93水作為介質(zhì)和電極時對光伏板寄生電容的影響

1、第十一屆中國高校電力電子與電力傳動學(xué)術(shù)年會水作為介質(zhì)和電極時對光伏板寄生電容的影響於少林（合肥工業(yè)大學(xué)、電氣與自動化、合肥 230009）摘 要： 共模漏電流問題是光伏系統(tǒng)中的一個重要問題并且很大程度上取決于光伏板對地電容的值。一些文章表明在潮濕或者雨水環(huán)境下，光伏板寄生電容值會變大，但沒有給出詳細的解釋甚至了一些概念。本文首先介紹了光伏板寄生電容產(chǎn)生機理和較為清晰的電容模型，并采用有限元法電磁仿真對光伏板寄生電容進行提取。其次從水在光伏板表面的大小等角度系統(tǒng)化的研究了水作為介質(zhì)和電極兩種情況下對光伏板寄生電容的影響，同時從電場能量角度合理解釋了雨水環(huán)境中寄生電容增大的原因并提出光伏板的優(yōu)化設(shè)

2、計設(shè)想。最終實驗結(jié)果也驗證了電容模型和仿真分析的準確性。：水；寄生電容；光伏板；3D 電磁仿真；電場能量Effect of water as a dielectric or an electrode on parasitic capacitance ofphotovoltaic panelYu Shaolin，Zhang Xing，Wang Jianing(School of Electrical Engineering & automation, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)Abstract: Common mode

3、 current suppresstrongly on the value of the parasitic capacitance betis important to grid-connected photovoltaic (PV) systems and dependsn the PV panel and the ground. Some prs addresst the parasiticcapacitance of PV panelgive confusing address. This pes largerhe humid environment. However, they do

4、 not give detailed explanation, and somer presents clarified mof the parasitic capacitanof the PV panel and the finite element(FE) electromagnetic (EM) simulation is employed for the investigations. The research covers the dependence of physicaldimens of the water on the parasitic capacitance and sy

5、stematically invests the effect of water as a dielectric or an electrodeon the capacitan. Some guidelines are proed to minimize the parasitic capacitance of the panel caused by the water. Theexperiments are conducted to verify the capacitance mand theysis.Key words:Water, Parasitic capacitance, phot

6、ovoltaic panel, 3D FE EM, Electric field energy般常理。然而當雨水落在光伏板表面，可能會溶解一些電解質(zhì)，加上雨水本身含有導(dǎo)電的離子，具有一定導(dǎo)電性，所以文獻6-8將光伏板表面的水看成一層導(dǎo)電1. 引言在由非型光伏逆變器的PV 接地系統(tǒng)中，存在接地共模電流回路。光伏板的寄生電容是回路阻抗的主要組成部分，它的大小，對共模電流的值有著層，相當于有了電極的性質(zhì)。文獻9認為在環(huán)境下，即光伏板表面被水浸滿時可將水看成電極，而一般情況下可作為介質(zhì)來計算，但是文章缺乏對應(yīng)的實驗論證，不具說服力。很大影響1-3。關(guān)于光伏板寄生電容的并不是很多。只有在一些 EMI，漏

7、電流的相關(guān)文章中才會簡單介紹到。影響光伏板寄生電容有模塊的尺寸，對地高本文系統(tǒng)化了水對組件寄生電容的影響，首度，環(huán)境，濕度等2-5。但環(huán)境光伏板寄生電容的影響缺乏詳細的尤其是雨水對和準確的分析。先介紹了光伏板寄生電容產(chǎn)生機理和電容模型。通過3D 電磁仿真，對比水作為介質(zhì)和電極兩種情況下，光伏板寄生電容的變化情況。合理的從電場能量角度解文獻3-5將在光伏板表面的水看成介質(zhì)，因其具有較大介電常數(shù)導(dǎo)致電容值變大，這種解釋比較符合一水作為介質(zhì)和電極時對光伏板寄生電容的影響釋了兩種情況下組件寄生電容變大的原因，基于一系列仿真分析給出了光伏板的優(yōu)化設(shè)計方案，以減小雨水對其寄生電容的影響。最終通過真實的實驗

8、測試也驗證了電容模型和仿真分析的準確性。之和。Ccr 與支架結(jié)構(gòu)和光伏板安裝方式有關(guān)，相對較小。 Ccg 決定于光伏板的對地高度 H，若 H 大于 500mm 時可忽略9。當陣列側(cè)光伏板安裝方式確定，Ccr 和Ccg的值會被限制在一定的范圍內(nèi)，不會有太大變化。此時 Ccf 將會成為光伏板寄生電容的主要部分，并受環(huán)境的影響較大。本文接下來的分析主要針對光伏板Ccf，即電池片到邊框電容。2. 光伏板寄生電容模型圖 1（a）為光伏板電池片的簡易模型。為了將光伏效應(yīng)產(chǎn)生的電壓和電流引出，在電池片上會制作電極。這層電極實際上就是與電池的半導(dǎo)體材料結(jié)形成緊密歐姆接觸的導(dǎo)電材料，電池的上電極（正面電極）一般

9、為梳狀、網(wǎng)狀，以便盡可能減少對受光面的遮蔽，而電池的下電極（背面電極）是一層金屬層10。上電極的面積僅為下電極的 4%左右，電極的有效面積非常小，所以可忽略上電極與其他電極形成的電容效應(yīng)，只考慮電池片的下電極。上電極水對光伏板寄生電容影響3D 有限元仿真分析光伏板內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，尤其是電池片到邊框并非傳統(tǒng)的平行板電容器結(jié)構(gòu)，所以通過公式計算其電容值非常。雖然有文章嘗試利用經(jīng)典的公式計算該部分電容，但采用表達式計算很難保證精度。本文采用有限元仿真來提取電容值，在靜電場中，Maxwell 3D 電磁仿真則是通過在光伏板內(nèi)外（電場區(qū)域的）電場能量來計算電容值，并且能量越大，電容值越大。所以通過 3

10、D 電磁仿真很容易仿出一些復(fù)雜結(jié)構(gòu)間的電容值。仿真模型的結(jié)構(gòu)和尺寸如圖 3 所示，模型中材料的厚度和相對介電常數(shù)參照表一。PN 結(jié)下電極(a) 電池片模型Ccf鋁邊框Ccr電池片支架Ccg(a) 3D 結(jié)構(gòu)邊框7.5mm(b) 光伏板寄生電容模型圖 1 電容模型Fig.1 Capacitance m對于傳統(tǒng)光伏板結(jié)構(gòu)，另外的三個電極是邊框，支架，大地。分別與電池片背電極形成了：電池片到邊框電容 Ccf、電池片到支架電容 Ccr、電池片到地電1 5mm玻璃EVA4mm電池片18mm 密封材料背板19mm容 C 9，如圖 1（b）所示。在真實的光伏系統(tǒng)中，鋁cg(b) 2D 結(jié)構(gòu)圖 2 3D FE

11、 EM 仿真模型邊框和支架是同時接地的，理論上講邊框、支架與地位，所以光伏板寄生電容可認為是這三部分電容Fig.2 The simulation mof 3D FE EM地玻璃邊框第十一屆中國高校電力電子與電力傳動學(xué)術(shù)年會表一 仿真模型參數(shù)Table.1 Simulation parameters塊與兩邊框接觸，其中水塊的一邊固定接觸鋁邊框，保持 200mm 的寬度不變，另外一邊 w 沿著邊框變長。圖 4（b）是仿真結(jié)果，從圖中可以看到，當將水作為介質(zhì)時，仿出的電容值隨著水寬 w 的變大而緩慢變大，但不超過 100。而水作為電極考慮時，電容值雖然也是隨著 w 的變長而變大，但其值要比水作為介質(zhì)

12、時大的多。這組仿真結(jié)果說明，無論將水作為介質(zhì)還是電極考慮，與邊框接觸的越多電容值越大，并且水作為電極情況下，會引入更大的寄生電容。厚度 (mm)材料相對介電常數(shù)3 20 50 30 50 25.72.64.410玻璃EVA電池片密封材料背板水對光伏板 Ccf 的影響與邊框無接觸圖 3（a）是在 Maxwell 3D 中建立的仿真模型，其中用正方形水塊模擬水在光伏板表面情況，在仿真中可對水的電導(dǎo)率進行設(shè)置，當水的電導(dǎo)率充分大時可模擬成導(dǎo)電層。水塊位于玻璃表面正中間，不與邊框接觸。水塊的寬度 w 由 200mm 不斷增大到500mm。仿真結(jié)果如圖 3（b）所示，兩種情況下的仿真結(jié)水(a) 仿真模型

13、果都在 61左右，與光伏板表面沒有水時的仿真結(jié)果1000一樣，并且對比可以發(fā)現(xiàn)，無論將水作為介質(zhì)還是電極去考慮，只要不與邊框接觸，電容值就不會隨著水面積的變化而變化。水作為電極100水作為介質(zhì)w (mm)10050 100 150 200 250 300 350 400水(b) 電池片到邊框電容圖 4 水與邊框兩邊接觸時的仿真分析Fig.4 The simulationysis of water contacting withadjacent sides of the frame3.2.3 與四周邊框都接觸當水與光伏板四周邊框都接觸時，其仿真模型如圖 5（a）所示，水分布在光伏板邊框區(qū)域，寬度

14、 w 不(a) 仿真模型70水作為電極斷變大，從四周向中間區(qū)域表面，直至水布滿光伏板60水作為介質(zhì)仿真結(jié)果如圖 5（b）所示，可以看到水作為介質(zhì)時，隨著光伏板四周水寬 w 的增大，電容值先增大，當水寬 w 在 35mm 左右時，電容值便不再增大。而水作為電極，電容值隨著水寬 w 的增大一直增大，直至水布滿組件整個表面，電容值達到最大值。由此可以得到結(jié)論：水作為介質(zhì)時，影響光伏板電池邊到邊框電容的只是分布在邊框周圍區(qū)域的水，w (mm)500 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500(b) 電池片到邊框電容圖 3 水與邊框無接觸時的仿真分析Fig.3 The

15、simulation3.2.2 與兩邊框接觸ysis of water apart from frame圖 4（a）模擬水與邊框接觸的情況，首先假設(shè)水電池片到邊框電容（)電池片到邊框電容（)水玻璃邊框水玻璃邊框水作為介質(zhì)和電極時對光伏板寄生電容的影響這個區(qū)域范圍大概是電池片到邊框的距離，而在域外，其他區(qū)域的材料也能夠大量的電場能量，中間區(qū)域的水，對 Ccf 幾乎沒有影響。而水作為電極去因此電容值會變大，并且遠遠大于雨水作為介質(zhì)時仿出的電容值?？紤]，只要水與邊框接觸，水在組件表面連續(xù)面積越大，電容值越大。的邊框水邊框電池片電池片AB水邊框水邊框電池片電池片CD(a) 仿真模型圖 6 光伏板 2D

16、 電場能量分布Fig.6 The distribution of the 2D electric field energy上述分析從電場能量分布角度探究了背后的電磁機理，合理解釋光伏板寄生電容分布和有水環(huán)境下電容增大的原因。同時也能夠為優(yōu)化光伏板設(shè)計以減小1000100010010其內(nèi)在寄生電容提供思路，可以從圖中看到，由于光伏板玻璃的厚度和介電常數(shù)相對其他一些材料而言較)10 10 20 30 40 5060 70 8090 100(b) 電池片到邊框電容圖 5 水與邊框都接觸時對組件電容影響大，較多的電場能量在了玻璃區(qū)域，占據(jù)了Ccf很大一部分。在制造光伏板的時候，可考慮從材料學(xué)角度降低玻

17、璃的厚度和介電常數(shù)，一定程度上可以減小光伏板的寄生電容。另外從上述仿真分析可知，水只有在與邊框接觸后才會引入較大寄生電容，而不與邊框接觸時對光伏板沒有影響?；谶@樣的思路，可在光伏板邊框周圍覆蓋一層介電常數(shù)較小的聚合物，以隔絕水與邊框的大規(guī)模接觸，從而有效減小水對光伏板寄生電容的影響。ll sides ofFig.5 The simulationysis of water contacting withe frame3.3 電場能量從上述仿真分析可知，一旦水與邊框接觸，光伏板的寄生電容會變大，并且將水作為電極會比水作為介質(zhì)情況帶來更大的寄生電容。圖6 示出2D 仿真時在光伏板內(nèi)的電場能量分布圖

18、。A 圖是光伏板表面沒有水時的電場能量分4. 實驗測試布，可以看到電場能量主要集中在電池片邊緣到邊框區(qū)域，電池片到邊框電容 Ccf 大小主要取決于這部分電圖 7 是光伏板電池片到邊框電容 Ccf 的測試。場能量的強弱。B 圖是光伏板表面有水但不與邊測試儀器是變壓器自動分析儀，工作原理跟 RLC 測試儀類似。測試夾具的一頭夾光伏板的正極，另外一頭夾邊框，分別測試了功率為 10W，50W 和 250W 三塊光伏板的 Ccf。三塊光伏板的電容仿真值和測試值如表二所示。從表中可以看到，測試值與仿真值雖接近，但有誤差，誤差在 20-30%之間。存在誤差是因為在仿真軟件中無法做到精確建模，原因主要有以下幾

19、點：1）仿真模型中設(shè)置的光伏板材料的介電常數(shù)不可框接觸時的仿真結(jié)果，雖然有水，但電場能量的分布與 A 圖十分類似，所以電容值不會有太大變化。C、D 兩圖是水分別作為介質(zhì)和電極兩種情況下的電場分布圖，C 圖中水與邊框接觸，水作為介質(zhì)具有較大的介電常數(shù),所以明顯看到電能的性能較強。相比于 A 圖，很的電能，所以光伏板 Ccf 的值更大。而 D 圖中水作為電極去考慮，相當于光伏板邊框的延生，電池片與金屬邊框的交疊面積變大，除了邊緣區(qū)電池片到邊框電容（)0水作為電極水作為介質(zhì)w (mm水玻璃邊框第十一屆中國高校電力電子與電力傳動學(xué)術(shù)年會真值之和約為 131，與將邊框，支架和大地連為整能與實際一致，因為

20、無法從廠商獲得全部參數(shù)，而本文中表一的一些參數(shù)是參考其他文獻中的。2）雖然仿真模型是參照真實光伏板 1:1 建模，但由于測量誤差的存在，其尺寸與真實的光伏板難免會存在差別。體之后仿出的總電容值 130分電容模型的準確性。從實驗角度看，測試出的光伏板總的電容值與仿真出的總電容值也是近似的，誤差在 19%左右，正如上文分析所說，誤差是在可接受范圍內(nèi)。也再次驗證了仿真分析和實驗測試的準確性。近似，進而驗證了三部3）測試時外部的環(huán)境如周圍的一些金屬物質(zhì)可能對有些影響。綜合考慮，此誤差在可以接受范圍內(nèi)，能夠說明仿真分析和的準確性。變壓器自動測試分析儀正極銅邊框=300600mm組件(a) 測試模型圖 7

21、 Ccf 的實驗測試Fig.7 Experimental measurement of Ccf表二 測試數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)的對比=300Table.2 Comparison betn tested data and simulated data組件功率(W)10仿真值(23)測試值(31)誤差26%50618528%25024030020%圖 8 中的實驗測試是對電容模型進行驗證，圖 8(b) 仿真模型圖 8 光伏板寄生電容的實驗測試Fig.8 Experimental measurement of parasitic capacitance of photovoltaic panels對雨水情況

22、下，光伏板電池片到邊框寄生電容 Ccf也進行了實驗測試，因?qū)λ男螒B(tài)難以控制，所以實驗采取從光伏板中間區(qū)域向四周倒水的方案，如圖 9（a）是實際的測試板傾角 設(shè)為 300。，用一塊銅片模擬大地，光伏中光伏板邊框，支架和大地是良性接觸的，這三塊電極相當于成為了一個整體，所 以當測試夾具一頭夾光伏板正極，另外一頭分別夾邊 框，支架，大地時，測出的電容值是近似一樣的為 160，這個電容值即為光伏板的總的電容值。仿真模型如圖 8（b）所示，為了便于展現(xiàn)支架等結(jié)構(gòu)，圖中隱藏了光伏板玻璃、EVA，背板等材料。通過 3D FE EM 仿真，分別仿出了電池片對邊框電容Ccf 為 56 ，電池片對支架電容 Cc

23、r 為 59 ，電池片對（a）所示。在光伏板中間區(qū)域，隨著水越聚越多逐漸向四周擴散，并開始與邊框接觸，直至水布如圖 9（b）所示，從圖在光伏板中間區(qū)域且與四周邊滿光伏板整個表面。中可以看到，當水框有一定距離時，無論水多少，測得電容值幾乎地電容 Ccg 為 16。接著在仿真中，將邊框，支沒有變化，并且其值大小與無水時的測得值一樣。而當水開始與邊框有接觸時，測得的電容值稍微變大，當與邊框接觸程度越來越大時，電容值也逐漸變大。當光伏板表面布滿水時，測得的電容值達到最大值為3.46nF。架和大地Unit 為一個整體，目的是將三部分電極連接為整體，此時仿真模型更加貼近實際的測試模型，仿出的電容值即為光伏

24、板總電容值，約為 130 。從仿真角度來看，三部分電容 Ccf、Ccr、Ccg 的仿700mm水作為介質(zhì)和電極時對光伏板寄生電容的影響實驗測試中的電容的變化趨勢與仿真模擬的結(jié)果非常吻合，數(shù)值上也與水作為電極時的仿真結(jié)果貼近，一定程度上也說明了將水作為電極來而不僅僅是介質(zhì)。更為合理，參考文獻：1抑制J. 浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報, 2015, 43(6):655-659.Chen G, Zhong Y, Jie F. Research on common mode current水suppres of transformerless inverter in non-isolatedphotovoltai

25、c grid systemJ. Journal of oftechnology, 2015, 43(6):655-659. (in Chi)2B., W. Li, Y. Gu, W. Cui and X. He, “ImprovedTransformerless Inverter With Common-Meakage(a) 測試模型Currenimination for a Photovoltaic Grid-Connected3500er System,” IEEE Trans.2, pp. 752762, Feb. 2012.er Electronics, vol. 27, no.水布面

26、組件表面18003Huafeng Xiao, Shaojun Xie, “Leakage CurrentyticalMand Application in Single-Phase Transformerless水與邊框無接觸Photovoltaic Grid-Connected Inverter”, IEEE Tanions on80與邊框接觸程度Electromagnitics Compatibility, vol. 52, no. 4, Nov 2010(b) 測試數(shù)據(jù)在光伏板的實驗測試4Wuhua Li, Yunjie Gu, Haoze Luo, Wenfeng Cui, Xiang

27、ning圖 9 水He, and Changliang Xia. “Topology Review and DerivationMethodology of Single-Phase Transformerless PhotovoltaicFig.9 Experimental measurements of rain water collected inphotovoltaic panelsInverters for Leakage Current Suppres”, IEEE Trans.5. 結(jié)論Industrial Electronics, vol. 62, no. 7, Jul. 20

28、15, pp.本文系統(tǒng)化的了水作為介質(zhì)和電極兩種情況4537-4551.J. Myrzik and M. Calais, “String and moduleegrated下對光伏板寄生電容的影響。從電場能量角度合理的解釋了電容增大的原因。通過大量仿真分析發(fā)現(xiàn)兩種情況下水一旦與邊框接觸，電容值會迅速變得很大，并且水與邊框接觸的5inverters for single-phase grid connected photovoltaicsystemsA review,” presented at the IEEEBologna, Italy, Jun. 2326, 2003, vol. 2.er Tech.,越多電容值越大。然而當水不與邊框接觸時，水的存在幾乎都光伏板寄生電容無影響。不同的是，水作為電極仿出的電容值比水作為介質(zhì)要大的多，實際測試數(shù)據(jù)也表明，水作為電極解釋更為合理?；诜治鎏岢隽藘?yōu)