光伏电站基于PID抑制和PID补偿提升发电效能研究

中广核新能源贵州分公司 郭永刚 罗 康 曾庆钟 陈太刚 王 昊 石国栋 王占明 翟明生

PID补偿装置能将不够稳定的光伏电站的发电效能逐渐稳定，其核心器件具备存储功能、数据分析功能、通讯管理、装置程序自检功能，即白天光伏组串按照正、负发出电能，夜间电压输出模块将对光伏组串负极输出当日白天采集的最高光伏组串电压。以此对光伏组串内负极光伏组件进行PID夜间补偿，对光伏组件PID效应进行抑制的效果得到良好的提升，提升光伏发电站光伏组件运行使用寿命。

基于光伏电站PID抑制效应，是一种因组件内部电路和边框之间存在高偏置电压在湿热环境下出现光伏阵列发电性能衰减的现象，随着光伏组件PID现象的研究越来越深入，对其抑制方法的要求越来越高。针对这一问题，通过对目前研究或应用的光伏组件PID补偿功能的分析研究，预测了光伏组件PID现象抑制方法未来的发展趋势，并提出一种基于具备自学习能力的光伏组件PID补偿系统，夜间进行PID补偿的控制模式，并尽可能提升光伏电站发电能力，从多方面来介绍PID补偿提升发电效能的研究，更为业内解决PID效应提升光伏电站发电效能这一至关重要问题提供了参考。该系统符合PID抑制研究和光伏电站提升效能的趋势。

1 光伏电站PID现象的研究

1.1 PID效应的产生机理

在电势诱导衰减——极端环境高压情况下，导致电流光伏组件功率逐渐降低，各个组件从而形成了大规模的产生漏电、大量电荷囤积在电池表面以及周围。长期以往，能够致使玻璃或者封装等部分在电流的流动下形成开路电压，例如产生开路电压，短路电流皆小幅度的下降，进而造成输出功率明显下降。关于PID的效应机理是当组件承受负电压而产生的，同时电池与金属之间的电势差也将会引起太阳电池的钝化形成相应的影响[1]。

1.2 PID效应的影响因素

从PID效应的出现以以来，研究表明电池内外环境、温度、日照、相关组件以及相关的突发电流流动都将会影响PID效应。自学习的PID补偿装置将会针对此类问题进行相应的改善，保证光伏电站在PID补偿功能下，能够高效的提升发电效能。其中温度和空气中的湿气会导致相关组件的漏电产生，随之影响系统的集成，光伏系统的组件排列的情况，将逆变器负极输出端之间的所有组件处于负偏压之下经过补偿功能的PID效应，把光伏电站漏电现象以及电压突然的转变有较强的效能提升。并且在运行之前是否有无安全检测和组件漏电检测，都将会影响组件电池的正常运行[2]。

1.3 光伏电站PID抑制发展趋势

近年来光伏电站PID抑制发展逐渐出现在视野，同时因光伏电站大量投运、太阳能电池销售量的大幅度提升，从而导致光伏产业的增长率快速提升，成为当下发展最快的新兴产业之一。随着发电行业平价时代的到来，投资新建的光伏电站利润回报率越来越低，市场要求光伏电站光伏组件发电效能年衰减率越来越低，推动各逆变器厂家配套光伏组件PID控制功能。PID控制功能的实现主要有光伏发电系统虚拟接地模式，或光伏发电系统外加PID补偿装置进行抑制[3]。

随着对光伏电站PID控制方式的确定，如何确保光伏发电设备运行稳定性，提升光伏电站发电效能成为逐步需要面对的课题。光伏发电系统虚拟接待PID抑制模式存在其自身特性，对光伏发电系统安全稳定运行留下安全隐患。具备自学习能力的PID补偿装置具备PID抑制虚拟接地所不具备的防止过电压能力，若能结合虚拟接地PID抑制和夜间PID补偿，对于光伏发电系统发电效能提升有较强的实际意义。

辐照度2～30MJ/M2下PID不同控制模式单台逆变器发电量日发电效能平均值对比：不做措施/730.18kWh；仅PID补偿/728.81kWh；仅PID抑制/720.36kWh；PID抑制+补偿/745.72kWh。通过以上对光伏电站不同PID控制模式下发电效能的数据对比发现，当光伏电站同时实施PID白天抑制、夜间补偿控制模式时，光伏电站发电效能提升最为明显。因此本论文创新性的对PID白天抑制、夜间补偿控制模式的可行性进行研究。

2 PID抑制功能对光伏电站的影响

2.1 PID抑制研究现状

虚拟接地PID抑制是人为的抬升光伏组串负极对地电压，使得光伏组串PV-对PE电压形成正电压偏置，就能有效的缓解光伏组件PID效应。

图1 光伏组件PID示意图

PID抑制光伏电池板PID效应的系统，所述系统为在光伏发电系统中的逆变器直流输入侧或光伏组件的输出正、负、地三端接入的PID抑制装置，PID抑制装置能实现使系统负极对地电压不为负，从而抑制组件的电势诱导衰减，充分保证PID抑制装置由闭合式电路系统组成。PID抑制装置的功能可实现使系统负极对地电压不为负，从而抑制光伏电池组件的电势诱导衰减，在抑制功能产生时要注意空气的潮湿度及控制电量衰减的数据，同时当组件处于无法闭环时要先验证系统是否可正常运行，同时要保证在不同湿度与温度的环境下能有安全的抑制功能。

2.2 PID抑制功能对光伏电站交直流系统的影响

根据PID抑制的工作原理，当人为抬升光伏组串负极对地电压时，须在光伏发电系统的交流、直流系统内引入一个直流偏置电压。该直流偏置电压将对属于交流系统的箱变、避雷器、断路器和交流电缆和属于直流系统的光伏专用电缆、逆变器均形成绝缘影响。

PID抑制装置运行，输出直流偏置电压时，箱变交流系统能承受的绝缘值推导情况：

U线=U相，U幅=U相，U附加总电压=U幅+ΔU，U线=800V（箱变线电压额定值），U相=800/=462V（箱变相电压额定值），U幅=相=653V（箱变相电压幅值）。

根据公式推导，PID抑制装置输出直流偏置电压ΔU为500V以上，光伏发电交流系统将承受1100V以上的过电压考验。但光伏电站设计之初仅考虑箱变低压侧额定电压为800V，并未对该直流偏置电压进行考量，最终导致光伏发电交流系统的箱变、交流电缆，甚至避雷器均遭受到过电压影响。因光伏发电交流系统属于小电流接地系统，当该小电流接地系统发生单相接地故障时，非故障相电压将最高上升为线电压，再叠加该PID抑制装置输出直流偏置电压ΔU，箱变极易发生绝缘击穿事故。

因设计光伏发电系统交流、直流系统时考虑不足，PID抑制装置输出直流偏置电压ΔU造成的绝缘击穿，导致人身伤亡和设备损坏事故已成为影响光伏发电站安全稳定运行的一个须重视的安全因素。

2.3 PID抑制直流偏置电压防控方案

箱变绝缘加强方案按照以下方式进行：母排绝缘加强方案，箱变内母排必须全面实施绝缘包裹，并且箱变低压侧MCCB连接螺栓全部绝缘化处理；箱变母排与箱变本体间距较小区域，增加绝缘挡板；箱变避雷器选型时，选型击穿电压更高的避雷器；箱变塑壳断路器增加灭弧室。

图2 箱变低压侧塑壳断路器飞弧示意及飞弧后受损塑壳断路器

根据之前与其他厂家联合测试分析，故障路径参考如下：光伏电站中，目前低压系统的短路电流通常较大（不同的电站和线路阻抗下可以达到十几、二十几千安）；目前常规的800V塑壳开关在短路分断时，会有一定的高温带电离子/颗粒物喷出；开关喷出的高温带电离子/颗粒物最直接的扩散范围是开关上下部附近（常规单端点断开为上部，双端点断开为上下部），当低压柜开关附近位置是裸露时，高温离子会引起裸露铜排间的空气绝缘能力大幅降低，引起绝缘击穿，导致进一步的母排短路；母排短路时，会引起内部进一步连锁放电和故障扩散。

采取以上方式，可以实现光伏发电站交流系统绝缘的加强。

3 自主专利自学习功能功能PID补偿装置

3.1 自动化功能的实现研究

3.1.1 开机时间自动化

日间电压检测模块检测到光伏组串内电压情况，并且根据组串内电压值判断光伏电站所处环境属于夜间还是白天，并且能够根据该时间就能激活自主专利的具备自学习功能PID补偿装置的自动补偿开机。该补偿装置自动开机时间的确定，解决了光伏电站因为不同季节天亮时间不固定的特点，有效提升光伏电站PID补偿自动化。并且PID补偿装置根据组串内有无电压自动开机控制模式，能够有效防止PID补偿装置在白天误开机。因为当PID补偿装置白天误开机将导致光伏组串内误引入一个反向电压，将造成光伏组串烧毁、甚至是火灾的严重事故[4]。

3.1.2 PID补偿电压输出自动化

自主专利自学习功能功能PID补偿装置能实现PID补偿电压输出自动化，采用电压采样模块记录并储存当日光伏组串内输入的电压进行连续记录，并将记录到的当日光伏组串输入最高电压以通讯协议的方式发送至主控制器内进行储存。夜间时期将当日储存的最高电压反向输出至光伏组串内进行PID补偿，并且第二个白天以通讯协议的方式对主控制器内存储的前一个工作日记录到的最高电压进行清零。这样每日进行PID补偿的电压均是当日光伏组串运行时达到的最高输出电压。这样能实现PID补偿装置根据当日辐照度的不同输出不同的补偿电压，提升光伏组串PID补偿的效果。

通过自学习功能的成果研究，经历了电压检测、主控制器检测功能、电压的调节与输出，同时伴有对闭式验证电路的控制，形成一个完整的能够自学习功能的PID补偿装置。其中每一环节与测试都不可缺少，当光伏组件的输出电压稳定时，能够自动将输出电压转换成数字信号，方便流入组件当中。抑制补偿能够将传统的抑制效果有着充分的优势互补，避免光伏组件大批量的损坏来影响电站的发电能力。当电控开关由于长期的电流输出与闭合，会检测到直流电与偏差的电流能够有自动检测出，确保发电效能得以提升。

3.2 结合日间PID抑制及夜间PID补偿提升光伏电站发电效能的研究

通过自主专利自学习功能功能PID补偿装置的研究，设计出一套日间进行PID抑制、夜间进行PID补偿的光伏电站PID效应控制模式。并且采用PID补偿装置的自动化开机和输出控制，完全实现了PID抑制和PID补偿双模式共同工作，实现白天进行PID抑制，夜间进行PID补偿，同步实施，提升光伏电站PID控制效果，提升光伏电站发电能力。

综上，PID抑制效应产生的内部材料结构以及材料外部温度对系统电压有着接地方式的影响，长期将直接导致组件产生输出功率和输出变量发生了变化。PID补充机制的功能，完成光伏组件输出直流电的采样，并且因为其原理对光伏电站交流、直流系统有一个过电压，保证着PID功能对光伏电站的效能加以稳定，对电压控制有一定的效果。从而将结合PID抑制功能，采取白天进行PID抑制、夜间进行PID补偿的控制模式，提升光伏电站发电能力，在一定条件下可快速恢复电站功能的稳定性，使组件以及整个光伏电站的系统更加稳定，从而保证发电站的电量充足。