光伏電站基于PID抑制和PID補償提升發電效能研究

中廣核新能源貴州分公司 郭永剛 羅 康 曾慶鐘 陳太剛 王 昊 石國棟 王占明 翟明生

PID補償裝置能將不夠穩定的光伏電站的發電效能逐漸穩定，其核心器件具備存儲功能、數據分析功能、通訊管理、裝置程序自檢功能，即白天光伏組串按照正、負發出電能，夜間電壓輸出模塊將對光伏組串負極輸出當日白天采集的最高光伏組串電壓。以此對光伏組串內負極光伏組件進行PID夜間補償，對光伏組件PID效應進行抑制的效果得到良好的提升，提升光伏發電站光伏組件運行使用壽命。

基于光伏電站PID抑制效應，是一種因組件內部電路和邊框之間存在高偏置電壓在濕熱環境下出現光伏陣列發電性能衰減的現象，隨著光伏組件PID現象的研究越來越深入，對其抑制方法的要求越來越高。針對這一問題，通過對目前研究或應用的光伏組件PID補償功能的分析研究，預測了光伏組件PID現象抑制方法未來的發展趨勢，并提出一種基于具備自學習能力的光伏組件PID補償系統，夜間進行PID補償的控制模式，并盡可能提升光伏電站發電能力，從多方面來介紹PID補償提升發電效能的研究，更為業內解決PID效應提升光伏電站發電效能這一至關重要問題提供了參考。該系統符合PID抑制研究和光伏電站提升效能的趨勢。

1 光伏電站PID現象的研究

1.1 PID效應的產生機理

在電勢誘導衰減——極端環境高壓情況下，導致電流光伏組件功率逐漸降低，各個組件從而形成了大規模的產生漏電、大量電荷囤積在電池表面以及周圍。長期以往，能夠致使玻璃或者封裝等部分在電流的流動下形成開路電壓，例如產生開路電壓，短路電流皆小幅度的下降，進而造成輸出功率明顯下降。關于PID的效應機理是當組件承受負電壓而產生的，同時電池與金屬之間的電勢差也將會引起太陽電池的鈍化形成相應的影響[1]。

1.2 PID效應的影響因素

從PID效應的出現以以來，研究表明電池內外環境、溫度、日照、相關組件以及相關的突發電流流動都將會影響PID效應。自學習的PID補償裝置將會針對此類問題進行相應的改善，保證光伏電站在PID補償功能下，能夠高效的提升發電效能。其中溫度和空氣中的濕氣會導致相關組件的漏電產生，隨之影響系統的集成，光伏系統的組件排列的情況，將逆變器負極輸出端之間的所有組件處于負偏壓之下經過補償功能的PID效應，把光伏電站漏電現象以及電壓突然的轉變有較強的效能提升。并且在運行之前是否有無安全檢測和組件漏電檢測，都將會影響組件電池的正常運行[2]。

1.3 光伏電站PID抑制發展趨勢

近年來光伏電站PID抑制發展逐漸出現在視野，同時因光伏電站大量投運、太陽能電池銷售量的大幅度提升，從而導致光伏產業的增長率快速提升，成為當下發展最快的新興產業之一。隨著發電行業平價時代的到來，投資新建的光伏電站利潤回報率越來越低，市場要求光伏電站光伏組件發電效能年衰減率越來越低，推動各逆變器廠家配套光伏組件PID控制功能。PID控制功能的實現主要有光伏發電系統虛擬接地模式，或光伏發電系統外加PID補償裝置進行抑制[3]。

隨著對光伏電站PID控制方式的確定，如何確保光伏發電設備運行穩定性，提升光伏電站發電效能成為逐步需要面對的課題。光伏發電系統虛擬接待PID抑制模式存在其自身特性，對光伏發電系統安全穩定運行留下安全隱患。具備自學習能力的PID補償裝置具備PID抑制虛擬接地所不具備的防止過電壓能力，若能結合虛擬接地PID抑制和夜間PID補償，對于光伏發電系統發電效能提升有較強的實際意義。

輻照度2～30MJ/M2下PID不同控制模式單臺逆變器發電量日發電效能平均值對比：不做措施/730.18kWh；僅PID補償/728.81kWh；僅PID抑制/720.36kWh；PID抑制+補償/745.72kWh。通過以上對光伏電站不同PID控制模式下發電效能的數據對比發現，當光伏電站同時實施PID白天抑制、夜間補償控制模式時，光伏電站發電效能提升最為明顯。因此本論文創新性的對PID白天抑制、夜間補償控制模式的可行性進行研究。

2 PID抑制功能對光伏電站的影響

2.1 PID抑制研究現狀

虛擬接地PID抑制是人為的抬升光伏組串負極對地電壓，使得光伏組串PV-對PE電壓形成正電壓偏置，就能有效的緩解光伏組件PID效應。

圖1 光伏組件PID示意圖

PID抑制光伏電池板PID效應的系統，所述系統為在光伏發電系統中的逆變器直流輸入側或光伏組件的輸出正、負、地三端接入的PID抑制裝置，PID抑制裝置能實現使系統負極對地電壓不為負，從而抑制組件的電勢誘導衰減，充分保證PID抑制裝置由閉合式電路系統組成。PID抑制裝置的功能可實現使系統負極對地電壓不為負，從而抑制光伏電池組件的電勢誘導衰減，在抑制功能產生時要注意空氣的潮濕度及控制電量衰減的數據，同時當組件處于無法閉環時要先驗證系統是否可正常運行，同時要保證在不同濕度與溫度的環境下能有安全的抑制功能。

2.2 PID抑制功能對光伏電站交直流系統的影響

根據PID抑制的工作原理，當人為抬升光伏組串負極對地電壓時，須在光伏發電系統的交流、直流系統內引入一個直流偏置電壓。該直流偏置電壓將對屬于交流系統的箱變、避雷器、斷路器和交流電纜和屬于直流系統的光伏專用電纜、逆變器均形成絕緣影響。

PID抑制裝置運行，輸出直流偏置電壓時，箱變交流系統能承受的絕緣值推導情況：

U線=U相，U幅=U相，U附加總電壓=U幅+ΔU，U線=800V（箱變線電壓額定值），U相=800/=462V（箱變相電壓額定值），U幅=相=653V（箱變相電壓幅值）。

根據公式推導，PID抑制裝置輸出直流偏置電壓ΔU為500V以上，光伏發電交流系統將承受1100V以上的過電壓考驗。但光伏電站設計之初僅考慮箱變低壓側額定電壓為800V，并未對該直流偏置電壓進行考量，最終導致光伏發電交流系統的箱變、交流電纜，甚至避雷器均遭受到過電壓影響。因光伏發電交流系統屬于小電流接地系統，當該小電流接地系統發生單相接地故障時，非故障相電壓將最高上升為線電壓，再疊加該PID抑制裝置輸出直流偏置電壓ΔU，箱變極易發生絕緣擊穿事故。

因設計光伏發電系統交流、直流系統時考慮不足，PID抑制裝置輸出直流偏置電壓ΔU造成的絕緣擊穿，導致人身傷亡和設備損壞事故已成為影響光伏發電站安全穩定運行的一個須重視的安全因素。

2.3 PID抑制直流偏置電壓防控方案

箱變絕緣加強方案按照以下方式進行：母排絕緣加強方案，箱變內母排必須全面實施絕緣包裹，并且箱變低壓側MCCB連接螺栓全部絕緣化處理；箱變母排與箱變本體間距較小區域，增加絕緣擋板；箱變避雷器選型時，選型擊穿電壓更高的避雷器；箱變塑殼斷路器增加滅弧室。

圖2 箱變低壓側塑殼斷路器飛弧示意及飛弧后受損塑殼斷路器

根據之前與其他廠家聯合測試分析，故障路徑參考如下：光伏電站中，目前低壓系統的短路電流通常較大（不同的電站和線路阻抗下可以達到十幾、二十幾千安）；目前常規的800V塑殼開關在短路分斷時，會有一定的高溫帶電離子/顆粒物噴出；開關噴出的高溫帶電離子/顆粒物最直接的擴散范圍是開關上下部附近（常規單端點斷開為上部，雙端點斷開為上下部），當低壓柜開關附近位置是裸露時，高溫離子會引起裸露銅排間的空氣絕緣能力大幅降低，引起絕緣擊穿，導致進一步的母排短路；母排短路時，會引起內部進一步連鎖放電和故障擴散。

采取以上方式，可以實現光伏發電站交流系統絕緣的加強。

3 自主專利自學習功能功能PID補償裝置

3.1 自動化功能的實現研究

3.1.1 開機時間自動化

日間電壓檢測模塊檢測到光伏組串內電壓情況，并且根據組串內電壓值判斷光伏電站所處環境屬于夜間還是白天，并且能夠根據該時間就能激活自主專利的具備自學習功能PID補償裝置的自動補償開機。該補償裝置自動開機時間的確定，解決了光伏電站因為不同季節天亮時間不固定的特點，有效提升光伏電站PID補償自動化。并且PID補償裝置根據組串內有無電壓自動開機控制模式，能夠有效防止PID補償裝置在白天誤開機。因為當PID補償裝置白天誤開機將導致光伏組串內誤引入一個反向電壓，將造成光伏組串燒毀、甚至是火災的嚴重事故[4]。

3.1.2 PID補償電壓輸出自動化

自主專利自學習功能功能PID補償裝置能實現PID補償電壓輸出自動化，采用電壓采樣模塊記錄并儲存當日光伏組串內輸入的電壓進行連續記錄，并將記錄到的當日光伏組串輸入最高電壓以通訊協議的方式發送至主控制器內進行儲存。夜間時期將當日儲存的最高電壓反向輸出至光伏組串內進行PID補償，并且第二個白天以通訊協議的方式對主控制器內存儲的前一個工作日記錄到的最高電壓進行清零。這樣每日進行PID補償的電壓均是當日光伏組串運行時達到的最高輸出電壓。這樣能實現PID補償裝置根據當日輻照度的不同輸出不同的補償電壓，提升光伏組串PID補償的效果。

通過自學習功能的成果研究，經歷了電壓檢測、主控制器檢測功能、電壓的調節與輸出，同時伴有對閉式驗證電路的控制，形成一個完整的能夠自學習功能的PID補償裝置。其中每一環節與測試都不可缺少，當光伏組件的輸出電壓穩定時，能夠自動將輸出電壓轉換成數字信號，方便流入組件當中。抑制補償能夠將傳統的抑制效果有著充分的優勢互補，避免光伏組件大批量的損壞來影響電站的發電能力。當電控開關由于長期的電流輸出與閉合，會檢測到直流電與偏差的電流能夠有自動檢測出，確保發電效能得以提升。

3.2 結合日間PID抑制及夜間PID補償提升光伏電站發電效能的研究

通過自主專利自學習功能功能PID補償裝置的研究，設計出一套日間進行PID抑制、夜間進行PID補償的光伏電站PID效應控制模式。并且采用PID補償裝置的自動化開機和輸出控制，完全實現了PID抑制和PID補償雙模式共同工作，實現白天進行PID抑制，夜間進行PID補償，同步實施，提升光伏電站PID控制效果，提升光伏電站發電能力。

綜上，PID抑制效應產生的內部材料結構以及材料外部溫度對系統電壓有著接地方式的影響，長期將直接導致組件產生輸出功率和輸出變量發生了變化。PID補充機制的功能，完成光伏組件輸出直流電的采樣，并且因為其原理對光伏電站交流、直流系統有一個過電壓，保證著PID功能對光伏電站的效能加以穩定，對電壓控制有一定的效果。從而將結合PID抑制功能，采取白天進行PID抑制、夜間進行PID補償的控制模式，提升光伏電站發電能力，在一定條件下可快速恢復電站功能的穩定性，使組件以及整個光伏電站的系統更加穩定，從而保證發電站的電量充足。