pid光伏組件批量恢復(fù)時(shí)單片正向恢復(fù)電壓的理論研究

1、pid光伏組件批量恢復(fù)時(shí)單片正向恢復(fù)電壓的理論研究摘要：目前在光伏電站中，晶硅pid（電勢(shì)誘導(dǎo)衰減）組件功率批量恢復(fù)方法一般是在直流側(cè)負(fù)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(diǎn)，實(shí)際單片組件上所得的恢復(fù)電壓大小與組件自身電阻、組件對(duì)地絕緣電阻及組件串聯(lián)數(shù)量有關(guān)。本文從組件電路模型及組串陣列的結(jié)構(gòu)出發(fā)，建立組串中單片組件恢復(fù)電壓大小的計(jì)算模型，初步得出了該電壓的通用計(jì)算公式，并對(duì)組件自身電阻、絕緣電阻值的高低及組件串聯(lián)數(shù)量對(duì)該電壓的影響及該公式計(jì)算值的誤差進(jìn)行了分析。關(guān)鍵詞：pid組件批量恢復(fù)；正向恢復(fù)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(xiàn)象受到光伏各界人士的廣泛關(guān)注，一旦出現(xiàn)了pid問(wèn)題，將直接影響到整個(gè)電站的功率輸出，嚴(yán)重的將導(dǎo)致功率輸出衰減50%以上。目前國(guó)內(nèi)外許多企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)對(duì)此問(wèn)題展開(kāi)了深入研究，如pid的產(chǎn)生機(jī)理，pid組件的測(cè)試方法及功率恢復(fù)等等12。對(duì)于pid組件恢復(fù)，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，一般的做法是將單塊或若干塊組件放置在老化實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)，組件的正負(fù)極輸出端短接后與單（多）通道pid恢復(fù)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(fù)的快慢與施加電壓的大小、環(huán)境的溫度和濕度有關(guān)，較高的環(huán)境溫度、濕度和施加電壓都有利于恢復(fù)，經(jīng)過(guò)正向加壓一段時(shí)間后，

3、盡管不同的pid組件會(huì)有不同程度的功率恢復(fù)，但最大仍可恢復(fù)至原來(lái)的80%以上。圖1 實(shí)驗(yàn)室pid正向加壓恢復(fù)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(xiàn)象，目前較為可行的方法是進(jìn)行批量恢復(fù)，即在夜間對(duì)逆變器直流側(cè)的負(fù)極總輸出端和接地端之間施加正向電壓。關(guān)于pid恢復(fù)設(shè)備，對(duì)于小型系統(tǒng)，國(guó)外著名逆變器廠家sma針對(duì)30kw以下的組串式系統(tǒng)而研發(fā)的offset box可靈活設(shè)置輻照度等相關(guān)參數(shù)，使得低于某一輻照值，設(shè)備自動(dòng)開(kāi)啟加壓，而高于某一輻照值，設(shè)備自動(dòng)關(guān)閉，保證白天正常發(fā)電34。對(duì)于稍大規(guī)模系統(tǒng)如500kw-600kw，國(guó)內(nèi)已經(jīng)有開(kāi)發(fā)出來(lái)相應(yīng)的pid恢復(fù)系統(tǒng)，應(yīng)用上則更為智能化，目

4、前已經(jīng)投入市場(chǎng)并在實(shí)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(shè)備實(shí)際施加的電壓大小也不超過(guò)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(gè)組串相互并聯(lián)，同時(shí)各片組件邊框都是可靠接地的，若pid恢復(fù)系統(tǒng)在整個(gè)方陣的總輸出端負(fù)極側(cè)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(shí)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(duì)整個(gè)組串的電路進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算，得出了該電壓和組件自身電阻、組件負(fù)極對(duì)地絕緣電阻、組件串聯(lián)數(shù)量的關(guān)系式，并主要討論組

5、件自身電阻和負(fù)極對(duì)地絕緣電阻對(duì)該電壓大小的影響。圖2 戶外系統(tǒng)pid恢復(fù)方法（來(lái)源：sma組串小系統(tǒng)pid恢復(fù)電源offset box）3一、pid組件電壓模型電站中的光伏組件正負(fù)極對(duì)地電路近似等效模型如圖3和圖4所示，當(dāng)組件正常發(fā)電時(shí)，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(fù)極對(duì)大地的絕緣電阻，一般為兆歐級(jí)別。當(dāng)無(wú)光照時(shí)，組件自身電阻用r表示，一般為歐姆級(jí)別，由于夜間組件電阻值實(shí)際大小分析較為復(fù)雜，涉及到溫度對(duì)原材料的影響，在本文討論范圍之外，從

6、電路結(jié)構(gòu)來(lái)講，可近似等效于整體的r表示，并與絕緣電阻是并聯(lián)關(guān)系。圖3 正常發(fā)電時(shí)的組件正負(fù)對(duì)地等效電路模型 圖4 無(wú)光照時(shí)組件正負(fù)對(duì)地等效電路模型二、單片組件恢復(fù)電壓公式推導(dǎo)假設(shè)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(cè)試較難，為簡(jiǎn)單計(jì)算起見(jiàn)，假設(shè)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(fù)對(duì)地絕緣電阻值也相同。此外pid現(xiàn)象是由于電池負(fù)極側(cè)和玻璃及邊框之間存在負(fù)偏壓，恢復(fù)時(shí)正向電

7、壓是加在負(fù)極側(cè)和接地端的絕緣電阻上，單片恢復(fù)電壓結(jié)合圖5進(jìn)行求解。圖5根據(jù)圖5電路關(guān)系，可求得第n片（2nn）組件上正向恢復(fù)電壓的大小公式：（1）其中負(fù)極側(cè)第一片組件u1=1000v；un:第n塊組件上實(shí)際施加的電壓值；n：串聯(lián)組件數(shù)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(duì)地絕緣電阻riso和組件串聯(lián)數(shù)對(duì)恢復(fù)電壓大小的影響假設(shè)某電站pid恢復(fù)系統(tǒng)夜間對(duì)500kw系統(tǒng)施加正向恢復(fù)電壓1000v，其系統(tǒng)總的絕緣電阻值、漏電流和設(shè)備輸出功率均符合設(shè)備的參數(shù)要求，由于系統(tǒng)內(nèi)各組串并聯(lián)連接，可取其中一串進(jìn)行分析。假設(shè)組件20片相互串聯(lián)，組件正負(fù)極對(duì)地絕緣電阻均為100m，代

8、入（1）式可求得負(fù)極側(cè)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(fù)電壓隨著組件自身電阻而變化的曲線，當(dāng)絕緣電阻值一定的情況下（這里假設(shè)自身電阻分別是10m和100m），組件自身電阻越低，則實(shí)際分得的電壓值也越高，當(dāng)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(fù)極側(cè)的第一片占據(jù)有利優(yōu)勢(shì)，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(guān)系，當(dāng)自身電阻值一定的情況下（這里假設(shè)自身電阻r=10時(shí)），絕緣電阻越高，則各片實(shí)際所施加電壓也越高。絕緣電阻值在1m和2m時(shí)，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(nèi)。圖9為組件串聯(lián)數(shù)量的影響關(guān)系，組件串聯(lián)數(shù)量越多，單片所分配的正向電壓也就越小。因此pid組件恢復(fù)前，可分別測(cè)試單片組件正負(fù)極的對(duì)地絕緣電阻或逆變器直流側(cè)正負(fù)極對(duì)地絕緣電阻值，這樣可大概估算實(shí)際組件所分配的恢復(fù)電壓大小。圖6 組件自身電阻對(duì)恢復(fù)電壓的影響（ u0=1000v，riso=10m，n=20）圖7 組件自身電阻對(duì)恢復(fù)電壓的影響（ u0=1000v，riso=100m，n=20）圖8 組件絕緣電阻對(duì)恢復(fù)電壓的影響（ u0=1000v，r=10，n=20）圖9 組件自身電阻對(duì)恢復(fù)電壓的影響（ u0=1000v，riso=100m，r=10）四、誤差分析前文所推導(dǎo)正向恢復(fù)電壓

10、公式（1）是在簡(jiǎn)化復(fù)雜電路的基礎(chǔ)上進(jìn)行推導(dǎo)的，雖然不能精確反映實(shí)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(shuō)明該計(jì)算公式的誤差，下面以3片組件串聯(lián)為例進(jìn)行對(duì)比，如圖10所示：圖10 誤差分析假設(shè)初始條件：r=10；riso=1m；n=3；根據(jù)電路可求得：rx-1434783；rx-2333334.4，則進(jìn)一步可求得ua，uc，ue。與公式法計(jì)算的值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表1所示，可見(jiàn)實(shí)際的誤差很小，若組件串聯(lián)數(shù)增加，絕緣電阻值增大，該誤差將進(jìn)一步縮小。表1五、小結(jié)目前電站中pid組件恢復(fù)時(shí)一般對(duì)組串施加一定大小的正向電壓，本文從理論上對(duì)組串單片組件的恢復(fù)電壓進(jìn)行了簡(jiǎn)

11、化計(jì)算和分析，從關(guān)系式可知組件自身電阻和絕緣電阻的高低均對(duì)該電壓有一定程度的影響。通過(guò)具體實(shí)例分析結(jié)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(jí)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(jì)，因此電站上批量對(duì)方陣或逆變器的直流側(cè)負(fù)極與接地端之間加壓恢復(fù)是完全可行的，具體操作時(shí)可以根據(jù)實(shí)際組串的絕緣電阻測(cè)試值對(duì)各片組件的恢復(fù)電壓進(jìn)行估算。六、參考文獻(xiàn)1.s. pingel, o. frank, m. winkler, s. daryan, t. geipel, h. hoehne, and j. berg

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