1.1PID效應的發(fā)現和成因

PID效應(Potential Induced Degradation)全稱為電勢誘導衰減。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)現晶硅N型電池在組件中施加正高壓后存在PID現象。2008年，Ever green公司報道了P型電池組件的PID效應。但是目前還沒有明確的證據能夠證明一個工作了五年的光伏電站，組件的輸出功率驟降就是因為PID效應引起的。不過近年光伏行業(yè)對電池組件的PID效應還是引起了足夠的重視。德國測試企業(yè)TUV發(fā)布了他們的建議標準： TC82標準化(82/685 / NP) 溫度、濕度、偏置電壓、導體,上述參數測試的主要環(huán)境數據。

目前光伏行業(yè)比較認可的一種PID效應成因是：隨著光伏系統(tǒng)大規(guī)模應用，系統(tǒng)電壓越來愈高，電池組件往往20-22塊串聯(lián)才能達到逆變器的MPPT工作電壓。這就導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入組件內部。EVA的酯鍵在遇到水后按下面的過程發(fā)生分解，產生可以自由移動的醋酸。醋酸和玻璃表面堿反應后，產生了鈉離子。鈉離子在外加電場的作用下向電池片表面移動并富集到減反層而導致PID現象的產生(圖1-1為PID效應產生的原理圖)。

文獻[2]中提到了一個化學現象。已經衰減的電池組件在100℃左右的溫度下烘干100小時以后,由PID引起的衰減現象消失了。從而得到一個結論：某些引起PID衰減的過程是可逆的。當然在實際工程中，高溫加熱組件的這種方式不現實，不可能大規(guī)模應用。德國的SAM一個專利技術是針對PID效應的“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。該方法需要一個叫PID BOX的設備，使用時需要把PID BOX并聯(lián)在組件正負極上。夜間，PID BOX將組件的正負極進行短接，同時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，恢復電池片PN結中的電子。如圖1-2

1.2PID效應的危害和測試方法

1.2.1 PID效應的危害

PID效應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結中的電子損失的越來越多，導電性能越來越差。導致電池組件的發(fā)電性能下降。最多能達到50%甚至更高。

圖1-4所示 編號為ET-P660FLZW845723 電池組件，項目地點為江蘇泗洪的某漁光互補電站。(鋪設在魚塘上面)

圖1-5所示 編號為ET-P660FLZW797159 電池組件，項目地點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，項目地點為內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實驗室使用EL測試儀測試的紅外圖。圖1-5為現場拆卸返廠后的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衰減的現象特別嚴重，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)光成像技術已被絕大部分太陽能電池和組件廠家使用，用于檢測產品的潛在缺陷，控制產品質量。

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)光依靠從擴散區(qū)注入的大量非平衡載流子不斷地復合發(fā)光，放出光子;再利用CCD相機捕捉到這些光子，通過計算機進行處理后顯示出來，整個的測試過程是在暗室中進行。

EL圖像的亮度正比于電池片的少子擴散長度與電流密度，有缺陷的地方，少子擴散長度較低，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)現電池組件中的電池片缺陷。

1.3PID效應的預防和恢復方案

PID效應并非不可預防和恢復，目前國內外工程施工中為了預防PID效應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極接地解決方案;組串逆變器并聯(lián)時的單點接地解決方案;以SMA為代表的PID夜間補償解決方案。

1.3.1 集中式逆變器負極接地

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

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

(I)增加GFDI(直流對地故障檢測)

由于整個系統(tǒng)負極接地,如果絕緣出現故障,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的,所以逆變器應采用具有GFDI裝置的內部接地設計, 如果發(fā)生PV+對地故障，可以將GFDI保險絲熔斷或者使短路開關跳脫。依據UL1741標準大于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，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绷鱾认到y(tǒng)電壓。電壓瞬變產生了I/O信號,逆變器產生了報警信號。逆變器停止運行，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IEC62109，非隔離型并網逆變器需要在開機前進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

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

1.3.2 組串式逆變器并聯(lián)后負極接地

在分布式系統(tǒng)中,使用組串式逆變器,PID現象的發(fā)生同樣不可避免。負極接地同樣是一種行之有效的預防措施，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;
d) 1#內部中點N1對負極電壓PV1-的電壓為1/2Vb1，即VN1=1/2Vb1+ VPV1-;
e) 2#內部中點N2對其負極電壓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)中性點點位);
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#負極接地，電位為零。則光伏逆變器2#的負極也約等于零。

上述2臺逆變器接地的推導過程,同理可以得出:

N個組串式并聯(lián)的逆變系統(tǒng)中如果輸出側同接一個雙繞組變壓器，那么這個系統(tǒng)只要將其中一臺逆變器的負極接地，整個系統(tǒng)中所有并聯(lián)的逆變器負極電位也基本為零，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功能，在“單點虛擬接地”系統(tǒng)中，只要1臺逆變器直流輸入負極單點接地，其他組串式逆變器漏電流保護功能仍然能夠正常工作，同時組串逆變器的功率不是特別大，漏電流很小。假設正極對大地放電，組串逆變器的漏電流不會很大,也就不會出現不可控的后果。

1.3.3 PID恢復方案

使用負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的光伏電站。對于已經發(fā)生PID現象的光伏電站，該方法只能阻止PID深化，不能對組件功率進行恢復。

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

1.3.3.1系統(tǒng)整體框圖

PVOB設備系統(tǒng)構成如圖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(包括交直流轉換模塊和直流400V-1000V電源轉換模塊)、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模塊實現其既定功能。

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，進行狀態(tài)和模式判斷，以確定系統(tǒng)控制操作的項目類型;CPU控制單元同時可以控制400V-1000V電壓源模塊的輸出，以完成設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現原理。

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等進行采集，并進行數據分析，已確認PV偏壓的輸出模式、開始時間、電壓大小和結束時間等，并根據各種信息進行運行狀態(tài)和告警判斷，并輸出相應的狀態(tài)信息。其硬件控制框圖如圖1-12。

1.3.3.3電源部分

電源部分有兩個模塊組成，一個模塊是交流直流轉換電路，該部分實現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;一個模塊是400V-1000V可調直流升壓電源電路，該部分的電壓輸出模式、時間、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恢復效果

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

使用PVOB產品恢復20天后EL測試紅外圖片(中);

使用PVOB產品恢復40天后EL測試紅外圖片(右)。

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

使用ET的PIDFB產品恢復20天后EL測試紅外圖片(中);

使用ET的PIDFB產品恢復40天后EL測試紅外圖片(右)。

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

實驗證明電池組件PID恢復設備，在恢復電池組件發(fā)電能力的效果是明顯的。

1.4小結

本章主要介紹了影響太陽能發(fā)電效能的PID現象和危害。用工程應用的實例介紹了PID現象的EL測試方法,并從電站設計的角度介紹了目前能夠大面積推廣的“負極接地”預防措施，通過簡單的改造逆變器使得新建太陽能發(fā)電站免受PID效應的影響。最后介紹了一種PID效應恢復方法，并通過實際的實驗室數據和照片，證明了這項技術的可行性。

同時需要指出的是，目前國內外的電池組件生產廠家、科研機構、各大光伏實驗室和測試機構都沒有找出造成PID效應的真正原因。但是，要想徹底解決PID效應，業(yè)內公認的研究方向是 EVA、玻璃、背板材料、封裝材料的重新組合。

參考文獻：

【1】張喆 徐亮.PID效應的原因和解決辦法[J].科技研究.2014(24)
【2】曹培亮. 淺談晶體硅太陽電池組件PID效應. [期刊論文].科技風.2013(14)
【3】Y. Takahashi, Y. Kaji, A. Ogane,Y. Uraoka and T. Fuyuki,"-Luminoscopy- Novel Tool for theDiagnosis of Crystalline Siliconsolar cells and Modules Utilizing Electroluminescence", IEEE, 2006,pp.924-927
【4】Takashi Fuyuki, Yasue Kaji,Akiyoshi Ogane, and Yu Takahashi,"ANALTIC FINDINGS IN THE PHOTOGRAPHICCHARACTERIZATION OF CRYSTALLINESILICON SOLAR CELLS USINGELECTROLUMINESCENCE", IEEE, 2006,pp.905-907

文章來源：古瑞瓦特 張喆