ｐｍｐ、最大功率点电压Ｕｍｐ和电流Ｉｍｐ均有所提升，平均串联阻抗Ｒｓｒ降低，平均填充因子ＦＦ变大。组件平均功率提高了约２５．８％，组件性能恢复明显。修复前后组件电致发光（ＥＬ）检测图像如图４所示。经过修复后，组件ＰＩＤ衰减后再恢复效果明显，证明了方案的可行性。５结论１）本文从并网光伏电站的电气和环境诱因图４修复前后组件ＥＬ图像等方面分析了引起功率衰减的原因，在此基础上研究分析了组件ＰＩＤ衰减的再恢复效应和方法。２）针对集中式光伏电站的ＰＩＤ修复和抑制提出了一种施加偏置电压的解决方案，实验结果证明了方案的可行性。参考文献［１］曹培亮．浅谈晶体硅太阳电池组件ＰＩＤ效应［Ｊ］．科技风，２０１３（１４）１５．［２］姚明，郭积晶．基于电池组件ＰＩＤ效应的光伏逆变器设计［Ｊ］．大功率变流技术，２０１４（０３）４９－５１＋５９．［３］ＬａｕｓｃｈＤ，ＮａｕｍａｎｎＶ，ＢｒｅｉｔｅｎｓｔｅｉｎＯ，ｅｔａｌ．Ｐｏｔｅｎｔｉａｌ－Ｉｎ－ｄｕｃｅｄＤｅｇｒａｄａｔｉｏｎ（ＰＩＤ）ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎｏｆａＮｏｖｅｌＴｅｓｔＡｐｐｒｏａｃｈａｎｄＥｘｐｌａｎａｔｉｏｎｏｆＩｎｃｒｅａｓｅｄＤｅｐｌｅｔｉｏｎＲｅｇｉｏｎＲｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ［Ｊ］．２０１４．［４］ＨＮａｇｅｌ，ＡＭｅｔｚ，ａｎｄＫＷａｎｇｅｍａｎｎ．ＣｒｙｓｔａｌｌｉｎｅＳｉｓｏｌａｒｃｅｌｌｓａｎｄｍｏｄｕｌｅｓｆｅａｔｕｒｉｎｇｅｘｃｅｌｌｅｎｔｓｔａｂｉｌｉｔｙａｇａｉｎｓｔｐｏｔｅｎ－ｔｉａｌ－ｉｎｄｕｃｅｄｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ［Ｃ］．ＩｎＰｒｏｃ．２６ｔｈＥｕｒ．Ｐｈｏｔｏｖｏｌ－ｔａｉｃＳｏｌ．ＥｎｅｒｇｙＣｏｎｆ．Ｅｘｈｉｂ．，Ｈａｍｂｕｒｇ，Ｇｅｒｍａｎｙ，２０１１，３１０７－３１１２．［５］Ｍ．Ｓｃｈｕｔｚｅ，Ｍ．Ｊｕｎｇｈａｎｅｌ，Ｏ．Ｆｒｉｅｄｒｉｃｈｓ，ｅｔａｌ．Ｉｎｖｅｓｔｉ－ｇａｔｉｏｎｓｏｆｐｏｔｅｎｔｉａｌｉｎｄｕｃｅｄｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎｏｆｓｉｌｉｃｏｎｐｈｏｔｏｖｏｌ－ｔａｉｃｍｏｄｕｌｅｓ［Ｃ］．Ｐｒｅｓｅｎｔｅｄａｔｔｈｅ２６ｔｈＥｕｒ．ＰｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃＳｏｌａｒＥｎｅｒｇｙＣｏｎｆ．Ｅｘｈｉｂ．，Ｈａｍｂｕｒｇ，Ｇｅｒｍａｎｙ，２０１１．收稿日期２０１４－０５－２０作者简介龚铁裕（１９７８－），男，工程师，硕士研究生，从事集中式及分布式太阳能光伏发电以及光伏储能并网系统研究。（责任编辑赵艳粉櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚）特斯拉独立充电立场向中国倾斜据北京晨报２０１４年８月６日报道高调进入中国市场的特斯拉，因充电设施的不完善，并没有在中国开拓更大的市场。不过，这种情况有可能随着特斯拉在充电标准上的妥协得到改变。特斯拉更改标准，核心目的是让车主获得便利的充电。但目前特斯拉在中国建成的只有７家超级充电站，离方便的充电体系仍然有相当远的距离。目前全球有四大电动车充电标准，分别为中国、日本、特斯拉和欧美标准。随着电动汽车在各个国家受到的扶持越来越大，充电站建设也越来越多，各国标准和特斯拉已经面对面直接冲突。，特斯拉中国团队最后决定采用中国标准，放弃对充电标准的控制。这样产生的有利效果是，特斯拉车主可以借用中国政府力量下建立的庞大充电网络充电，以此来提升特斯拉的产品销量。７２５