分布式光伏发电并网的成本_效益分析

第 33 卷 第 34 期 中 国 电 机 工 程 学 报 Vol.33 No.34 Dec.5, 2013 50 2013 年 12 月 5 日 Proceedings of the CSEE 2013 Chin.Soc.for Elec.Eng. 文章编号 0258-8013 2013 34-0050-07 中图分类号 X 511 文献标志码 A 学科分类号 470 20 分布式光伏发电并网的成本 /效益分析苏剑，周莉梅，李蕊中国电力科学研究院，北京市 海淀区 100192 Cost-benefit Analysis of Distributed Grid-connected Photovoltaic Power Generation SU Jian, ZHOU Limei, LI Rui China Electric Power Research Institute, Haidian District, Beijing 100192, China ABSTRACT Under the enormous challenges of global energy conservation, emission reduction and energy security, the development of renewable energy becomes an important way for promoting economic transition in post-crisis era and developing low carbon economy. The National Development and Reform Commission NDRC [2013] No.1638 issued makes numerous photovoltaic enterprises see the starting signs of the domestic market. First of all, the main operation modes of photovoltaic PV power generation in China were analysed and the life cycle cost-benefit calculation process, method and model of PV power generation were put forward in the paper. Then two kinds of grid-connected scenarios of PV power generation were analyzed. Finally took operation modes and government subsidies into consideration comprehensively, cost benefit evaluation on a real case was done. The results indicate that the benefit electricity price subsidies are better than that of construction subsidies. This research helps to resolve effectively economic issues of distributed grid-connected photovoltaic power generation, providing theoretical basis for the development of PV operation and management modes and related policies. KEY WORDS distributed photovoltaic power generation; operation modes; grid-connected scenario; total life cycle cost; benefit/cost ratio paradigm 摘要 在全球节能减排、 能源安全的巨大挑战下， 发展可再生能源成为推动后危机时代经济转型、 发展低碳经济的重要手段。 而国家发改委发改价格 [2013]1638 号文的出台， 使众多光伏企业看到了国内市场开始启动的迹象。 文章分析了目前国内光伏发电的主要运营模式， 提出分布式光伏发电并网的经济性评价流程， 建立了不同运营模式下光伏发电的全寿命周期成本 /效益计算方法与模型，并分析了不同运营模式下分布式光伏发电的两种并网设计方案。 最后综合考虑运营基金项目 国家科技支撑计划重大项目 2013BAA01B01 ；国家电网公司科技项目 52182012YOOJ 。Key Project of the National Research Program of China 2013BAA01B01; Science and Technology Project of State Grid Corporation of China 52182012YOOJ. 管理模式、 发改价格 [2013]1638 号文规定的补贴方式， 对某实际案例进行成本效益分析。 结果表明， 对于分布式光伏发电项目， 电价补贴方式的成本效益优于建设补贴方式， 因此发改价格 [2013]1638 号文的出台， 必将激励国内光伏市场的启动。研究成果有助于解决光伏发电并网成本效益的问题，为光伏发电并网及运营管理模式等相关配套政策的制定奠定理论基础。关键词 分布式光伏发电；运营模式；并网方案；全寿命周期费用；成本 /效益评估方法0 引言随着常规能源供应的日益紧张和环保呼声的高涨，发展分布式新能源已成为世界各国促进节能减排的重要举措之一。我国虽是世界光伏产业大国，但产品的国内消费不到 10，严重依赖出口，尤其是近两年，金融危机下欧美市场疲软，已经对整个中国光伏产业造成重创。改变依靠国外消费市场局面， 尽快培育国内市场的共识得到政府支持 [1-3] 。 国家相关部门出台一系列业内所称的“救市”政策对光伏产业进行刺激，尤其是国家发改委 2013 年 8月 26 日发布的发改价格 [2013]1638 号关于发挥价格杠杆作用促进光伏产业健康发展的通知 [4] ，明确对分布式光伏发电实行按照全电量补贴的政策， 电价补贴标准为每千瓦时 0.42 元。 这一政策出台使众多光伏企业看到了国内市场开始启动的迹象。除政府补贴电价外，光伏发电运营模式也是影响分布式光伏发电并网成本 /效益的重要因素。目前，我国光伏发电运营模式主要以光伏电量全额上网的统购统销模式为主，其次是电源投资方与用户不是同一法人的合同能源管理模式，用户自建的自发自用模式应用最少。从投资主体来看，统购统销模式以发电集团和光伏电源生产企业为主；合同能源管理模式主要是国家支持的金太阳工程，第 34 期 苏剑等分布式光伏发电并网的成本 /效益分析 51 以工业园区、高新科技园区、经济开发区、集中应用示范区为主；自发自用模式主要是国家支持的金太阳工程，以楼宇示范项目、校园、生态城和工业用户为主。从现有研究来看，国内外对光伏发电的关注主要集中在行业动态、 补贴政策、 投资可行性、 光伏发电并网的经济效益以及综合评价体系研究等 [5-16] ，尚鲜见对光伏发电运营模式的成本 /效益进行分析。从技术方案来看，现有研究只考虑了光伏发电系统本身的成本与效益，并与常规发电系统进行了比较，并未考虑不同运营模式、不同并网方案以及不同补贴政策等对光伏发电并网成本与效益的影响。本文克服了现有研究只关注光伏发电系统本身经济性的问题，综合考虑分布式光伏发电的运营模式、 并网方案、 补贴政策以及产权分界点等因素，提出一种采用全寿命周期收益 /成本 benefit/cost ，B/C 方法评价分布式光伏发电运营模式经济性的方法；建立不同运营模式下光伏发电并网的全寿命周期成本 /效益模型； 并以实际案例验证了所提方法与模型的有效性。本文的研究成果有助于解决分布式光伏发电在不同运营模式下的并网经济性问题，为光伏发电运营管理模式及相关配套政策的制定奠定了坚实的理论基础。1 我国光伏发电运营模式分析1.1 运营模式的分类目前，我国光伏发电项目投资多元化，投资驱动力复杂化，运营模式尚未完全理顺，但归纳起来主要有 3 种，即统购统销运营模式、合同能源管理模式和用户自发自用模式 [17-18] 。此外，还有以上几种模式的混合模式。1.2 几种典型的运营模式1.2.1 统购统销模式统购统销模式，即第三方投资方负责光伏发电的投资、建设和运维，享有光伏发电的经营权，所发电量全部送入公共电网，供电企业负责全额收购光伏所发电量。 在这种模式下， 光伏发电作为电源，基本上通过 11066、 35 kV 变电站、中压或低压母线上网，然后供给用户，因此光伏电源和用户通常位于不同地点。电源投资方会获得政府的建设补贴或电价补贴 1）在建设补贴方式下，发电商按照燃煤脱硫机组标杆电价将所发电量全部卖给电网企业； 2）在电价补贴方式下，发电商按照上网标杆电价将所发电量全部卖给电网企业，无需承担接网费和备用费。这是目前国内普遍采用的一种运营模式，特别是那些大型的风电场和光伏电站都是作为电源直接上网的。这种模式降低了分布式光伏对电网运行的影响， 同时便于电量计量， 有利于实施分时电价等需求侧管理措施。该模式下的光伏发电项目主要是国家支持的金太阳工程光伏发电项目，多为建设在公共区域的公共项目，一部分是地方政府建设的示范工程，相当一部分是电源生产商和发电集团为了完成碳排放任务和品牌效应建设的光伏电站示范项目。1.2.2 合同能源管理模式合同能源管理模式，即第三方投资者投资建设光伏电源，所发电量优先满足和光伏电源位于同一地点的用户使用，多余电量上网，不足电量由电网企业按当地销售电价向用户提供。在这种模式下，光伏发电逆变并到低压电网后直接送到用户，投资者按全电量获得政府补贴。光伏多余电量按照当地燃煤脱硫机组标杆电价由供电企业收购，供电企业并按照当地销售目录电价向用户收取下网电量电费。这种模式真正实现了光伏发电的就地消纳，多余电量卖给市电，不足电量由市电供给。该模式下的光伏发电项目投资动机比较复杂，既有以自发自用为主的项目，也有自用较少，主要供给他人使用的项目，还有全部供给他人使用的项目。其中，投资机构、电源生产商和发电集团都有通过售电而赚取超额利润的诉求，对我国光伏发电运营模式提出了突破性的挑战。1.2.3 自发自用模式自发自用模式，即用户自己建设光伏电站，所发电量优先自用，多余电量上网，不足电量由电网提供。分布式电源和用户位于同一地点，且为同一法人。在这种模式下，用户所发电量优先自用，多余电量按照当地燃煤脱硫机组标杆电价卖给电网企业，同时按全电量获得政府补贴；电网企业以当地销售目录电价收取下网电量电费。目前，这些由用户自己投资的项目主要靠政府补贴和节省电费收回投资成本。一部分光伏项目投资方是有节能意愿又具备较高支付能力的用户；一部分是偏远地区的使用者，一部分是医院等具有较高可靠性要求的用户，还有相当一部分是装机规模较大的工商业用户。52 中 国 电 机 工 程 学 报 第 33 卷1.2.4 混合模式混合模式基本上是以上 3 种模式中任意 2 种或3 种模式的组合，投资公司建设的大型光伏示范工程一般采用混合模式。例如中新天津生态城是国家和政府支持的新能源示范工程，生态城投资公司自己建设且为自己供电的分布式光伏发电设施按“自发自用”模式运营；在其他单位场所建设并为该单位供电的分布式光伏发电设施，按合同能源管理模式经营；利用公共场地建设的光电设施，采用统购统销模式。 因此， 虽然整个示范工程采用混合模式，但就单个项目来说仍然采用单一运营模式。2 光伏发电并网成本 /效益分析流程与模型本文依据收益 /成本评估方法，简称 B/C 法 [19] ，建立了光伏发电的全寿命周期成本 /效益模型， 提出了分布式光伏发电并网的成本效益分析流程如图 1所示，主要包括以下步骤。控制性详细规划计算各运营模式下的成本构成计算全寿命期总成本现值光伏出力与负荷匹配分析，并确定光伏发电装机容量确定光伏发电的试点区域开始试点区域负荷预测列出备选的光伏发电运营模式， 分析每种模式的可行性确定光伏发电接入方案和用户配电网改造方案确定边界条件和计算参数计算各模式下收益 /成本的比值分析每种方案的盈亏情况，选出最优方案结束计算各运营模式下的收入构成计算全寿命期总收入现值合同能源太阳能资源状况自发自用区域发展规划统购统销合同能源自发自用光伏补贴方式配电设备造价图 1 分布式光伏发电并网的成本效益分析流程Fig. 1 Cost-benefit analysis process of distributed grid-connected photovoltaic power generation 1）根据太阳能资源状况、城市或区域发展规划确定光伏发电试点区域。2）依据试点区域的发展规划和控制性详细规划，进行负荷总量和空间负荷预测。3）依据试点区域太阳能资源状况和负荷特性情况，进行光伏发电出力与负荷曲线的匹配分析，详见图 2。曲线对时间的积分为电量，主要分为以下 3 部分第①部分为光伏发电上网电量；第②部分为用户的用电量 光伏发电作为电源 ；第③部分为用户的用电量 公共配电网作为电源 。并结合投资规模、地域限制等因素共同确定光伏发电的装机容量。光伏出力负荷P/kWT/h24 0 6 12 18 ③ ②①③图 2 光伏发电出力和用电负荷之间的关系曲线Fig. 2 Typical variation curve of PV outputand load forecasting 4）列出备选的光伏发电运营模式，分析每种运营模式的可行性及优缺点。5）根据试点区域现状，确定光伏发电在不同运营模式下的接入方案和用户配电网改造方案。6） 明确光伏发电在不同运营模式下的边界条件和计算参数， 如补贴政策、 配电设备造价、 电价等。7）计算光伏发电在不同运营模式下的成本构成，主要包括光伏发电的初期投资及其运行维护费用、 用户配电网的初期投资 指光伏接入导致的建设投资， 含接网费 及其运行维护费用和贷款利息。 此外还包括损耗费用、停电损失费用和房顶租金等。采用不同的运营模式，投资者的成本构成会有所不同，如图 3 所示。各部分成本的计算如式 1 7所示。统购统销模式光伏发电初期投资光伏发电运维费用贷款利息损耗费用停电损失费用用户配电网初期投资用户配电网运维费用合同能源管理模式或自发自用模式图 3 不同运营模式下光伏发电并网的成本构成Fig. 3 Cost structure of PV investors in different operation modes 光伏发电的初期投资费用为第 34 期 苏剑等分布式光伏发电并网的成本 /效益分析 53 g wI WC 1 式中 Ig 为光伏发电的初期投资费用； W 为光伏发电的装机容量； Cw 为单位装机容量成本。用户配电网初期投资费用为e0 ni iiI Q I ∑ 2 式中 Ie 为用户配电网的初期投资费用； Qi 为不同配电设备的建设规模； I i 为不同配电设备的单位综合造价。光伏发电的年运行维护费用为g g gM I R 3 式中 Mg 为光伏发电的年运行维护费用； Rg 为光伏发电的运行维护率。用户配电网的年运行维护费用为e e eM I R 4 式中 Me 为用户配电网的年运行维护费用； Re为用户配电网的运行维护率。年贷款利息为l g r lC I i i 5 式中 Cl 为年贷款利息； ir 为投资贷款比例； il 为年贷款利率。光伏发电的年损耗费用为365l g c g g c l1[ ]i i iiL E E P E P R ∑ 6 式中 Ll 为光伏发电的年损耗费用； Egi 为并网光伏日上网电量 图 2 中①的面积 ； Eci 为并网光伏日自发自用电量 图 2 中②的面积 ； Pg 为政府补贴电价；Pc 为当地燃煤机组标杆上网电价； Rl 为年线损率。年直接停电损失费用为365outage g c g g c 31[ ]1 i i iiC E E P E P R -∑ 7 式中 Coutage 为年直接停电损失费用； R3 为供电可靠率。8）计算光伏发电在不同运营模式下的收入构成，主要包括光伏发电上网电量收入和政府补贴，此外还包括节省的电费收入。采用不同的运营模式，投资者的收入构成会有所不同，如图 4 所示。光伏发电年上网电量收入为365b g c1iiI E P ∑ 8 政府补贴一般有两种形式，两者选其一一种统购统销模式或合同能源管理模式光伏发电上网电量收入政府补贴节省的电费收入自发自用模式图 4 不同运营模式下光伏发电并网的收入构成Fig .4 Revenue structure of PV investors in different operation modes 是电价补贴，由国家发展和改革委员会确定电价补贴标准；一种是建设投资补贴，一般占初期建设投资的一定比例 如金太阳工程为 50，这种补贴方式正在逐步取消。每年电价补贴收入为365p g c g1 i iiG E E P ∑ 9 或一次性建设补贴c gG I r 10 式中 r 为建设投资补贴比例。节省的年电费收入为365k c k1iiI E P ∑ 11 式中 Pk 为平均售电价格。9）计算光伏发电在不同运营模式下的设备全寿命周期总成本现值和总收入现值。统购统销模式下总成本现值为p g g l l outage c0 1 nttC I M C L C i - ∑ 12 式中 t 为设备寿命期； i c 为折现率。合同能源管理和自发自用模式下总成本现值为p g e g e l l outage c0 1 nttC I I M M C L C i - ∑ 13 电价补贴方式 自发自用模式 下的总收入现值为p b k c0 1 nttB G I I i - ∑ 14 建设补贴方式 自发自用模式 下的总收入现值为p b k c0 1 nttB G I I i - ∑ 15 10）计算不同运营模式下总收益和总成本的比值为I p p/P B C 16 通过以上步骤分析每种方案的盈亏情况，从而选出经济性最优的方案。54 中 国 电 机 工 程 学 报 第 33 卷3 分布式光伏发电并网设计方案3.1 并网方案的分类根据光伏发电的运营模式、接入电压等级、接入点位置来确定其并网设计方案。对于接入电压等级为 0.4 kV 低压电网的小型光伏电站， 并网设计方案一般有接入公共电网和接入用户电网两种。3.2 两种典型的并网方案3.2.1 接入公共电网的并网方案接入公共电网的并网方案主要适用于在统购统销运营模式的光伏发电，公共连接点为公共电网配电箱 /线路， 公共电网配电室或箱变低压母线， 并网点和产权分界点在同一点，接线示意图如图 5 所示。该方案分单点接入和多点接入两种情况，计量简单，便于维护、调度和管理。负荷光伏单元并网点产权分界点公共电网 380/220V 配电箱、母线或架空线 公共连接点负荷光伏单元并网点产权分界点公共电网 380/220V 配电箱、母线或架空线公共连接点a 单点接入 b 多点接入“““～ ～ ～图 5 分布式光伏并网方案 1Fig. 5 Grid-connected scheme 1 of distributed PV 3.2.2 接入用户电网的并网方案接入用户电网的并网方案主要适用于合同能源管理模式和自发自用模式，接入点为用户配电箱 /线路，用户配电室或箱变低压母线，并网点和产权分界点不在同一点，接线示意图如图 6 所示。在该方案中， 以每栋楼屋顶光伏电源为单元， 进入楼内低用户内部负荷光伏用户内部负荷光伏10/0.4 kV10 kV 公共电网公共电网 380/220V 配电箱、线路并网点公共连接点产权分界点380/220 V 用户配电箱、线路公共连接点产权分界点并网点用户 380 V 母线用户内部负荷“～～图 6 分布式光伏并网方案 2Fig. 6 Grid-connected scheme 2 of distributed PV 压用户配电箱，以每栋楼内配电箱低压入口处为并网点， 再通过低压线路接入附近区域内的公共电网。4 实际案例分析4.1 新区概况某示范区起步区面积为 1.5 km 2，年最大负荷12.89 MW ， 以居民和商业负荷为主。 示范区楼房共328 栋， 5 536 户普通居民， 在每栋建筑屋顶布置光伏板，将整个住宅社区建设成建筑一体化并网型光伏发电项目。 示范区总辐射年总量约 1 500 kW h/m 2，年日照时数在 2 800 h 以上。太阳能装机 13.4 MW ，年发电量 13.147 GW h。4.2 可行方案设计根据政府补贴方式及光伏发电运营管理模式，形成了 6 种可行方案，详见表 1。表 1 可行方案设计Tab. 1 Feasible proposals 方案编号 补贴方式 运营模式1 统购统销2 合同能源3 电价补贴自发自用4 统购统销5 合同能源6 建设补贴自发自用4.3 光伏出力与负荷的匹配分析图 7 显示了春、夏、秋、冬四季典型日的光伏出力曲线和负荷曲线。经计算，示范区各季节及全年均无法实现电力电量平衡 全年 79的时间内负荷大于光伏出力， 66的电量需要向大电网购电，详见表 2。时刻a 春季P/MW0481200000500100020001500光伏出力负荷时刻b 夏季P/MW0481200000500100020001500光伏出力负荷时刻c 秋季P/MW0481200000500100020001500光伏出力负荷时刻d 冬季P/MW0481200000500100020001500光伏出力负荷图 7 四季典型日光伏出力和负荷曲线的匹配分析Fig. 7 Matching analysis between PV output andload in a typical day of four seasons 第 34 期 苏剑等分布式光伏发电并网的成本 /效益分析 55 表 2 光伏发电示范项目电力电量平衡情况Tab. 2 Electric power and energybalance of the PV demonstration project 时间平衡情况春 夏 秋 冬 全年电力平衡率 / 25 38 21 0 21 电量平衡率 / 39 47 31 20 34 注 电力平衡率指各季节或全年光伏发电出力大于负荷的时间所占比例；电量平衡率指各季节或全年光伏发电量占用电量的比例。光伏出力与用户负荷的匹配情况对统购统销模式并网光伏的成本效益基本没有影响。由于政府补贴电价加当地燃煤机组脱硫电价高于居民电价，因此在合同能源管理模式和自发自用模式下，光伏出力越高于用户负荷，光伏并网的成本效益越高。4.4 边界条件与计算参数1）光伏设备寿命周期按 25 年考虑，光伏设备运维率为 3。2）供电可靠率为 99.898 4，线损率为 4，电价详见表 3。表 3 电价情况Tab. 3 Tariffs mechanism of China 电价类型 价格 /元 /kW h 电价类型 价格 /元 /kWh火电机组脱硫电价 0.25 政府补贴电价 0.42 光伏上网标杆电价 0.95 年均售电价 0.49 3）建设补贴比例为 50，贷款比例为 25。4.5 成本 /效益分析结果依据式 1 16， 图 8、 9 给出了不同方案在全B/C值0.501.252.002.75统购统销 自发自用 合同能源7 元 /Wp10 元 /Wp 13 元 /Wp 15 元 /Wp 图 8 电价补贴方式下不同光伏电源单位装机成本的 B/C 值Fig. 8 B/C value in different unit installation cost of PV power by price subsidy way B/C值0.00.40.81.2统购统销 自发自用 合同能源7 元 /Wp 10 元 /Wp 13 元 /Wp 15 元 /Wp 图 9 建设补贴方式时不同光伏电源单位装机成本的 B/C 值Fig. 9 B/C value in different unit installation cost of PV power by construction investment subsidy way 寿命周期内总费用现值的 B/C 值，计算结果表明1）从设备全寿命周期来看，在电价补贴方式下，光伏并网的成本效益明显优于建设补贴方式，且能够保证建设的光伏项目并网发电。2）光伏电源单位装机成本对光伏发电的成本效益影响较为明显，例如在电价补贴方式下，当光伏电源单位装机成本下降到 10 元 /Wp 时，光伏发电在 3 种运营模式下都是盈利的。3）在电价补贴方式下，由于统购统销模式采用光伏上网标杆电价，因此其成本效益优于自发自用和合同能源管理模式。4）由于示例中用户用电量较大，在自发自用模式中，用户节省的电量费用比较可观，因此自发自用模式的成本效益优于合同能源管理模式，在建设补贴方式下也优于统购统销模式。5 结论光伏市场目前仍是一个政策市场，激励政策的变化对光伏市场和企业影响巨大。未来光伏发电采用的运营模式取决于政府、供电企业和独立投资者之间的博弈。针对不同光伏发电运营模式，提出一种采用 B/C 法评价光伏发电并网成本 /效益的方法，并以实际案例验证了本方法的有效性。研究结果表明 1）我国光伏发电的运营模式尚未完全理顺，目前以统购统销为主，合同能源管理模式为辅，自发自用应用较少； 2）对于分布式光伏发电项目，电价补贴方式的成本效益优于建设补贴方式，因此，国家发改委发改价格 [2013]1638 号文的出台必将激励国内的光伏市场； 3）光伏单位装机成本对光伏发电成本效益影响显著，随着光伏组件价格的下降，我国分布式光伏发电具有较大的利润空间。参考文献[1] 陆利忠， 周章贵． 分布式光伏发电示范项目政策分析与合同法律问题探究 [J] ．上海节能， 20131 24-28．Lu Lizhong ， Zhou Zhanggui ． Policy analysis and contract law problems probing of distributed photovoltaic power generation demonstration project[J] ． Shanghai Energy Conservation， 20131 24-28in Chinese ．[2] 付静． 我国光伏产业国际竞争力现状及提升路径 [J]． 河北大学学报， 20132 53-57．Fu Jing ． The status of international competitiveness and development approaches of China ’ s PV industry[J] ．Journal of Hebei University ， 20132 53-57in Chinese．[3] A Bayaliyev ， J Kalloz， M Robinson ． China’ 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