93水作为介质和电极时对光伏板寄生电容的影响

1、第十一届中国高校电力电子与电力传动学术年会水作为介质和电极时对光伏板寄生电容的影响於少林（合肥工业大学、电气与自动化、合肥 230009）摘 要： 共模漏电流问题是光伏系统中的一个重要问题并且很大程度上取决于光伏板对地电容的值。一些文章表明在潮湿或者雨水环境下，光伏板寄生电容值会变大，但没有给出详细的解释甚至了一些概念。本文首先介绍了光伏板寄生电容产生机理和较为清晰的电容模型，并采用有限元法电磁仿真对光伏板寄生电容进行提取。其次从水在光伏板表面的大小等角度系统化的研究了水作为介质和电极两种情况下对光伏板寄生电容的影响，同时从电场能量角度合理解释了雨水环境中寄生电容增大的原因并提出光伏板的优化设

2、计设想。最终实验结果也验证了电容模型和仿真分析的准确性。：水；寄生电容；光伏板；3D 电磁仿真；电场能量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。然而当雨水落在光伏板表面，可能会溶解一些电解质，加上雨水本身含有导电的离子，具有一定导电性，所以文献6-8将光伏板表面的水看成一层导电1. 引言在由非型光伏逆变器的PV 接地系统中，存在接地共模电流回路。光伏板的寄生电容是回路阻抗的主要组成部分，它的大小，对共模电流的值有着层，相当于有了电极的性质。文献9认为在环境下，即光伏板表面被水浸满时可将水看成电极，而一般情况下可作为介质来计算，但是文章缺乏对应的实验论证，不具说服力。很大影响1-3。关于光伏板寄生电容的并不是很多。只有在一些 EMI，漏

7、电流的相关文章中才会简单介绍到。影响光伏板寄生电容有模块的尺寸，对地高本文系统化了水对组件寄生电容的影响，首度，环境，湿度等2-5。但环境光伏板寄生电容的影响缺乏详细的尤其是雨水对和准确的分析。先介绍了光伏板寄生电容产生机理和电容模型。通过3D 电磁仿真，对比水作为介质和电极两种情况下，光伏板寄生电容的变化情况。合理的从电场能量角度解文献3-5将在光伏板表面的水看成介质，因其具有较大介电常数导致电容值变大，这种解释比较符合一水作为介质和电极时对光伏板寄生电容的影响释了两种情况下组件寄生电容变大的原因，基于一系列仿真分析给出了光伏板的优化设计方案，以减小雨水对其寄生电容的影响。最终通过真实的实验

8、测试也验证了电容模型和仿真分析的准确性。之和。Ccr 与支架结构和光伏板安装方式有关，相对较小。 Ccg 决定于光伏板的对地高度 H，若 H 大于 500mm 时可忽略9。当阵列侧光伏板安装方式确定，Ccr 和Ccg的值会被限制在一定的范围内，不会有太大变化。此时 Ccf 将会成为光伏板寄生电容的主要部分，并受环境的影响较大。本文接下来的分析主要针对光伏板Ccf，即电池片到边框电容。2. 光伏板寄生电容模型图 1（a）为光伏板电池片的简易模型。为了将光伏效应产生的电压和电流引出，在电池片上会制作电极。这层电极实际上就是与电池的半导体材料结形成紧密欧姆接触的导电材料，电池的上电极（正面电极）一般

9、为梳状、网状，以便尽可能减少对受光面的遮蔽，而电池的下电极（背面电极）是一层金属层10。上电极的面积仅为下电极的 4%左右，电极的有效面积非常小，所以可忽略上电极与其他电极形成的电容效应，只考虑电池片的下电极。上电极水对光伏板寄生电容影响3D 有限元仿真分析光伏板内部结构较为复杂，尤其是电池片到边框并非传统的平行板电容器结构，所以通过公式计算其电容值非常。虽然有文章尝试利用经典的公式计算该部分电容，但采用表达式计算很难保证精度。本文采用有限元仿真来提取电容值，在静电场中，Maxwell 3D 电磁仿真则是通过在光伏板内外（电场区域的）电场能量来计算电容值，并且能量越大，电容值越大。所以通过 3

10、D 电磁仿真很容易仿出一些复杂结构间的电容值。仿真模型的结构和尺寸如图 3 所示，模型中材料的厚度和相对介电常数参照表一。PN 结下电极(a) 电池片模型Ccf铝边框Ccr电池片支架Ccg(a) 3D 结构边框7.5mm(b) 光伏板寄生电容模型图 1 电容模型Fig.1 Capacitance m对于传统光伏板结构，另外的三个电极是边框，支架，大地。分别与电池片背电极形成了：电池片到边框电容 Ccf、电池片到支架电容 Ccr、电池片到地电1 5mm玻璃EVA4mm电池片18mm 密封材料背板19mm容 C 9，如图 1（b）所示。在真实的光伏系统中，铝cg(b) 2D 结构图 2 3D FE

11、 EM 仿真模型边框和支架是同时接地的，理论上讲边框、支架与地位，所以光伏板寄生电容可认为是这三部分电容Fig.2 The simulation mof 3D FE EM地玻璃边框第十一届中国高校电力电子与电力传动学术年会表一 仿真模型参数Table.1 Simulation parameters块与两边框接触，其中水块的一边固定接触铝边框，保持 200mm 的宽度不变，另外一边 w 沿着边框变长。图 4（b）是仿真结果，从图中可以看到，当将水作为介质时，仿出的电容值随着水宽 w 的变大而缓慢变大，但不超过 100。而水作为电极考虑时，电容值虽然也是随着 w 的变长而变大，但其值要比水作为介质

12、时大的多。这组仿真结果说明，无论将水作为介质还是电极考虑，与边框接触的越多电容值越大，并且水作为电极情况下，会引入更大的寄生电容。厚度 (mm)材料相对介电常数3 20 50 30 50 25.72.64.410玻璃EVA电池片密封材料背板水对光伏板 Ccf 的影响与边框无接触图 3（a）是在 Maxwell 3D 中建立的仿真模型，其中用正方形水块模拟水在光伏板表面情况，在仿真中可对水的电导率进行设置，当水的电导率充分大时可模拟成导电层。水块位于玻璃表面正中间，不与边框接触。水块的宽度 w 由 200mm 不断增大到500mm。仿真结果如图 3（b）所示，两种情况下的仿真结水(a) 仿真模型

13、果都在 61左右，与光伏板表面没有水时的仿真结果1000一样，并且对比可以发现，无论将水作为介质还是电极去考虑，只要不与边框接触，电容值就不会随着水面积的变化而变化。水作为电极100水作为介质w (mm)10050 100 150 200 250 300 350 400水(b) 电池片到边框电容图 4 水与边框两边接触时的仿真分析Fig.4 The simulationysis of water contacting withadjacent sides of the frame3.2.3 与四周边框都接触当水与光伏板四周边框都接触时，其仿真模型如图 5（a）所示，水分布在光伏板边框区域，宽度

14、 w 不(a) 仿真模型70水作为电极断变大，从四周向中间区域表面，直至水布满光伏板60水作为介质仿真结果如图 5（b）所示，可以看到水作为介质时，随着光伏板四周水宽 w 的增大，电容值先增大，当水宽 w 在 35mm 左右时，电容值便不再增大。而水作为电极，电容值随着水宽 w 的增大一直增大，直至水布满组件整个表面，电容值达到最大值。由此可以得到结论：水作为介质时，影响光伏板电池边到边框电容的只是分布在边框周围区域的水，w (mm)500 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500(b) 电池片到边框电容图 3 水与边框无接触时的仿真分析Fig.3 The

15、simulation3.2.2 与两边框接触ysis of water apart from frame图 4（a）模拟水与边框接触的情况，首先假设水电池片到边框电容（)电池片到边框电容（)水玻璃边框水玻璃边框水作为介质和电极时对光伏板寄生电容的影响这个区域范围大概是电池片到边框的距离，而在域外，其他区域的材料也能够大量的电场能量，中间区域的水，对 Ccf 几乎没有影响。而水作为电极去因此电容值会变大，并且远远大于雨水作为介质时仿出的电容值。考虑，只要水与边框接触，水在组件表面连续面积越大，电容值越大。的边框水边框电池片电池片AB水边框水边框电池片电池片CD(a) 仿真模型图 6 光伏板 2D

16、 电场能量分布Fig.6 The distribution of the 2D electric field energy上述分析从电场能量分布角度探究了背后的电磁机理，合理解释光伏板寄生电容分布和有水环境下电容增大的原因。同时也能够为优化光伏板设计以减小1000100010010其内在寄生电容提供思路，可以从图中看到，由于光伏板玻璃的厚度和介电常数相对其他一些材料而言较)10 10 20 30 40 5060 70 8090 100(b) 电池片到边框电容图 5 水与边框都接触时对组件电容影响大，较多的电场能量在了玻璃区域，占据了Ccf很大一部分。在制造光伏板的时候，可考虑从材料学角度降低玻

17、璃的厚度和介电常数，一定程度上可以减小光伏板的寄生电容。另外从上述仿真分析可知，水只有在与边框接触后才会引入较大寄生电容，而不与边框接触时对光伏板没有影响。基于这样的思路，可在光伏板边框周围覆盖一层介电常数较小的聚合物，以隔绝水与边框的大规模接触，从而有效减小水对光伏板寄生电容的影响。ll sides ofFig.5 The simulationysis of water contacting withe frame3.3 电场能量从上述仿真分析可知，一旦水与边框接触，光伏板的寄生电容会变大，并且将水作为电极会比水作为介质情况带来更大的寄生电容。图6 示出2D 仿真时在光伏板内的电场能量分布图

18、。A 图是光伏板表面没有水时的电场能量分4. 实验测试布，可以看到电场能量主要集中在电池片边缘到边框区域，电池片到边框电容 Ccf 大小主要取决于这部分电图 7 是光伏板电池片到边框电容 Ccf 的测试。场能量的强弱。B 图是光伏板表面有水但不与边测试仪器是变压器自动分析仪，工作原理跟 RLC 测试仪类似。测试夹具的一头夹光伏板的正极，另外一头夹边框，分别测试了功率为 10W，50W 和 250W 三块光伏板的 Ccf。三块光伏板的电容仿真值和测试值如表二所示。从表中可以看到，测试值与仿真值虽接近，但有误差，误差在 20-30%之间。存在误差是因为在仿真软件中无法做到精确建模，原因主要有以下几

19、点：1）仿真模型中设置的光伏板材料的介电常数不可框接触时的仿真结果，虽然有水，但电场能量的分布与 A 图十分类似，所以电容值不会有太大变化。C、D 两图是水分别作为介质和电极两种情况下的电场分布图，C 图中水与边框接触，水作为介质具有较大的介电常数,所以明显看到电能的性能较强。相比于 A 图，很的电能，所以光伏板 Ccf 的值更大。而 D 图中水作为电极去考虑，相当于光伏板边框的延生，电池片与金属边框的交叠面积变大，除了边缘区电池片到边框电容（)0水作为电极水作为介质w (mm水玻璃边框第十一届中国高校电力电子与电力传动学术年会真值之和约为 131，与将边框，支架和大地连为整能与实际一致，因为

20、无法从厂商获得全部参数，而本文中表一的一些参数是参考其他文献中的。2）虽然仿真模型是参照真实光伏板 1:1 建模，但由于测量误差的存在，其尺寸与真实的光伏板难免会存在差别。体之后仿出的总电容值 130分电容模型的准确性。从实验角度看，测试出的光伏板总的电容值与仿真出的总电容值也是近似的，误差在 19%左右，正如上文分析所说，误差是在可接受范围内。也再次验证了仿真分析和实验测试的准确性。近似，进而验证了三部3）测试时外部的环境如周围的一些金属物质可能对有些影响。综合考虑，此误差在可以接受范围内，能够说明仿真分析和的准确性。变压器自动测试分析仪正极铜边框=300600mm组件(a) 测试模型图 7

21、 Ccf 的实验测试Fig.7 Experimental measurement of Ccf表二 测试数据与仿真数据的对比=300Table.2 Comparison betn tested data and simulated data组件功率(W)10仿真值(23)测试值(31)误差26%50618528%25024030020%图 8 中的实验测试是对电容模型进行验证，图 8(b) 仿真模型图 8 光伏板寄生电容的实验测试Fig.8 Experimental measurement of parasitic capacitance of photovoltaic panels对雨水情况

22、下，光伏板电池片到边框寄生电容 Ccf也进行了实验测试，因对水的形态难以控制，所以实验采取从光伏板中间区域向四周倒水的方案，如图 9（a）是实际的测试板倾角 设为 300。，用一块铜片模拟大地，光伏中光伏板边框，支架和大地是良性接触的，这三块电极相当于成为了一个整体，所 以当测试夹具一头夹光伏板正极，另外一头分别夹边 框，支架，大地时，测出的电容值是近似一样的为 160，这个电容值即为光伏板的总的电容值。仿真模型如图 8（b）所示，为了便于展现支架等结构，图中隐藏了光伏板玻璃、EVA，背板等材料。通过 3D FE EM 仿真，分别仿出了电池片对边框电容Ccf 为 56 ，电池片对支架电容 Cc

23、r 为 59 ，电池片对（a）所示。在光伏板中间区域，随着水越聚越多逐渐向四周扩散，并开始与边框接触，直至水布如图 9（b）所示，从图在光伏板中间区域且与四周边满光伏板整个表面。中可以看到，当水框有一定距离时，无论水多少，测得电容值几乎地电容 Ccg 为 16。接着在仿真中，将边框，支没有变化，并且其值大小与无水时的测得值一样。而当水开始与边框有接触时，测得的电容值稍微变大，当与边框接触程度越来越大时，电容值也逐渐变大。当光伏板表面布满水时，测得的电容值达到最大值为3.46nF。架和大地Unit 为一个整体，目的是将三部分电极连接为整体，此时仿真模型更加贴近实际的测试模型，仿出的电容值即为光伏

24、板总电容值，约为 130 。从仿真角度来看，三部分电容 Ccf、Ccr、Ccg 的仿700mm水作为介质和电极时对光伏板寄生电容的影响实验测试中的电容的变化趋势与仿真模拟的结果非常吻合，数值上也与水作为电极时的仿真结果贴近，一定程度上也说明了将水作为电极来而不仅仅是介质。更为合理，参考文献：1抑制J. 浙江工业大学学报, 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) 测试模型Currenimination for a Photovoltaic Grid-Connected3500er System,” IEEE Trans.2, pp. 752762, Feb. 2012.er Electronics, vol. 27, no.水布面

26、组件表面18003Huafeng Xiao, Shaojun Xie, “Leakage CurrentyticalMand Application in Single-Phase Transformerless水与边框无接触Photovoltaic Grid-Connected Inverter”, IEEE Tanions on80与边框接触程度Electromagnitics Compatibility, vol. 52, no. 4, Nov 2010(b) 测试数据在光伏板的实验测试4Wuhua Li, Yunjie Gu, Haoze Luo, Wenfeng Cui, Xiang

27、ning图 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. 结论Industrial Electronics, vol. 62, no. 7, Jul. 20

28、15, pp.本文系统化的了水作为介质和电极两种情况4537-4551.J. Myrzik and M. Calais, “String and moduleegrated下对光伏板寄生电容的影响。从电场能量角度合理的解释了电容增大的原因。通过大量仿真分析发现两种情况下水一旦与边框接触，电容值会迅速变得很大，并且水与边框接触的5inverters for single-phase grid connected photovoltaicsystemsA review,” presented at the IEEEBologna, Italy, Jun. 2326, 2003, vol. 2.er Tech.,越多电容值越大。然而当水不与边框接触时，水的存在几乎都光伏板寄生电容无影响。不同的是，水作为电极仿出的电容值比水作为介质要大的多，实际测试数据也表明，水作为电极解释更为合理。基于分析提出了优