用于家禽养殖应用的直流耦合光伏与电池储能系统的技术优化：基于能源利用指数的双循环方法

《Applied Sciences》：Technical Optimization of a DC-Coupled Photovoltaic System with Battery Energy Storage for Poultry Farm Applications: A Two-Loop Methodology Based on Energy Utilization Indices

　　

本研究提出了一种新颖的迭代双循环方法，用于直流耦合光伏-电池储能系统（DC-coupled PV-BESS）的技术性容量确定。该方法针对一个商业肉鸡养殖场实施，其用电需求特征为高度波动（年用电量：7.6 MWh；变异系数：53%）。该方法引入了两个原创的能源利用指标——光伏到转换器匹配因子（W_{PV_S}）和光伏到电池储能系统匹配因子（W_{PV_B}）——从而实现了独立于经济条件的纯技术优化。对W_{PV_B}特征曲线曲率半径的最小化被用作确定最优电池储能系统（BESS）容量的严格数学判据。仿真结果表明，最优配置包括一个9.7 kWp的光伏系统、一个7 kW的直流转换器和一个15 kWh的电池储能系统。集成最优规模的储能系统将自消耗覆盖率从38%提高至59%，并将光伏能源利用因子从35%提升至54%。附加的经济分析表明，仅光伏子系统在所选定价情景下的简单投资回收期为8至18年。因此，使用所提出的方法确定的技术最优配置，对于在波兰净计费条件下运营的肉鸡生产设施而言，是一个实际可行的投资方案。所提出的方法为农业产消者设施中直流耦合光伏-电池储能系统（DC-coupled PV-BESS）的设计提供了一个可重复、独立于经济条件的框架，填补了优化文献中的一个关键空白，并为类似高度波动负荷曲线提供了实践性容量确定指南。

**研究背景与问题**
全球分布式光伏（PV）系统的加速部署正在改变电力生产格局和产消者能源管理法规。波兰自2021年起从净计量转向净计费，使优化目标转向最大化现场自消耗，这对农业等高能耗企业的技术优化提出了更高要求。家禽养殖设施（尤其是肉鸡舍）的负荷曲线由生物与工艺因素驱动：生产周期离散（约43天循环，间隔15天准备）、日龄依赖的通风控制阈值、以及双段风机架构（连续基荷与阈值触发峰荷），导致电力需求呈现高度非正态分布（冬季峰荷段峰度超1100）。现有研究缺乏针对此类设施、基于真实一分钟分辨率运行数据、且使用纯技术标准优化完整直流架构PV-BESS系统的文献，这构成了本研究的核心动机。

**研究内容与结论**
研究人员提出了一种新颖的迭代双循环方法，用于DC-coupled PV-BESS系统的技术性容量确定。通过对波兰?osice县一家肉鸡养殖场（年用电7.6 MWh，变异系数53%）的仿真，得到最优配置为9.7 kWp光伏阵列、7 kW DC/DC转换器和15 kWh LiFePO₄电池储能。集成储能后，自消耗覆盖率（W_men）从38%升至59%，光伏能源利用率（W_eur）从35%升至54%。经济分析显示，在净计费条件下，仅光伏子系统的简单投资回收期为8-18年，而最优配置的整体回收期为8.4-17.3年，取决于硬件等级。该研究提供了一种可重复、经济独立的优化框架，填补了农业产消者高波动负荷场景下DC PV-BESS系统设计的空白。论文发表在《Applied Sciences》。

**主要技术方法**
研究采用以下关键技术方法：
（1）双循环迭代算法：外循环通过最大化光伏到转换器匹配因子（W_{PV_S}）确定光伏阵列和DC/DC转换器的最优容量比（逆变器负荷比ILR≈1.40）；内循环通过最小化光伏到电池储能系统匹配因子（W_{PV_B}）特征曲线的曲率半径，确定最优BESS容量。
（2）基于负荷相关效率的转换器模型：采用分段函数描述DC/DC转换器效率与负载率的关系（负载率<0.1时二次多项式，≥0.1时线性）。
（3）基于电流倍率的电池效率模型：采用Su等人在25°C恒温下提出的效率公式，考虑充放电电流倍率（C_rat）的影响。
（4）数据来源：负荷数据来自波兰Mazowieckie省肉鸡舍的Twelve AS-3plus电能质量分析仪（1分钟间隔，IEC 61724-1 Class A），气候数据来自IMGW（60分钟间隔，Class C），均下采样至60分钟用于优化。

**研究结果**
**4.1 无储能光伏系统**
通过W_{PV_S}曲线族分析，发现最优光伏阵列超配系数约为40%（ILR≈1.39-1.42）。在无储能情况下，即使转换器功率增至19 kW，自消耗覆盖率不超过50%，光伏能源利用率仅17%。PV容量三倍增加导致超发电量四倍增长，而年能源缺口仅减少约20%，表明在波兰净计费条件下无限制扩大PV容量技术效率低下。

**4.2 带储能光伏系统**
W_{PV_B}系数随电池容量单调递增，其曲率半径最小值出现在15 kWh处，确认该容量为技术最优。将BESS从15 kWh翻倍至30 kWh仅提升能源利用率4个百分点，边际收益急剧递减。集成15 kWh储能后，7-8 kW转换器配置下自消耗覆盖率从约0.40提升至0.60。月度分析显示，3-10月系统降低电网用电约40%，而11-2月贡献微小。

**讨论与结论**
**讨论**：
- DC架构的最优ILR（≈1.40）与AC系统高值范围一致，其物理机制均为高辐照下的限损和低辐照下的转换器低效。W_{PV_S}指标明确纳入了DC/DC转换器的负荷依赖效率。
- 无储能时自消耗覆盖率不超过50%，与文献报道一致，反映出PV出力与冬季需求的时间错配。
- 技术最优的15 kWh BESS在经济上对预算级硬件可行（增量回收期8.3年），而对中档硬件则过长（>21年），揭示了技术最优与经济最优间的权衡。
- 峰荷段负荷分布的极端非正态性（冬季峰度>1100）对基于均值小时轮廓的BESS容量优化构成挑战，本研究通过一分钟分辨率数据部分缓解此问题。
- 季节性表现表明该系统更适合作为季节性供电补充，而非主要能源来源。

**结论**：
本研究提出并验证了一种用于DC耦合光伏-电池储能系统的纯技术优化双循环迭代方法，应用于商业肉鸡生产设施（年需求7.6 MWh，CV 53%）。得出以下结论：
（1）所提出的双循环优化算法——基于W_{PV_S}迭代最大化（循环1）和W_{PV_B}特征曲率半径最小化（循环2）——为DC PV-BESS系统的容量确定提供了一种计算高效、技术严格的方法，无需经济参数或元启发式算法。
（2）对于所分析的肉鸡生产设施，最优DC PV-BESS配置为9.7 kWp光伏阵列、7 kW DC/DC转换器和15 kWh BESS，对应ILR≈1.39（40%超配），基于真实运行数据通过DC专用方法得出。
（3）集成最优15 kWh BESS后，W_men从38%提升至59%，W_eur从35%提升至54%——两个指标相对改善约55%——证实了所提出方法在波兰净计费条件下的有效性。
（4）超过30 kWh BESS容量后，每翻倍储能容量PV能源利用率的增量改善降至不足4%，提供了一个独立于电价的、技术上合理的BESS容量上限。
（5）峰荷通风负荷的极端非正态性（冬季峰度>1100）对基于均值的BESS容量能量平衡计算提出了重要方法学问题。未来工作应研究时间分辨率敏感性、温度依赖的电池效率、PV衰减效应以及全技术经济分析。
（6）补充经济分析表明，完全基于技术标准选择的光伏系统（P_p=9.7 kWp, P_nDC=7 kW, C=15 kWh）在不同定价方案下简单投资回收期为8至18年。考虑到设备预期运行寿命25年，即使在6000次循环后更换电池，仍能提供令人满意的结果和产生用于设备更新的财务盈余。