pid光伏組件批量恢復時單片正向恢復電壓的理論研究

1、pid光伏組件批量恢復時單片正向恢復電壓的理論研究摘要：目前在光伏電站中，晶硅pid（電勢誘導衰減）組件功率批量恢復方法一般是在直流側負極總輸出端和接地端之間持續(xù)施加一定大小的正向電壓，考慮到組件在組串中相互串聯(lián)及各片邊框接地的特點，實際單片組件上所得的恢復電壓大小與組件自身電阻、組件對地絕緣電阻及組件串聯(lián)數量有關。本文從組件電路模型及組串陣列的結構出發(fā)，建立組串中單片組件恢復電壓大小的計算模型，初步得出了該電壓的通用計算公式，并對組件自身電阻、絕緣電阻值的高低及組件串聯(lián)數量對該電壓的影響及該公式計算值的誤差進行了分析。關鍵詞：pid組件批量恢復；正向恢復電壓；絕緣電阻；光伏組件；陣列組串前言

2、最近幾年中晶硅組件的pid現象受到光伏各界人士的廣泛關注，一旦出現了pid問題，將直接影響到整個電站的功率輸出，嚴重的將導致功率輸出衰減50%以上。目前國內外許多企業(yè)和研究機構已經對此問題展開了深入研究，如pid的產生機理，pid組件的測試方法及功率恢復等等12。對于pid組件恢復，在實驗室內，一般的做法是將單塊或若干塊組件放置在老化實驗箱內，組件的正負極輸出端短接后與單（多）通道pid恢復電源的正1000v連接，組件邊框與電源的接地端連接，可參考圖1。一般而言，pid組件功率恢復的快慢與施加電壓的大小、環(huán)境的溫度和濕度有關，較高的環(huán)境溫度、濕度和施加電壓都有利于恢復，經過正向加壓一段時間后，

3、盡管不同的pid組件會有不同程度的功率恢復，但最大仍可恢復至原來的80%以上。圖1 實驗室pid正向加壓恢復方法示意圖而在戶外電站中，若發(fā)生了大面積的組件pid現象，目前較為可行的方法是進行批量恢復，即在夜間對逆變器直流側的負極總輸出端和接地端之間施加正向電壓。關于pid恢復設備，對于小型系統(tǒng)，國外著名逆變器廠家sma針對30kw以下的組串式系統(tǒng)而研發(fā)的offset box可靈活設置輻照度等相關參數，使得低于某一輻照值，設備自動開啟加壓，而高于某一輻照值，設備自動關閉，保證白天正常發(fā)電34。對于稍大規(guī)模系統(tǒng)如500kw-600kw，國內已經有開發(fā)出來相應的pid恢復系統(tǒng)，應用上則更為智能化，目

4、前已經投入市場并在實際電站中使用。另組件系統(tǒng)最大承受電壓為1000v，因此這些設備實際施加的電壓大小也不超過1000v。此外，在方陣布置形式上，一般20片或22片組件先相互串聯(lián)成串，然后每個組串相互并聯(lián)，同時各片組件邊框都是可靠接地的，若pid恢復系統(tǒng)在整個方陣的總輸出端負極側和接地端之間施加1000v，由于單塊組件自身體電阻的存在，主要是原材料體電阻，因此組串中各片組件上實際所施加電壓并非為1000v大小。本文主題正是探討單片組件上所分配的電壓大小，并從電站中的組件電路模型出發(fā)，對整個組串的電路進行簡化計算，得出了該電壓和組件自身電阻、組件負極對地絕緣電阻、組件串聯(lián)數量的關系式，并主要討論組

5、件自身電阻和負極對地絕緣電阻對該電壓大小的影響。圖2 戶外系統(tǒng)pid恢復方法（來源：sma組串小系統(tǒng)pid恢復電源offset box）3一、pid組件電壓模型電站中的光伏組件正負極對地電路近似等效模型如圖3和圖4所示，當組件正常發(fā)電時，組件自身電阻可以用串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻表示，rs為組件的串聯(lián)電阻（包括電池片的串阻、接線盒線纜電阻、焊帶電阻、焊帶與電極的接觸電阻、輔材體電阻等），rp為組件并聯(lián)電阻，riso為組件正極或負極對大地的絕緣電阻，一般為兆歐級別。當無光照時，組件自身電阻用r表示，一般為歐姆級別，由于夜間組件電阻值實際大小分析較為復雜，涉及到溫度對原材料的影響，在本文討論范圍之外，從

6、電路結構來講，可近似等效于整體的r表示，并與絕緣電阻是并聯(lián)關系。圖3 正常發(fā)電時的組件正負對地等效電路模型 圖4 無光照時組件正負對地等效電路模型二、單片組件恢復電壓公式推導假設n塊組件相互串聯(lián)，如圖5。組串施加電壓u0=1000v，第一塊組件的絕緣電阻、組件自身電阻可分別表示為riso1+、riso1-、r1，第n片組件為riso n+、rison-、rn。由于在夜間，各組件的自身電阻值和絕緣電阻值的測試較難，為簡單計算起見，假設各片組件在自身電阻和絕緣電阻值上均為一致，即各片組件的自身電阻相同，正負對地絕緣電阻值也相同。此外pid現象是由于電池負極側和玻璃及邊框之間存在負偏壓，恢復時正向電

7、壓是加在負極側和接地端的絕緣電阻上，單片恢復電壓結合圖5進行求解。圖5根據圖5電路關系，可求得第n片（2nn）組件上正向恢復電壓的大小公式：（1）其中負極側第一片組件u1=1000v；un:第n塊組件上實際施加的電壓值；n：串聯(lián)組件數量；r：組件自身電阻；riso：絕緣電阻值。三、組件自身電阻r、組件對地絕緣電阻riso和組件串聯(lián)數對恢復電壓大小的影響假設某電站pid恢復系統(tǒng)夜間對500kw系統(tǒng)施加正向恢復電壓1000v，其系統(tǒng)總的絕緣電阻值、漏電流和設備輸出功率均符合設備的參數要求，由于系統(tǒng)內各組串并聯(lián)連接，可取其中一串進行分析。假設組件20片相互串聯(lián)，組件正負極對地絕緣電阻均為100m，代

8、入（1）式可求得負極側第一片組件至第二十片組件施加電壓大小。圖6和圖7為正向恢復電壓隨著組件自身電阻而變化的曲線，當絕緣電阻值一定的情況下（這里假設自身電阻分別是10m和100m），組件自身電阻越低，則實際分得的電壓值也越高，當然組串中不同的組件位置，電壓也不同，一般組串中最靠近負極側的第一片占據有利優(yōu)勢，所分配的電壓值高于其余組件，從第一片至最后一片，其電壓值逐漸降低。圖8為絕緣電阻值的影響關系，當自身電阻值一定的情況下（這里假設自身電阻r=10時），絕緣電阻越高，則各片實際所施加電壓也越高。絕緣電阻值在1m和2m時，組件最高所施加電壓和最低電壓相差2v和4v左右，絕緣電阻值大于4m以上，電

9、壓相差1v以內。圖9為組件串聯(lián)數量的影響關系，組件串聯(lián)數量越多，單片所分配的正向電壓也就越小。因此pid組件恢復前，可分別測試單片組件正負極的對地絕緣電阻或逆變器直流側正負極對地絕緣電阻值，這樣可大概估算實際組件所分配的恢復電壓大小。圖6 組件自身電阻對恢復電壓的影響（ u0=1000v，riso=10m，n=20）圖7 組件自身電阻對恢復電壓的影響（ u0=1000v，riso=100m，n=20）圖8 組件絕緣電阻對恢復電壓的影響（ u0=1000v，r=10，n=20）圖9 組件自身電阻對恢復電壓的影響（ u0=1000v，riso=100m，r=10）四、誤差分析前文所推導正向恢復電壓

10、公式（1）是在簡化復雜電路的基礎上進行推導的，雖然不能精確反映實際的電壓大小，但如果誤差足夠小的話很大程度上可以反映單片組件施加的電壓值，為說明該計算公式的誤差，下面以3片組件串聯(lián)為例進行對比，如圖10所示：圖10 誤差分析假設初始條件：r=10；riso=1m；n=3；根據電路可求得：rx-1434783；rx-2333334.4，則進一步可求得ua，uc，ue。與公式法計算的值進行對比，結果如表1所示，可見實際的誤差很小，若組件串聯(lián)數增加，絕緣電阻值增大，該誤差將進一步縮小。表1五、小結目前電站中pid組件恢復時一般對組串施加一定大小的正向電壓，本文從理論上對組串單片組件的恢復電壓進行了簡

11、化計算和分析，從關系式可知組件自身電阻和絕緣電阻的高低均對該電壓有一定程度的影響。通過具體實例分析結果，組件自身電阻值的影響程度較弱，因組件自身電阻值和絕緣電阻值相比懸殊較大，絕緣電阻為兆歐級別。一般絕緣電阻值越大，各組件理論上所施加的電壓差異則越小，這樣組件自身的電阻幾乎忽略不計，因此電站上批量對方陣或逆變器的直流側負極與接地端之間加壓恢復是完全可行的，具體操作時可以根據實際組串的絕緣電阻測試值對各片組件的恢復電壓進行估算。六、參考文獻1.s. pingel, o. frank, m. winkler, s. daryan, t. geipel, h. hoehne, and j. berg

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