光伏電站基于PID抑制和PID補償提升發(fā)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(wěn)定的光伏電站的發(fā)電效能逐漸穩(wěn)定，其核心器件具備存儲功能、數(shù)據(jù)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(fù)發(fā)出電能，夜間電壓輸出模塊將對光伏組串負(fù)極輸出當(dāng)日白天采集的最高光伏組串電壓。以此對光伏組串內(nèi)負(fù)極光伏組件進(jìn)行PID夜間補償，對光伏組件PID效應(yīng)進(jìn)行抑制的效果得到良好的提升，提升光伏發(fā)電站光伏組件運行使用壽命。

基于光伏電站PID抑制效應(yīng)，是一種因組件內(nèi)部電路和邊框之間存在高偏置電壓在濕熱環(huán)境下出現(xiàn)光伏陣列發(fā)電性能衰減的現(xiàn)象，隨著光伏組件PID現(xiàn)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(yīng)用的光伏組件PID補償功能的分析研究，預(yù)測了光伏組件PID現(xiàn)象抑制方法未來的發(fā)展趨勢，并提出一種基于具備自學(xué)習(xí)能力的光伏組件PID補償系統(tǒng)，夜間進(jìn)行PID補償?shù)目刂颇Ｊ?，并盡可能提升光伏電站發(fā)電能力，從多方面來介紹PID補償提升發(fā)電效能的研究，更為業(yè)內(nèi)解決PID效應(yīng)提升光伏電站發(fā)電效能這一至關(guān)重要問題提供了參考。該系統(tǒng)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(xiàn)象的研究

1.1 PID效應(yīng)的產(chǎn)生機理

在電勢誘導(dǎo)衰減——極端環(huán)境高壓情況下，導(dǎo)致電流光伏組件功率逐漸降低，各個組件從而形成了大規(guī)模的產(chǎn)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(chǎn)生開路電壓，短路電流皆小幅度的下降，進(jìn)而造成輸出功率明顯下降。關(guān)于PID的效應(yīng)機理是當(dāng)組件承受負(fù)電壓而產(chǎn)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(yīng)的影響[1]。

1.2 PID效應(yīng)的影響因素

從PID效應(yīng)的出現(xiàn)以以來，研究表明電池內(nèi)外環(huán)境、溫度、日照、相關(guān)組件以及相關(guān)的突發(fā)電流流動都將會影響PID效應(yīng)。自學(xué)習(xí)的PID補償裝置將會針對此類問題進(jìn)行相應(yīng)的改善，保證光伏電站在PID補償功能下，能夠高效的提升發(fā)電效能。其中溫度和空氣中的濕氣會導(dǎo)致相關(guān)組件的漏電產(chǎn)生，隨之影響系統(tǒng)的集成，光伏系統(tǒng)的組件排列的情況，將逆變器負(fù)極輸出端之間的所有組件處于負(fù)偏壓之下經(jīng)過補償功能的PID效應(yīng)，把光伏電站漏電現(xiàn)象以及電壓突然的轉(zhuǎn)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(fā)展趨勢

近年來光伏電站PID抑制發(fā)展逐漸出現(xiàn)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(dǎo)致光伏產(chǎn)業(yè)的增長率快速提升，成為當(dāng)下發(fā)展最快的新興產(chǎn)業(yè)之一。隨著發(fā)電行業(yè)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(fā)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(xiàn)主要有光伏發(fā)電系統(tǒng)虛擬接地模式，或光伏發(fā)電系統(tǒng)外加PID補償裝置進(jìn)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(fā)電設(shè)備運行穩(wěn)定性，提升光伏電站發(fā)電效能成為逐步需要面對的課題。光伏發(fā)電系統(tǒng)虛擬接待PID抑制模式存在其自身特性，對光伏發(fā)電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行留下安全隱患。具備自學(xué)習(xí)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(jié)合虛擬接地PID抑制和夜間PID補償，對于光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)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(fā)電量日發(fā)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(fā)電效能的數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)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(fā)電效能提升最為明顯。因此本論文創(chuàng)新性的對PID白天抑制、夜間補償控制模式的可行性進(jìn)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(xiàn)狀

虛擬接地PID抑制是人為的抬升光伏組串負(fù)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(yīng)。

圖1 光伏組件PID示意圖

PID抑制光伏電池板PID效應(yīng)的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)為在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的逆變器直流輸入側(cè)或光伏組件的輸出正、負(fù)、地三端接入的PID抑制裝置，PID抑制裝置能實現(xiàn)使系統(tǒng)負(fù)極對地電壓不為負(fù)，從而抑制組件的電勢誘導(dǎo)衰減，充分保證PID抑制裝置由閉合式電路系統(tǒng)組成。PID抑制裝置的功能可實現(xiàn)使系統(tǒng)負(fù)極對地電壓不為負(fù)，從而抑制光伏電池組件的電勢誘導(dǎo)衰減，在抑制功能產(chǎn)生時要注意空氣的潮濕度及控制電量衰減的數(shù)據(jù)，同時當(dāng)組件處于無法閉環(huán)時要先驗證系統(tǒng)是否可正常運行，同時要保證在不同濕度與溫度的環(huán)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(tǒng)的影響

根據(jù)PID抑制的工作原理，當(dāng)人為抬升光伏組串負(fù)極對地電壓時，須在光伏發(fā)電系統(tǒng)的交流、直流系統(tǒng)內(nèi)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(tǒng)的箱變、避雷器、斷路器和交流電纜和屬于直流系統(tǒng)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(tǒng)能承受的絕緣值推導(dǎo)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(jù)公式推導(dǎo)，PID抑制裝置輸出直流偏置電壓ΔU為500V以上，光伏發(fā)電交流系統(tǒng)將承受1100V以上的過電壓考驗。但光伏電站設(shè)計之初僅考慮箱變低壓側(cè)額定電壓為800V，并未對該直流偏置電壓進(jìn)行考量，最終導(dǎo)致光伏發(fā)電交流系統(tǒng)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(fā)電交流系統(tǒng)屬于小電流接地系統(tǒng)，當(dāng)該小電流接地系統(tǒng)發(fā)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(fā)生絕緣擊穿事故。

因設(shè)計光伏發(fā)電系統(tǒng)交流、直流系統(tǒng)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(dǎo)致人身傷亡和設(shè)備損壞事故已成為影響光伏發(fā)電站安全穩(wěn)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(jìn)行：母排絕緣加強方案，箱變內(nèi)母排必須全面實施絕緣包裹，并且箱變低壓側(cè)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(qū)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(cè)塑殼斷路器飛弧示意及飛弧后受損塑殼斷路器

根據(jù)之前與其他廠家聯(lián)合測試分析，故障路徑參考如下：光伏電站中，目前低壓系統(tǒng)的短路電流通常較大（不同的電站和線路阻抗下可以達(dá)到十幾、二十幾千安）；目前常規(guī)的800V塑殼開關(guān)在短路分?jǐn)鄷r，會有一定的高溫帶電離子/顆粒物噴出；開關(guān)噴出的高溫帶電離子/顆粒物最直接的擴散范圍是開關(guān)上下部附近（常規(guī)單端點斷開為上部，雙端點斷開為上下部），當(dāng)?shù)蛪汗耖_關(guān)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(dǎo)致進(jìn)一步的母排短路；母排短路時，會引起內(nèi)部進(jìn)一步連鎖放電和故障擴散。

采取以上方式，可以實現(xiàn)光伏發(fā)電站交流系統(tǒng)絕緣的加強。

3 自主專利自學(xué)習(xí)功能功能PID補償裝置

3.1 自動化功能的實現(xiàn)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(nèi)電壓情況，并且根據(jù)組串內(nèi)電壓值判斷光伏電站所處環(huán)境屬于夜間還是白天，并且能夠根據(jù)該時間就能激活自主專利的具備自學(xué)習(xí)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(jié)天亮?xí)r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(jù)組串內(nèi)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(dāng)PID補償裝置白天誤開機將導(dǎo)致光伏組串內(nèi)誤引入一個反向電壓，將造成光伏組串燒毀、甚至是火災(zāi)的嚴(yán)重事故[4]。

3.1.2 PID補償電壓輸出自動化

自主專利自學(xué)習(xí)功能功能PID補償裝置能實現(xiàn)PID補償電壓輸出自動化，采用電壓采樣模塊記錄并儲存當(dāng)日光伏組串內(nèi)輸入的電壓進(jìn)行連續(xù)記錄，并將記錄到的當(dāng)日光伏組串輸入最高電壓以通訊協(xié)議的方式發(fā)送至主控制器內(nèi)進(jìn)行儲存。夜間時期將當(dāng)日儲存的最高電壓反向輸出至光伏組串內(nèi)進(jìn)行PID補償，并且第二個白天以通訊協(xié)議的方式對主控制器內(nèi)存儲的前一個工作日記錄到的最高電壓進(jìn)行清零。這樣每日進(jìn)行PID補償?shù)碾妷壕钱?dāng)日光伏組串運行時達(dá)到的最高輸出電壓。這樣能實現(xiàn)PID補償裝置根據(jù)當(dāng)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?shù)男Ч?/p>

通過自學(xué)習(xí)功能的成果研究，經(jīng)歷了電壓檢測、主控制器檢測功能、電壓的調(diào)節(jié)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(xué)習(xí)功能的PID補償裝置。其中每一環(huán)節(jié)與測試都不可缺少，當(dāng)光伏組件的輸出電壓穩(wěn)定時，能夠自動將輸出電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，方便流入組件當(dāng)中。抑制補償能夠?qū)鹘y(tǒng)的抑制效果有著充分的優(yōu)勢互補，避免光伏組件大批量的損壞來影響電站的發(fā)電能力。當(dāng)電控開關(guān)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(fā)電效能得以提升。

3.2 結(jié)合日間PID抑制及夜間PID補償提升光伏電站發(fā)電效能的研究

通過自主專利自學(xué)習(xí)功能功能PID補償裝置的研究，設(shè)計出一套日間進(jìn)行PID抑制、夜間進(jìn)行PID補償?shù)墓夥娬綪ID效應(yīng)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(xiàn)了PID抑制和PID補償雙模式共同工作，實現(xiàn)白天進(jìn)行PID抑制，夜間進(jìn)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(fā)電能力。

綜上，PID抑制效應(yīng)產(chǎn)生的內(nèi)部材料結(jié)構(gòu)以及材料外部溫度對系統(tǒng)電壓有著接地方式的影響，長期將直接導(dǎo)致組件產(chǎn)生輸出功率和輸出變量發(fā)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(tǒng)有一個過電壓，保證著PID功能對光伏電站的效能加以穩(wěn)定，對電壓控制有一定的效果。從而將結(jié)合PID抑制功能，采取白天進(jìn)行PID抑制、夜間進(jìn)行PID補償?shù)目刂颇Ｊ?，提升光伏電站發(fā)電能力，在一定條件下可快速恢復(fù)電站功能的穩(wěn)定性，使組件以及整個光伏電站的系統(tǒng)更加穩(wěn)定，從而保證發(fā)電站的電量充足。