欒偉杰，劉舒，程浩忠，張沈習，肖遠兵

(1.上海交通大學電力傳輸與功率變換控制教育部重點實驗室，上海市 200240；2.國網(wǎng)上海市電力公司，上海市200437)

考慮不同利益相關者的分布式電源并網(wǎng)成本效益分析

欒偉杰1，劉舒2，程浩忠1，張沈習1，肖遠兵1

(1.上海交通大學電力傳輸與功率變換控制教育部重點實驗室，上海市 200240；2.國網(wǎng)上海市電力公司，上海市200437)

隨著分布式電源接入配電網(wǎng)逐漸增多，其對分布式電源和配電網(wǎng)的成本效益產(chǎn)生了影響。在總結了當前分布式電源并網(wǎng)的商業(yè)模式的基礎上，采用凈現(xiàn)值法和投資回收期法從配電公司和獨立投資商兩個方面對分布式電源接入后配電網(wǎng)的成本效益進行了計算和分析。比較了不同商業(yè)模式和不同負荷大小下分布式電源并網(wǎng)的成本效益的不同。計算表明當前商業(yè)模式下分布式電源接入從經(jīng)濟上來說對配電公司是不利的，獨立投資商自用發(fā)電比例越大收益越多。

分布式電源；成本效益分析；并網(wǎng)商業(yè)模式；獨立投資商；配電網(wǎng)

0 引 言

隨著分布式電源(distributed generation，DG)接入配電網(wǎng)，網(wǎng)絡的運行和管理由被動變?yōu)橹鲃樱W(wǎng)絡的成本和效益也發(fā)生了變化。DG接入后，配電網(wǎng)內潮流變?yōu)殡p向流動，除配電公司外存在多個售電方，用戶在消費的同時也向電網(wǎng)輸送電力。DG接入對配電網(wǎng)的利益分配也帶來了深刻的影響。

文獻[1]詳細介紹了DG的環(huán)境效益，建立了環(huán)境效益評價體系，包括靜態(tài)效率、能源利用可靠性指標、熱電聯(lián)產(chǎn)機組環(huán)境評價指標等；文獻[2]針對用戶投資DG，提出了DG投資者因投資DG而增加的經(jīng)濟收益的概念；文獻[3]綜合考慮了分布式發(fā)電所帶來的環(huán)境效益及可靠性效益，利用成本效益分析法對DG接入后的電網(wǎng)進行可靠性和經(jīng)濟性的綜合評估；文獻[4]將DG接入效益概括為網(wǎng)損、可靠性、電能質量、環(huán)境改善、延緩網(wǎng)絡更新5個方面；文獻[5]研究了DG接入帶來的效益，從社會效益、經(jīng)濟效益、環(huán)境效益3個方面建立了分布式發(fā)電投資效益的綜合評價體系；文獻[6]研究了分布式光伏并網(wǎng)的商業(yè)模式，并以自消費模式為例，建立了自消費光伏發(fā)電項目的收益決策模型，得出不同的激勵政策對獨立投資商的不同影響。然而，多數(shù)DG經(jīng)濟收益研究僅僅針對整個電網(wǎng)，并未考慮配電公司和獨立投資商的獨立收益；另外，隨著DG接入配電網(wǎng)越來越多，其商業(yè)模式多樣，不同商業(yè)模式下DG接入的成本效益值得研究。

本文研究了DG并網(wǎng)的商業(yè)模式，從配電公司和獨立投資商兩個方面分析了DG接入后的成本效益。并對不同商業(yè)模式下的成本效益進行了比較。

1 DG并網(wǎng)商業(yè)模式

以光伏發(fā)電為例，當前國內的DG商業(yè)模式分為3種，分別為上網(wǎng)電價模式、凈電量結算模式和自消費模式。

上網(wǎng)電價模式[7]，是指DG發(fā)電量全部饋入低壓公共配電網(wǎng)；配電公司對DG發(fā)電量以“上網(wǎng)電價”進行全額收購，同沒有安裝DG情況一樣，用戶的用電與電費結算是由電表進行繳費。

上網(wǎng)電價模式的優(yōu)勢在于：(1)DG的發(fā)電量能保證全額收購；(2)由于配電公司仍可對其發(fā)電量按原計劃進行銷售，其銷售額沒有受到損失；(3)所有發(fā)電量都是同電網(wǎng)公司進行交易，也沒有損失國家稅收。上網(wǎng)電價模式的劣勢在于：(1)此模式由于沒有考慮DG的就地消納，其能量傳輸對電網(wǎng)存在一定負擔，且存在一定的網(wǎng)絡損耗；(2)安裝客戶種類繁多，有些無法提供發(fā)票給電網(wǎng)公司，給電網(wǎng)公司增添了負擔。

凈電量結算模式[8]，是指用戶使用一部分DG所發(fā)電量，另一部分DG所發(fā)電量進行上網(wǎng)。其中自用DG電量節(jié)省了向上級電網(wǎng)購電費用，而上網(wǎng)DG電量使電表反轉，送入上級電網(wǎng)。

凈電量結算模式的優(yōu)勢在于：(1)由于DG上網(wǎng)電量只是推動電表倒轉，過程簡單；(2)由于減少了交易過程，稅務問題較好解決。凈電量結算模式的劣勢在于：(1)降低了配電公司的銷售額；(2)由于反送電量簡單地推動電表倒轉，可能導致偷電行為的發(fā)生。

自消費模式[9]，即“自發(fā)自用、余電上網(wǎng)”。用戶盡可能多地利用DG所發(fā)電量，當DG所發(fā)電量大于所需電量時，多余電量可以被送入電網(wǎng)，按照上網(wǎng)電價進行結算。

自消費模式的優(yōu)勢在于：(1)DG所發(fā)電量就地消納，減少了網(wǎng)絡傳輸帶來的損耗；(2)操作簡單易行，適合用戶發(fā)展DG并自發(fā)自用。自消費模式的劣勢在于：(1)降低了配電公司的銷售額；(2)可能導致偷電行為的發(fā)生。

不同的商業(yè)模式政策補貼數(shù)額不同，如“上網(wǎng)電價模式”通過上網(wǎng)電價獲益，“凈電量結算模式”和“自消費模式”除售電獲益外另有國家補貼。中國DG市場當前的主要商業(yè)模式為自消費模式。

2 DG并網(wǎng)成本和效益

2.1 DG并網(wǎng)成本

DG接入之前，傳統(tǒng)電網(wǎng)由配電公司單家盈利，單家負責電網(wǎng)的運行維護和檢修，用戶僅為消費方和付費方，從電力公司購買電力。由于電能的流動是單方向的，資金流動也是單方向的，整個電網(wǎng)的成本和效益劃分明確。但DG接入后，電能的生產(chǎn)者不再只是電廠，獨立發(fā)電商甚至是用戶可以進行自行發(fā)電，在滿足自身用電需求的同時將多余電量上網(wǎng)，獲得售電收益。這樣隨著電力流由單方向變?yōu)槎喾较?，整個電網(wǎng)的成本效益也發(fā)生了變化。

(1)配電公司成本分析。

對于配電公司來說，DG接入后，一方面導致其向用戶方售電量減少，降低了售電收入，導致售電收益萎縮；另一方面，DG接入后需新增部分網(wǎng)架，這部分網(wǎng)架建設費用需要配電公司承擔；而DG接入后新增的線路保護也屬于配電公司的工作范疇。故配電公司的成本包括3部分，分別是由于分布式發(fā)電減少的售電收益和DG接入后的網(wǎng)架建設成本和新增的運行維護成本(如線路保護等)。

(1)

(2)獨立發(fā)電商成本分析。

DG接入后，獨立發(fā)電商的成本包括分布式發(fā)電裝置的投資建設成本以及發(fā)電裝置的運行維護成本。

(2)

(3)

(4)

與傳統(tǒng)的火力發(fā)電相比，新興的分布式發(fā)電技術不夠成熟，發(fā)電費用較高，光伏等DG的建設成本比傳統(tǒng)火電機組要多出不少。近年來隨著技術的發(fā)展，光伏發(fā)電的建設成本有了極大的下降。表1中列出的是不同分布式發(fā)電類型的建設成本的對比[10-11]。

表1 不同分布式發(fā)電的建設成本對比
Table 1 Comparison of construction cost of different distributed generation

在運行維護費方面，DG設備由于體積小，啟停迅速，維護工作小，故DG的運行維護費用較低。

2.2 DG并網(wǎng)效益

2.2.1 配電公司的效益分析

DG接入后，會帶來以下5個方面的效益：降低系統(tǒng)網(wǎng)損、改善系統(tǒng)電壓質量、提高系統(tǒng)可靠性、延緩網(wǎng)絡更新成本、環(huán)境效益等, 將這些效益作為配電公司的效益。

(1)降低系統(tǒng)網(wǎng)損[12]。一般來說，電力在線路傳輸?shù)倪^程中不可避免地會產(chǎn)生網(wǎng)絡損耗。由于DG接入位置比原發(fā)電機更靠近負荷，對降低系統(tǒng)的網(wǎng)絡損耗有一定作用。將其轉化為經(jīng)濟效益，即為由于系統(tǒng)網(wǎng)損降低而減少的網(wǎng)絡損耗費用。

BPloss=csale(a1ΔPloss1+a2ΔPloss2+a3ΔPloss3+a4ΔPloss4)

(5)

式中：BPloss為降低系統(tǒng)網(wǎng)損收益；csale為售電公司單位電價；ΔPloss1～ΔPloss4為DG接入后春、夏、秋、冬4個典型日系統(tǒng)網(wǎng)損的每日減少量；a1～a4為一年春、夏、秋、冬4個典型日各自的天數(shù)。

(2)改善系統(tǒng)電壓質量。DG接入后對系統(tǒng)電壓質量的改善主要體現(xiàn)在電壓偏移的減少上。將其轉化為經(jīng)濟效益，即為電壓質量提高所帶來的收益。

(6)

(7)

(3)提高系統(tǒng)可靠性[13]。DG接入對整個電網(wǎng)的可靠性會有一定的改善作用，其主要影響在故障恢復的過程中。故障時DG可形成孤島，島內負荷可不停電繼續(xù)正常運行，從而減少了系統(tǒng)的停電時間。但若DG設備具有較高的故障率，系統(tǒng)的可靠性不升反降，具體情況需根據(jù)網(wǎng)絡參數(shù)確定。將其轉化為經(jīng)濟效益，主要體現(xiàn)在系統(tǒng)減少的缺電成本。

(8)

式中：QEENS表示系統(tǒng)年缺電量；λi為負荷點的故障率；γi為負荷點的故障平均持續(xù)時間；Pi為負荷點的負荷量；n為負荷點數(shù)目。

(4)延緩網(wǎng)絡更新。DG接入后，能代替原電源向一部分負荷供電，可以滿足負荷增長的需求，增大了網(wǎng)絡的容量，從而延緩了網(wǎng)絡的升級。DG延緩網(wǎng)絡升級的能力可用線路容量裕度表示，即以某支路在各時段中的支路潮流作為該支路的潮流指標。轉化為經(jīng)濟效益，可以用安裝DG前后各支路潮流指標之和的差值大小來表示：

(9)

式中：Cmar為折算到每年的單位容量裕度費用成本；Uav為平均額定電壓；Nb為支路數(shù)；I0和I1分別為DG接入前后線路的電流。

(5)環(huán)境效益。在中國，煤炭在發(fā)電能源結構中所占的比例最大，提供了約 80%的電力。然而燃煤發(fā)電也是對環(huán)境污染最大的一種發(fā)電方式。其污染物主要有 SO2、NOx、 CO2、 CO、粉煤灰等。大量燃煤電廠所帶來的大氣污染對環(huán)境的破壞越來越嚴重。DG所發(fā)出電力多來自于風能、太陽能等清潔能源，污染物含量較低，甚至可以達到“零污染”，獲得的環(huán)境效益較大。

環(huán)境效益是指通過各種措施導致污染物排放減少所帶來的效益。污染物排放帶來的損失包括2個方面：一方面包括環(huán)境損失，即由于能源消耗和環(huán)境污染等引起的環(huán)境質量下降、生態(tài)平衡破壞；另一方面包括非環(huán)境損失，即環(huán)境污染導致的其他副作用，如對人體健康的影響等。文獻[14]給出了中國的污染物環(huán)境價值標準，如表2所示。

表2 污染物環(huán)境價值標準
Table 2 Environment value criteria of pollution reduction

DG的環(huán)境效益可以用減少污染物排放帶來的收益來表示，轉化為經(jīng)濟效益，即

(10)

綜上，DG接入后配電公司產(chǎn)生的效益主要由以下5個部分構成：

B=Bploss+BU+Breli+Bupdate+Benv

(11)

2.2.2 獨立投資商的效益分析

在用戶方面，DG接入帶來的收益分為3個部分，包括DG發(fā)電補貼、減少的購電費用、DG上網(wǎng)收益，根據(jù)上網(wǎng)模式不同而不同。

(1)上網(wǎng)電價模式：上網(wǎng)電價模式中獨立投資商的發(fā)電和用電是分開的，不相互干涉。目前上網(wǎng)電價模式多用于大型電站，收益只有售電收益，但單位售電價格較高。上網(wǎng)電價模式下獨立投資商的效益為

B=C0Wgen

(12)

式中：C0為DG電站上網(wǎng)電價；Wgen為DG年發(fā)電量。

(2)凈電量結算模式：凈電量結算模式是指用戶使用一部分DG所發(fā)電量，另一部分DG所發(fā)電量進行上網(wǎng)。上網(wǎng)電量反送上級電網(wǎng)，推動電表倒轉，以凈電量的方式結算。故收益分為3個部分，DG補貼收益、節(jié)電收益和上網(wǎng)收益。凈電量結算模式下獨立投資商的效益為

B=C1Wgen+C2Wbuy+C2Wsell

(13)

式中：C1為DG政策補貼價格；C2為零售電價；Wgen為DG年發(fā)電量；Wbuy為獨立投資商購電量；Wsell為獨立投資商售電量。

(3)自消費模式：自消費模式中DG發(fā)電在滿足自身需求外，進行余電上網(wǎng)。故收益包括3個部分，為DG補貼收益、節(jié)電收益和售電收益。與凈電量結算模式的不同點為：自消費模式以標桿電價進行上網(wǎng)，凈電量結算模式以零售電價進行上網(wǎng)。自消費模式下獨立投資商的效益為

B=C1Wgen+C2Wbuy+C3Wsell

(14)

式中：C1為DG政策補貼價格；C2為零售電價；C3為標桿電價；Wgen為DG年發(fā)電量；Wbuy為獨立投資商購電量；Wsell為獨立投資商售電量。

3 DG并網(wǎng)成本效益分析

3.1 成本效益分析方法

目前采用的經(jīng)濟性評估方法主要有靜態(tài)評價法、不確定性評價法、動態(tài)評價法[15]。本文采用動態(tài)評價法中的凈現(xiàn)值法進行配電公司的成本效益分析。

另外，投資回收期法也是另一種常用的分析方法。本文采用投資回收期法進行獨立投資商的成本效益分析。

3.2 成本效益分析相關參數(shù)

用IEEE33節(jié)點算例對DG并網(wǎng)進行成本效益分析，計算其凈現(xiàn)值。IEEE33節(jié)點算例，算例電壓等級為12.66 kV，總有功負荷為3 715 kW，總無功負荷為2 300 kvar，其接線圖如圖1所示。DG采用光伏發(fā)電。

圖1 IEEE 33節(jié)點配電網(wǎng)Fig.1 IEEE33 distribution network

假設在節(jié)點9接入分布式光伏1 MW，分布式光伏年有效利用小時數(shù)為1 100 h。

對于分布式光伏的裝機成本，取1.0萬元/kW。

對于折現(xiàn)率r，世界銀行采用的折現(xiàn)率為10%。對于我國情況而言，2006年國家發(fā)展與改革委員會、建設部發(fā)布的《建設項目經(jīng)濟評價方法與參數(shù)(第3版)》中規(guī)定中國的折現(xiàn)率為8%，因此本文取折現(xiàn)率r=8%。

對于設備使用年限，取n=10年。

對于DG接入配電公司新增的網(wǎng)架建設成本和運行維護成本，分別取2 600元/kW和1 600元/kW[15]。

對于配電公司售電價格，取0.617元/(kW·h)； 對于凈電量結算模式和自消費模式中DG發(fā)電量政策補貼價格，取0.42元/(kW·h)；對于上網(wǎng)電價模式中DG大型電站上網(wǎng)電價，取0.90元/(kW·h)；對于DG的上網(wǎng)電價，取0.452 3元/(kW·h)。

對于改善電壓質量方面，bu取3萬元；對于提高系統(tǒng)可靠性方面，λi取0.1次/(年·km)，γi取 3 h/次；對于延緩網(wǎng)絡升級方面，Cmar取1元[16]。

3.3 配電公司成本效益分析

成本方面，對于配電公司，其成本包含3個部分，如式(1)所示。其中Csale=0.6171 100×1 000萬元=67.87萬元，將網(wǎng)架建設成本和運行維護成本轉化為等年值，分別為萬元和萬元，故配電公司轉化為等年值的總成本為Cgrid=128.45萬元。

效益方面，配電公司的效益包括5個部分，如式(11)所示。

配電公司的成本效益情況如表3所示。

表3 配電公司成本效益情況
Table 3 Cost and effectiveness of power supply company 萬元

從表中可見，DG接入配網(wǎng)對配電公司來說，總收益小于總成本，其凈利潤為負值。因此目前DG接入在經(jīng)濟上來說對配電公司是不利的。

3.4 獨立投資商成本效益分析

效益方面，對于獨立投資商來說，其利益與商業(yè)模式相關。以目前中國最常見的自消費模式為例，其成本由3個部分組成，如式(14)所示。

假設獨立投資商分布式發(fā)電量一半用于滿足自身用電需求，另一半用于上網(wǎng)。由于DG的年發(fā)電量為1 100 MW·h，即自身用電550 MW·h，上網(wǎng)電量為550 MW·h。則其年收益B=(0.421 100 000+0.617550 000+0.452 3550 000)萬元=105.5萬元。

根據(jù)投資回收期計算公式：

(15)

進行投資回收期計算，得其投資回收期T=9年，即9年后獨立投資商將會收回投資的預期。

3.5 不同商業(yè)模式下成本效益比較

上節(jié)中計算的是中國最常見的自消費模式下獨立投資商的成本回收期，而DG接入還有上網(wǎng)電價模式和凈電量結算模式2種，下面分別進行比較。

(1)上網(wǎng)電價模式。上網(wǎng)電價模式的特點是DG所發(fā)電量全部上網(wǎng)，用戶所需電力全部從上級電網(wǎng)購買。假設1 MW的DG所發(fā)電量全部上網(wǎng)，則其年收益B=0.901 0001 100萬元=99萬元，得到其投資回收期為T=9.5年，較自消費模式晚半年。

(2)凈電量結算模式。凈電量結算模式的特點是上網(wǎng)電量推動電表倒轉，以零售電價結算，同樣假設獨立投資商分布式發(fā)電量一半用于滿足自身用電需求，另一半用于上網(wǎng)，則其年收益B=114.0萬元。得到其投資回收期為T=8.5年，較自消費模式早半年。

表4展示的是3種商業(yè)模式投資回收期的不同。

表4 不同商業(yè)模式計算結果
Table 4 Calculation results of different business models

可見雖然中國現(xiàn)在最常見的商業(yè)模式為自消費模式，但凈電量結算模式能為獨立投資商帶來更多的收益，另外凈電量結算模式中不存在交易過程，省去了發(fā)票等一系列問題，過程簡單。因此可以預見凈電量結算模式會得到更大的發(fā)展。

3.6 不同負荷大小下成本效益比較

在不同負荷大小下DG接入的成本效益會有所不同，本節(jié)分別計算在不同負荷下獨立投資商的投資回收期。

為了計算負荷大小和投資回收期的靈敏度關系，分別假設在自消費模式下，發(fā)電量全部上網(wǎng)(無負荷)、發(fā)電量25%自用75%上網(wǎng)(小型負荷)、發(fā)電量50%自用50%上網(wǎng)(中型負荷)、發(fā)電量75%自用25%上網(wǎng)(大型負荷)和發(fā)電量全部自用(超大負荷)5種狀態(tài)，計算其投資回收期，如表5和圖2所示。

表5 不同負荷大小計算結果
Table 5 Calculation results of different loads

圖2 不同負荷大小計算結果Fig.2 Calculation results of different loads

可以看出隨著自用DG發(fā)電比例的增大，DG的投資回收期在縮短，獨立投資商獲得的利益增多。因此分布式發(fā)電對于大負荷的獨立投資商能獲得最大效益。

4 結 論

(1)DG接入配電網(wǎng)后改變了原電網(wǎng)的商業(yè)模式和運營模式，配電公司和獨立投資商的成本效益發(fā)生變化。

(2)DG接入對配電公司會產(chǎn)生負的收益，主要體現(xiàn)在售電量的減少上。對獨立投資商來說自身負荷需求越大收益越大。

(3)雖然中國現(xiàn)在最常見的商業(yè)模式為自消費模式，但凈電量結算模式能為獨立投資商帶來更多的收益。凈電量結算模式中不存在交易過程，省去了發(fā)票等一系列問題，過程簡單?？梢灶A見凈電量結算模式會得到更大的發(fā)展。

(4)隨著DG安裝技術的提高和成本的下降，其安裝成本和運行維護成本會相應下降；與此同時，政府對DG發(fā)電的補貼越來越多，獨立投資商的收益也會隨之增加，以上兩方面都會使獨立投資商獲得更大的經(jīng)濟收益。

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(編輯 劉文瑩)

Cost-Benefit Analysis of Grid-Connected Distributed Generation Considering Different Stakeholders

LUAN Weijie1,LIU Shu2, CHENG Haozhong1,ZHANG Shenxi1,XIAO Yuanbing1

(1.Key Laboratory of Control of Power Transmission and Conversion, Ministry of Education, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China; 2.State Grid Shanghai Power Supply Company, Shanghai 200437, China)

The gradual increase of the distributed generation connected to distribution network has exerted an impact on the cost and benefit of the distributed generation and distribution network.On the basis of summarizing the current business model of grid-connected distributed generation, this paper calculates the cost and benefit of power company and independent investor after distributed generation connected to distribution network with using net present value method and payback period method.And then the paper compares the cost and benefit of grid-connected distributed generation under different business models and different load mode.The calculation results show that, in the economic aspect, distributed generations bring more disadvantage to power company under the current business models, and independent investors gain more benefit when using more power.

distributed generation; cost-benefit analysis; grid-connected business model; independent investor; distribution network

國家電網(wǎng)公司科技項目(52094015000A)

TM 711

A

1000-7229(2016)09-0140-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.09.019

2016-04-13

欒偉杰(1991)，男，碩士研究生，研究方向為配電網(wǎng)規(guī)劃、配電網(wǎng)運行優(yōu)化；

劉舒(1987)，女，碩士，助理工程師，研究方向為微網(wǎng)和智能用電；

程浩忠(1962)，男，博士，教授，博士生導師，研究方向為電能質量、電力系統(tǒng)規(guī)劃、電力系統(tǒng)分析、電壓穩(wěn)定；

張沈習(1988)，男，博士研究生，研究方向是分布式電源、電力系統(tǒng)優(yōu)化規(guī)劃;

肖遠兵(1991)，男，碩士研究生，研究方向為電力系統(tǒng)規(guī)劃。