光伏发电系统得了“风湿病”怎么办?

2016年6月，八个新的光伏“领跑者”基地审批通过，其中多个基地是水面光伏电站应用场景，如何预防新建电站不会得“风湿病”显得迫切重要。只有清晰地了解光伏系统“风湿病”的“病因”，并有针对性的开出药方，才能从根本上治好“风湿病”，保障电站25年生命周期内最大收益。

在走访一些潮湿环境的光伏发电系统过程中，一个经常被提到的问题是光伏发电系统运行一段时间后，发电量下降明显，导致电站收益大幅降低，严重损害了业主的利益。经现场测试发现，多个光伏发电系统在建成一至两年后，有的背板组件功率大幅衰减(见表1)，部分背板组件功率衰减高达50%以上，而组件功率衰减正是导致光伏系统发电量下降的重要原因之一。

表一 某实际电站中组件发生PID现象前后的各指标对比

为何光伏发电系统会得“风湿病”?

组件功率衰减对系统发电量的影响巨大，而引发组件功率衰减的原因很多，如光致衰减、老化衰减、隐裂、电池片破裂等，其中重要原因之一是组件PID效应，组件PID效应是因为负极对地电压小于0，导致组件电子流失造成了组件功率衰减，让光伏发电系统患上“风湿病”(如图1)。

据了解，造成组件PID的原因也有很多，在潮湿、高温的环境下更容易发生，且湿度越大、温度越高，PID效应越容易发生，所以在东部屋顶、水面等湿度大、温度高的应用场景中，组件PID对光伏电站发电量的影响更加明显。

注：VPE：地电压，VNPE：中性点对地电压，VPG：组串电压

图1 潮湿环境下组件对地电压小于0得了“风湿病”

业内专家分析指出，光伏发电系统是否会患“风湿病”，主要受到两个因素影响：一个因素是光伏组件是否足够强壮，能够抵抗高湿、高温环境;二是光伏组件工作时电气环境是否具有催化作用。两个“病因”同时满足才会导致“风湿病”，只要其中任何一个“病因”不满足，就不会得病。

治疗光伏发电系统“风湿病”的常见药方

解决组件PID，需要解决组件负极对地电压小于0的问题，根据“病因”可以从下面两个方向下药。

第一类药方是让光伏组件更加强壮。组件厂家已经从材料、结构等方面做了大量的工作并取得了一定的进展，例如双玻组件具有非常强的抗PID特性。

第二类药方是消除催化“风湿病”的电气环境。为了消除这种催化“风湿病”的电气环境，很多逆变器厂家都推出了解决方案，得到普遍认可的方案有负极直接接地方案、PID夜间补偿解决方案和阳光电源独创的负极虚拟接地方案等。

接种“疫苗”做好预防工作

在建设光伏发电系统时，如果就接种“疫苗”预防电站得“风湿病”，便可以做到一劳永逸，从逆变器改善电气环境的角度，专家建议可采用以下三种方案预防。

方案1

负极直接接地方案

负极直接接地方案是将电池板或逆变器的负极通过电阻或保险丝直接接地，让负极对地电压大于0，该方案多用于集中式逆变器(如图2)。

图2 负极直接接地方案

方案2

集中式负极虚拟接地方案

负极虚拟接地方案是阳光电源首创并具有发明专利的方案，对预防光伏电站得“风湿病”效果显著。阳光电源每台集中式逆变器交流侧都会配套一个PID防护模块，包括电压调整装置和模拟中性点装置，通过电路结构构造与直流侧中点电位相等的等效中性点，电压调整装置将等效点电位抬升时，组件负极对地电压相应高于地面电压，达到负极虚拟接地目的(如图3)。

图3 集中式虚拟负极接地方案

方案3

组串式负极虚拟接地方案

由于组串式与集中式逆变器的组网形式不同，两种类型逆变器负极虚拟接地方案在防PID装置的交流接入点、安装位置、获取负极对地电压方式等方面有所区别，组串式方案中一个单元阵列逆变器会配套一个PID防护装置。方案实现原理与集中式负极接地方案原理一致，通过PID防护装置，将方阵内所有组件负极电位抬升，保证负极电位最低的组件负极电压高于地面电压，达到负极虚拟接地目的(如图4)。

注：P1~P3、G1~G3分别是组串1~ 3组串的正极和负极

图4 组串式虚拟负极接地方案

修复功能是治疗“风湿病”良方

光伏发电系统在建设时接种“疫苗”可以有效预防得“风湿病”，但是祸福难料，保不齐哪天就会发生组件PID，同时在电站并网之前也会有一定程度的组件功率衰减，导致患上轻度“风湿病”，得病之后的组件功率恢复也同样重要。

据介绍，阳光电源集中式逆变器所配套的PID防护模块除了具备预防功能，还具备行业独有的夜间修复功能，可以治疗组件“风湿病”。PID防护模块利用组件发生PID问题的可逆性原理，在夜间逆变器停止工作时段内，对电池板施加反向电压，将组件流失的电子重新赶回去，修复白天发生PID现象的电池板。

阳光电源从2011年就开始针对组件PID问题进行了深入研究，2013年2月率先提出负极虚拟接地的PID防护方案并申请发明专利，2015年5月获得国家专利局的发明专利最终授权。截止目前，阳光电源已经申请了14项与PID有关的专利。阳光电源逆变器标配的PID防护模块，充分利用了这些专利成果，同时拥有预防和修复双重功能，广泛应用于光伏电站，预防和治愈了多个电站的“风湿病”。

案例1

具备防PID功能的逆变器大幅提升发电损失

以某实际电站为例，选取此电站同一地点、各种条件基本相同的两个光伏方阵，其中A区采用不具备防PID功能的集中式逆变器，B区采用阳光电源具备防PID功能的集中式逆变器。经过统计发现，安装PID防护模块的集中式逆变器可以有效地防止组件PID衰减，相对于不具备防PID功能的方阵，10个月后，具备防PID功能的方阵发电收益提升超过10%，且提升幅度随着时间会逐步增加(见表2)。

表2 有PID防护模块和无PID防护模块的电站发电量对比

案例2

PID防护模块夜间修复组件各项指标

中广核深圳机场光伏发电系统在建设前期未考虑组件PID影响，发生PID后，通过现场安装阳光电源生产的PID防护模块，经过6个夜间(42小时)修复，组件各项指标参数恢复正常(见表3)。

表3 已出现PID的组件经PID模块修复后的实际效果

组件PID衰减对光伏电站发电量影响巨大，特别在温度高、湿度大的东部地区分布式屋顶、水面等应用场景。实际电站运行数据显示，阳光电源研发的PID防护模块有效地避免了组件发生PID效应，同时可对已发生PID问题的组件进行修复，成为治疗“风湿病”的良方。在后续的光伏“领跑者”基地会大量建设水面光伏电站，采用阳光电源提供的PID防护解决方案，保障光伏系统不会得“风湿病”。