黃裕春，莫文雄，陸國(guó)俊，王宏，文福拴

(1. 廣州供電局有限公司, 廣州市 510310；2. 南方電網(wǎng)科學(xué)研究院, 廣州市 510080;3. 浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院, 杭州市 310027)

不同電價(jià)機(jī)制下家庭型微電網(wǎng)全壽命周期的經(jīng)濟(jì)性分析

黃裕春1，莫文雄1，陸國(guó)俊1，王宏2，文福拴3

(1. 廣州供電局有限公司, 廣州市 510310；2. 南方電網(wǎng)科學(xué)研究院, 廣州市 510080;3. 浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院, 杭州市 310027)

隨著微電網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，家庭型微電網(wǎng)逐步受到關(guān)注?？紤]到家庭用電功率和用電量的限制，家庭型微電網(wǎng)全壽命周期的經(jīng)濟(jì)性分析是一個(gè)值得研究的重要問(wèn)題。在此背景下，考慮到經(jīng)濟(jì)性與所采用的電價(jià)機(jī)制密切相關(guān)，針對(duì)采用階梯電價(jià)和峰谷電價(jià)2種機(jī)制，提出家庭型微電網(wǎng)全壽命周期的經(jīng)濟(jì)性分析方法。首先分析這2種電價(jià)模式下的投資成本和投資收益，在此基礎(chǔ)上建立用于家庭型微電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性分析的數(shù)學(xué)模型，并以廣州地區(qū)一個(gè)家庭型微電網(wǎng)系統(tǒng)為例來(lái)分析全壽命周期下的經(jīng)濟(jì)性。計(jì)算結(jié)果表明，家庭型微電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性在相當(dāng)程度上受投資成本的影響；在家庭型微電網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)備容量配置已經(jīng)確定的前提下，其經(jīng)濟(jì)性水平與用電負(fù)荷和用電量呈正相關(guān)，且受電價(jià)機(jī)制影響。

家庭型微電網(wǎng)；經(jīng)濟(jì)性分析；全壽命周期；電價(jià)機(jī)制

0 引 言

微電網(wǎng)技術(shù)在過(guò)去10多年間取得了比較長(zhǎng)足的進(jìn)步，并已在歐盟、美國(guó)和日本等國(guó)家得到了實(shí)際應(yīng)用[1-2]。在完善的電力市場(chǎng)交易機(jī)制下，微電網(wǎng)可以基于自身系統(tǒng)的發(fā)電和用電特性，針對(duì)電價(jià)變化滾動(dòng)優(yōu)化發(fā)電策略，得到最大化經(jīng)濟(jì)收益。具體到中國(guó)，由于尚未建立比較完整的電力市場(chǎng)機(jī)制，微電網(wǎng)技術(shù)初次投資高的缺點(diǎn)制約了其推廣應(yīng)用，目前以實(shí)驗(yàn)或示范為目的而建設(shè)的微電網(wǎng)項(xiàng)目居多[3-4]。在微電網(wǎng)方面，已發(fā)表了相當(dāng)多的文獻(xiàn)，主要集中在微電網(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)[5-7]、運(yùn)行控制[8-11]及環(huán)保特性[12]等方面。文獻(xiàn)[5]綜述了國(guó)內(nèi)外微電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)方面的研究進(jìn)展。文獻(xiàn)[6]從微電網(wǎng)自平衡能力角度研究了并網(wǎng)型微電網(wǎng)的優(yōu)化配置問(wèn)題。文獻(xiàn)[7]從控制策略的角度探討了獨(dú)立型微電網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)化配置問(wèn)題。文獻(xiàn)[8-11]在考慮了微電網(wǎng)電源特性、運(yùn)行方式等的前提下分析了微電網(wǎng)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。文獻(xiàn)[12]從微電網(wǎng)多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度出發(fā)研究了兼顧經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性的微電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度方法。文獻(xiàn)[13]對(duì)電力市場(chǎng)環(huán)境下微電網(wǎng)的商業(yè)運(yùn)營(yíng)模式和盈利方式進(jìn)行了探討。文獻(xiàn)[14]提出一種實(shí)時(shí)電價(jià)算法解決微電網(wǎng)內(nèi)多個(gè)源荷間的電能優(yōu)化調(diào)度問(wèn)題。

新型城鎮(zhèn)化建設(shè)和經(jīng)濟(jì)改革增加了用電需求，推動(dòng)了能源供應(yīng)方式變革，為分布式能源的規(guī)模化接入提供了可實(shí)施的外部環(huán)境。城鎮(zhèn)地區(qū)的自然條件不適合發(fā)展分布式風(fēng)力發(fā)電。采用微電網(wǎng)方式，按照自用為主、富余上網(wǎng)、因地制宜、有序推進(jìn)的原則，在用戶側(cè)積極發(fā)展和規(guī)?；尤敕植际焦夥娫矗菍?shí)現(xiàn)新能源就地消納利用，發(fā)揮分布式光伏發(fā)電效能的有效方式。

適合在城鎮(zhèn)地區(qū)推廣的微電網(wǎng)主要包括商業(yè)樓宇型、工業(yè)園區(qū)型和家庭型。緊湊型小容量微電網(wǎng)控制設(shè)備的成功研制使得實(shí)現(xiàn)家庭型微電網(wǎng)成為可能。家庭型微電網(wǎng)是以每個(gè)家庭為單位，在家庭范圍的屋頂或地面等建設(shè)分布式發(fā)電，以家庭負(fù)荷為用電負(fù)荷，并網(wǎng)等級(jí)在400 V及以下；也可以包含一定的儲(chǔ)能容量，在某些情況下微電網(wǎng)可獨(dú)立運(yùn)行。本文對(duì)這種家庭型微電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行探討。

1 家庭型微電網(wǎng)的典型結(jié)構(gòu)

與大容量微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)相似，家庭型微電網(wǎng)也可大致分為電氣一次系統(tǒng)和二次系統(tǒng)。電氣一次系統(tǒng)指電能量流通的系統(tǒng)，通常包括光伏發(fā)電設(shè)備、儲(chǔ)能設(shè)備、變流設(shè)備以及家用電器。電氣二次系統(tǒng)主要包括控制、計(jì)量與通信等設(shè)備，如微電網(wǎng)控制終端、智能用電管理終端等。電氣二次系統(tǒng)承擔(dān)著家庭型微電網(wǎng)能量管理與優(yōu)化的重要功能。隨著智能制造技術(shù)的提升，更多具備通信且高度集成化的智能設(shè)備面世，屆時(shí)家庭型微電網(wǎng)的電氣一次和二次系統(tǒng)將呈現(xiàn)硬件融合結(jié)構(gòu)。

以圖1所示的家庭型微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)為例，其電氣一次系統(tǒng)包含戶用配電設(shè)備、光伏發(fā)電組件、儲(chǔ)能設(shè)備、光儲(chǔ)一體機(jī)以及家用電器，這些設(shè)備承擔(dān)了家庭微電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)的電能產(chǎn)生-流動(dòng)-消耗等功能；電氣二次系統(tǒng)則包含微電網(wǎng)綜合控制終端、具有通信功能的智能電表和光儲(chǔ)一體機(jī)、智能電器和智能插座等設(shè)備，這些設(shè)備通過(guò)數(shù)據(jù)交互能夠?qū)彝?nèi)的電能進(jìn)行管控，最終實(shí)現(xiàn)能量?jī)?yōu)化和用能經(jīng)濟(jì)性的目的。

圖1 家庭型微電網(wǎng)的典型結(jié)構(gòu)

2 家庭型微電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)分析

2.1 家庭型微電網(wǎng)的成本構(gòu)成

家庭型微電網(wǎng)的成本主要包括2部分，即建設(shè)成本和運(yùn)維成本。

建設(shè)成本主要發(fā)生在微電網(wǎng)建成投運(yùn)之前，包括各類(lèi)設(shè)備的購(gòu)置費(fèi)用和工程改造費(fèi)用。按照設(shè)備的功能又可細(xì)分為光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)備、儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)備、能量管理系統(tǒng)設(shè)備。因此，家庭型微電網(wǎng)建設(shè)成本Co可表示為

Co=Ip+Ie+Is+Ic

(1)

式中：Ip，Ie，Is和Ic分別表示光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)備總價(jià)、儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)備總價(jià)、能量管理系統(tǒng)設(shè)備總價(jià)和工程改造總費(fèi)用。

可以把Ip細(xì)分為光伏組件設(shè)備費(fèi)用、支架費(fèi)用、電力電纜費(fèi)用以及其他電氣設(shè)備費(fèi)用，可表示為

(2)

式中：α1～α4和p1～p4分別表示光伏組件設(shè)備、支架、電力電纜和其他電氣設(shè)備的價(jià)格及相應(yīng)數(shù)量。

儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)備總價(jià)可細(xì)分為電池組費(fèi)用和變流設(shè)備費(fèi)用，這二者的單價(jià)和相應(yīng)數(shù)量分別用β1～β2和q1～q2表示，具體可表示為

Ie=β1q1+β2q2

(3)

能量管理系統(tǒng)主要用于對(duì)微電網(wǎng)中的能量生成與消費(fèi)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，以維持系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性，其價(jià)格取決于其功能多寡。

工程改造總費(fèi)用主要與微電網(wǎng)系統(tǒng)的裝機(jī)容量有關(guān)。工程造價(jià)通常根據(jù)設(shè)備總價(jià)按照一定比例λ計(jì)算：

Ic=λIe

(4)

λ視工程改造的難易程度確定。由于微電網(wǎng)系統(tǒng)的工程施工尚不成熟，工程改造費(fèi)用處于較高水平，λ可取為35%～50%。

運(yùn)維成本主要包括老舊設(shè)備更換與維護(hù)成本特別是發(fā)電系統(tǒng)的日常運(yùn)維成本，也可按照建設(shè)成本的一定比例φ計(jì)算：

Cm=φCo

(5)

式中：Cm表示微電網(wǎng)的運(yùn)維成本；φ為相應(yīng)的比例系數(shù)，通常取為0.5%～2%。

2.2 家庭型微電網(wǎng)的收益

我國(guó)自2009年起大力發(fā)展風(fēng)、光等可再生能源發(fā)電項(xiàng)目，針對(duì)這些發(fā)電項(xiàng)目投資回報(bào)激勵(lì)不足的難題，國(guó)家及地方政府制定了不同的補(bǔ)貼政策[15]，詳細(xì)規(guī)定了這些發(fā)電項(xiàng)目的上網(wǎng)電價(jià)，以扶植可再生能源發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

家庭型微電網(wǎng)由于容量小、回收期長(zhǎng)、經(jīng)營(yíng)分散等劣勢(shì)，難以吸引投資方以能源合同管理模式進(jìn)行投資，目前多采用自主投資，自發(fā)自用、余電上網(wǎng)的投資經(jīng)營(yíng)方式。這里針對(duì)這種模式進(jìn)行探討。在此模式下，家庭型微電網(wǎng)的收益包括家庭消納電量節(jié)約電費(fèi)的收益以及余電上網(wǎng)的電量收益。

家庭型微電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)收益A包括分布式光伏發(fā)電補(bǔ)貼、余電上網(wǎng)電量收益以及本地消納電量節(jié)支收益，分別用A1～A3表示：

A=A1+A2+A3

(6)

目前實(shí)施的補(bǔ)貼政策規(guī)定分布式光伏發(fā)電補(bǔ)貼金額為補(bǔ)貼電價(jià)與光伏系統(tǒng)實(shí)際發(fā)電量的乘積。這樣，A1可表示為

(7)

式中：P1表示某給定時(shí)期內(nèi)家庭型微電網(wǎng)中分布式光伏系統(tǒng)的發(fā)電總量；δi表示各級(jí)政府的補(bǔ)貼電價(jià)，n表示補(bǔ)貼來(lái)源的總數(shù)。

對(duì)一般家庭而言，其負(fù)荷特性與光伏發(fā)電功率曲線趨勢(shì)多呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，居民大多由于早出晚歸的日常活動(dòng)規(guī)律導(dǎo)致負(fù)荷曲線呈現(xiàn)白天低晚間高的特點(diǎn)。光伏發(fā)電功率特性則剛好相反，光伏組件僅能白天吸收太陽(yáng)能發(fā)電。因此，家庭型微電網(wǎng)能夠通過(guò)余電上網(wǎng)的方式獲得收益：

A2=γP2

(8)

式中：P2表示某給定時(shí)期內(nèi)家庭型微電網(wǎng)的實(shí)際上網(wǎng)電量；γ為當(dāng)?shù)胤植际焦夥暇W(wǎng)電價(jià)。

家庭型微電網(wǎng)的本地消納電量節(jié)支收益則取決于當(dāng)?shù)鼐用耠娰M(fèi)結(jié)算的模式和電價(jià)。我國(guó)居民現(xiàn)行電費(fèi)結(jié)算機(jī)制主要包括階梯電價(jià)和峰谷電價(jià)2種，下面針對(duì)這2種電價(jià)機(jī)制進(jìn)行討論。

(1)階梯電價(jià)機(jī)制。階梯電價(jià)以居民家庭為單位，將其用電量劃分為3檔，從第1檔至第3檔的電量和電價(jià)逐級(jí)遞增，在同一檔電量?jī)?nèi)的用電價(jià)格相同、不隨時(shí)間變化，以鼓勵(lì)居民節(jié)約用電。在此機(jī)制下，家庭消納電量收益可表示為

(9)

(10)

(2)峰谷電價(jià)機(jī)制。峰谷電價(jià)機(jī)制對(duì)居民用電時(shí)段劃分為高峰電價(jià)、平時(shí)電價(jià)和低谷電價(jià)時(shí)段。居民在同一時(shí)段內(nèi)的用電價(jià)格相同，不隨電量變化。在此機(jī)制下，家庭消納電量收益可表示為

(11)

(12)

2.3 經(jīng)濟(jì)分析模型

假設(shè)家庭型微電網(wǎng)運(yùn)行壽命為T(mén)年，折現(xiàn)率為η，則微電網(wǎng)的全壽命周期成本C包括最初的建設(shè)成本以及每年產(chǎn)生的維護(hù)成本?？紤]資金的時(shí)間價(jià)值，C可由式(13)求得：

(13)

微電網(wǎng)全壽命周期內(nèi)的總收益R等于

(14)

考慮全壽命周期的電力項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)能夠更全面和合理的評(píng)估項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益?？梢圆捎媚曩M(fèi)用法、投資回報(bào)率、凈現(xiàn)值法(net present value，NPV)等方法進(jìn)行經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)。這里采用凈現(xiàn)值法，首先將各年的現(xiàn)金流(即經(jīng)濟(jì)收益扣除運(yùn)維成本的余額)折算為現(xiàn)值，再與最初的建設(shè)成本求差得到家庭型微電網(wǎng)的凈現(xiàn)值。

(15)

ε的值越大，微電網(wǎng)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性越好。

針對(duì)同一時(shí)期，在家庭型微電網(wǎng)建設(shè)規(guī)模一定的情況下，微電網(wǎng)的投資成本大致不變。當(dāng)家庭的用電習(xí)慣不變時(shí)，家庭型微電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性高低取決于自身的用電習(xí)慣和電價(jià)結(jié)算機(jī)制。從式(6)—(12)可以看出，采用階梯電價(jià)和峰谷電價(jià)機(jī)制下計(jì)算微電網(wǎng)總收益R的區(qū)別主要在于A2和A3的計(jì)算方法不同。

3 算 例

廣州某小區(qū)開(kāi)展了家庭型微電網(wǎng)系統(tǒng)的工程示范建設(shè)。廣州地區(qū)光伏系統(tǒng)每日發(fā)電時(shí)間一般為上午9:00:00—15:00:00，光伏年發(fā)電小時(shí)數(shù)為1 095 h(折算到全額出力的小時(shí)數(shù))。分布式光伏發(fā)電可獲得中央政府和地方政府按發(fā)電量進(jìn)行的補(bǔ)償，中央政府的度電補(bǔ)貼為0.42元/(kW·h)，廣州市政府的度電補(bǔ)貼為0.1元/(kW·h)，2項(xiàng)補(bǔ)貼疊加實(shí)施。分布式光伏發(fā)電上網(wǎng)標(biāo)桿電價(jià)為0.514元/(kW·h)。

家庭型微電網(wǎng)系統(tǒng)的工程示范建設(shè)針對(duì)一戶家庭住宅。該住宅建筑為獨(dú)棟美式別墅，屋頂及花園可建設(shè)約5～6 kW的光伏電池板。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查情況，建設(shè)分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)5.4 kW。該家庭最大負(fù)荷約為10 kW，保安負(fù)荷容量約4 kW。為了使微電網(wǎng)系統(tǒng)能夠在市電停電后給用戶提供家庭保安電源在1 h內(nèi)所需的應(yīng)急供電，配置了容量為 5.4 kW·h的儲(chǔ)能鋰電池。該家庭型微電網(wǎng)的設(shè)備購(gòu)置成本和求得的工程改造成本如表1所示。

表1 某家庭住宅微電網(wǎng)的投資和建設(shè)成本

Table 1 Investment and construction costs of a home-based microgrid system

廣州目前實(shí)施的階梯電價(jià)和峰谷電價(jià)分別如表2和表3所示。

表2 廣州目前實(shí)施的階梯電價(jià)

Table 2 Tiered electricity pricing policy (TEP) currently enforced in Guangzhou

表3 廣州目前實(shí)施的峰谷電價(jià)

該居民用戶目前選擇了階梯電價(jià)機(jī)制，其負(fù)荷特性及年用電量如圖2所示。

圖2 某家庭住宅的典型日負(fù)荷特性和光伏發(fā)電出力

假設(shè)在微電網(wǎng)投運(yùn)后，該家庭的用電習(xí)慣和電費(fèi)結(jié)算模式保持不變。根據(jù)式(6)—(10)，可求得微電網(wǎng)系統(tǒng)的年均收益情況如表4和5所示。

表5 住宅微電網(wǎng)系統(tǒng)年均收益情況 (階梯電價(jià))

假設(shè)該微電網(wǎng)系統(tǒng)的壽命為25 a，折現(xiàn)率取為10%，根據(jù)式(13)—(15)，可求得其全壽命周期成本、收益及經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，如表6所示。

表6 住宅微電網(wǎng)系統(tǒng)的凈現(xiàn)值指標(biāo) (階梯電價(jià))

Table 6 NPV indices of home-based microgrid system (TEP)

ε<0意味著在此微電網(wǎng)的全壽命周期里，其經(jīng)濟(jì)收益低于投資和建設(shè)成本。這解釋了家庭型微電網(wǎng)未能得到廣泛認(rèn)可和推廣的最根本原因。

為進(jìn)一步分析家庭型微電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性，對(duì)上述案例進(jìn)行延伸性分析。

(1)投資成本變化對(duì)家庭型微電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性影響。

表7列出了在階梯電價(jià)機(jī)制下ε隨初始投資成本(即建設(shè)成本，不含后續(xù)的維護(hù)成本)變化的趨勢(shì)。

表7 階梯電價(jià)機(jī)制下ε隨初始投資成本變化的趨勢(shì)(階梯電價(jià))

Table 7 Trend ofεwith decrease of initial investment costCo(TEP)

從表7可以看出，當(dāng)家庭型微電網(wǎng)投資成本降低35%，其能夠在壽命周期內(nèi)達(dá)到盈虧平衡；當(dāng)投資成本降幅大于35%時(shí)，其具備盈利能力。投資成本降低可以改善家庭型微電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性，促使微電網(wǎng)技術(shù)在家庭用戶中推廣應(yīng)用。

國(guó)內(nèi)目前的微電網(wǎng)技術(shù)處于初期階段，尚未形成成熟完善的設(shè)備制造產(chǎn)業(yè)。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的微電網(wǎng)系統(tǒng)多數(shù)處于示范工程建設(shè)特征，且以工業(yè)園區(qū)形式為主。家庭微電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展就更為初步，可選的設(shè)備也更少。在本案例中，住宅微電網(wǎng)系統(tǒng)主要參照工業(yè)級(jí)的微電網(wǎng)系統(tǒng)技術(shù)方案、設(shè)備選型和建設(shè)施工，因此初始投資成本較為高昂，經(jīng)濟(jì)性較差。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和家庭型微電網(wǎng)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)日漸成熟，其投資成本有很大的下降空間。

(2)電價(jià)機(jī)制對(duì)家庭型微電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性的影響。

假設(shè)用戶的電價(jià)機(jī)制為峰谷電價(jià)，其他條件保持不變，則微電網(wǎng)的各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)如表8—10所示。

通過(guò)比較可以看出，采用峰谷電價(jià)機(jī)制時(shí)，微電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)較采用階梯電價(jià)機(jī)制要好。這是由于

kW·h

表9 住宅微電網(wǎng)系統(tǒng)年均收益情況 (峰谷電價(jià))

表10 住宅微電網(wǎng)系統(tǒng)的凈現(xiàn)值指標(biāo) (峰谷電價(jià))

峰時(shí)電價(jià)比標(biāo)桿上網(wǎng)電價(jià)高，微電網(wǎng)的儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠?qū)⑽磳?shí)時(shí)消納的電能儲(chǔ)存起來(lái)在峰價(jià)時(shí)使用，因此減少峰時(shí)電量消費(fèi)，從而改善了微電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性。采用階梯電價(jià)時(shí)，該用戶的月用電量處于階梯電價(jià)所適用的中檔(第2檔)水平，微電網(wǎng)產(chǎn)生的電能更多地直接用于抵扣第2檔或第1檔的“廉價(jià)電”，因此經(jīng)濟(jì)效益不如采用峰谷電價(jià)時(shí)。

(3)家庭用電量變化對(duì)微電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性的影響。

假設(shè)其他因素保持不變，針對(duì)階梯電價(jià)和峰谷電價(jià)機(jī)制，分別考察家庭用電量波動(dòng)時(shí)，微電網(wǎng)凈現(xiàn)值的變化情況。計(jì)算結(jié)果如表11和圖3所示。

從表11和圖3可以看出，采用階梯電價(jià)機(jī)制時(shí)，微電網(wǎng)凈現(xiàn)值受家庭用電量變化的影響較大，其經(jīng)濟(jì)性隨用電量增加而明顯改善，這是由于用電量增加到一定程度后微電網(wǎng)所生產(chǎn)電能抵消的是價(jià)格最高的第3檔電價(jià)所對(duì)應(yīng)的用電量。采用峰谷電價(jià)機(jī)制時(shí)，微電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性隨用電量增加只有輕微改善，這是由于采用峰谷電價(jià)機(jī)制時(shí)，微電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性取決于所產(chǎn)生電能能否通過(guò)儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電，來(lái)實(shí)現(xiàn)電能由較低價(jià)值向較高價(jià)值“置換”，這樣儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量就是關(guān)鍵影響因素。在本案例中，儲(chǔ)能系統(tǒng)容量是固定的，變化的只是用電量，從低價(jià)值向高價(jià)值置換的電能受限于儲(chǔ)能系統(tǒng)容量，在儲(chǔ)能系統(tǒng)原本就接近滿額運(yùn)行的情況下所能提升的經(jīng)濟(jì)性水平是有限的。

在2種電價(jià)機(jī)制下，當(dāng)用電量提升約2倍時(shí)，階梯電價(jià)和峰谷電價(jià)機(jī)制下的凈現(xiàn)值分別為-3.19萬(wàn)元和-3.25萬(wàn)元，相差很小。當(dāng)全年用電量為9 350 kW·h(約為微電網(wǎng)發(fā)電量的1.6倍)時(shí)，2種電價(jià)機(jī)制下微電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性大致相同，當(dāng)用電量低于9 350 kW·h時(shí)，采用峰谷電價(jià)機(jī)制時(shí)的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于階梯電價(jià)機(jī)制，反之亦然。

表11 2種電價(jià)機(jī)制下微電網(wǎng)凈現(xiàn)值指標(biāo)隨家庭用電量變化情況

Table 11 Tendency of microgrid NPV indicatorεwith variations of electricity consumption under two pricing mechanisms

圖3 2種電價(jià)機(jī)制下ε隨家庭用電量變化趨勢(shì)圖

4 結(jié) 語(yǔ)

在階梯電價(jià)和峰谷電價(jià)機(jī)制下，家庭型微電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性水平與投資成本及所采用的電價(jià)機(jī)制有較大關(guān)系。首先，家庭型微電網(wǎng)目前投資成本較高，其運(yùn)營(yíng)經(jīng)濟(jì)性較差。如果家庭型微電網(wǎng)的投資成本降低35%，則能夠?qū)崿F(xiàn)在其壽命周期內(nèi)達(dá)到盈虧平衡；當(dāng)投資成本降幅大于35%時(shí)，就具備盈利能力。此外，當(dāng)微電網(wǎng)系統(tǒng)配置一定時(shí)，其經(jīng)濟(jì)性水平與家庭的用電量正相關(guān)。對(duì)于用電量遠(yuǎn)大于微電網(wǎng)發(fā)電量的用戶，選用階梯電價(jià)機(jī)制更有利；對(duì)于用電量與微電網(wǎng)發(fā)電量比較接近的用戶，選用峰谷電價(jià)更合適。用戶可根據(jù)用電量水平擇優(yōu)選取電價(jià)機(jī)制。

[1]COSTA P M，STRBAC G，MANCARELLA P，et al．Report on economic，technical and environmental benefits of microgrids in typical EU electricity systems [R]. Europe: MORE MICROGRIDS-WPH, deliverable DH2. 2010．

[2]鄭漳華，艾芊．微電網(wǎng)的研究現(xiàn)狀及在我國(guó)的應(yīng)用前景[J]．電網(wǎng)技術(shù)，2008，32(16)：27-31. ZHENG Zhanghua，AI Qian．Present situation of research on microgrid and its application prospects in China [J]．Power System Technology，2008，32(16)：27-31.

[3]LIDULA N W A，RAJAPAKSE A D．Microgrid research：A review of experimental microgrids and test systems[J]．Renewable and Sustainable Energy Reviews，2011，15(1)：186-202.

[4]ZENG Z，ZHAO R，YANG H，et al．Policies and demonstrations of micro-grids in China：a review [J]．Renewable and Sustainable Energy Reviews，2014，29(7)：701-718.

[5]王成山, 焦冰琦, 郭力,等. 微電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)方法綜述[J]. 電力建設(shè), 2015, 36(1):38-45. WANG Chengshan, JIAO Bingqi, GUO Li, et al. Review of methods of planning and design of microgrids[J]. Electric Power Construction, 2015, 36(1):38-45.

[6]陳健，趙波，王成山，等．不同自平衡能力并網(wǎng)型微電網(wǎng)優(yōu)化配置分析[J]．電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2014，38(9)：1-6. CHEN Jian，ZHAO Bo，WANG Chengshan，et al．Optimal sizing analysis on grid-connected microgrid with different self-balancing capabilities[J]．Automation of Electric Power Systems，2014，38(9)：1-6.

[7]陳健，王成山，趙波，等．考慮不同控制策略的獨(dú)立型微電網(wǎng)優(yōu)化配置[J]．電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2013，37(11)：1-6. CHEN Jian，WANG Chengshan，ZHAO Bo，et al．Optimal sizing for stand-alone microgrid considering different control strategies[J]．Automation of Electric Power Systems，2013，37(11)：1-6.

[8]言大偉，韋鋼，胡吟，等．可靠性與經(jīng)濟(jì)性相協(xié)調(diào)的微電網(wǎng)能量?jī)?yōu)化[J]．電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2012，36(8)：18-23. YAN Dawei，WEI Gang，HU Yin，et al．Microgrid energy optimization with coordination of reliability and economy [J]．Automation of Electric Power Systems，2012，36(8)：18-23.

[9]ZHAO B，ZHANG X，CHEN J，et al．Operation optimization of standalone microgrids considering lifetime characteristics of battery energy storage system [J]．IEEE Transactions on Sustainable Energy，2013，4(4)：934-943.

[10]劉子秋，黃民翔．基于可靠性與經(jīng)濟(jì)性的計(jì)及微電源自身特性的微電網(wǎng)能量?jī)?yōu)化配置[J]．電網(wǎng)技術(shù)，2014，38(5)：1352-1357. LIU Ziqiu，HUANG Minxiang．Optimal energy allocation of microgrid based on reliability and economy by considering characteristics of micro source[J]．Power System Technology，2014，38(5)：1352-1357.

[11]趙賀，王坤，井天軍．微電網(wǎng)自發(fā)自用運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性分析[J]．電力建設(shè)，2014，35(5)：113-117. ZHAO He，WANG Kun，JING Tianjun．Economic analysis of micro-grid in energy self-balance mode[J]．Electric Power Construction，2014，35(5)：113-117.

[12]趙磊，曾芬鈺，王霜，等．基于經(jīng)濟(jì)性與環(huán)保性的微電網(wǎng)多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度研究[J]．高壓電器，2015，51(6)：127-132. ZHAO Lei，ZENG Fenyu，WANG Shuang，et al．Research on multi-objective optimal operation of microgrid based on economic and environmental protection[J]．High Voltage Apparatus，2015，51(6)：127-132.

[13]張弛，陳曉科，徐曉剛，等．基于電力市場(chǎng)改革的微電網(wǎng)經(jīng)營(yíng)模式[J]．電力建設(shè)，2015，36(11)：154-159. ZHANG Chi，CHEN Xiaoke，XU Xiaogang，et al．Microgrid operation mode based on electricity market reform[J]．Electric Power Construction, 2015, 36(11)：154-159.

[14]胡美璇, 周洪, 胡文山,等. 一種面向微電網(wǎng)多自主體系統(tǒng)的實(shí)時(shí)電價(jià)算法[J]. 電力建設(shè), 2016, 37(3):8-16. HU Meixuan, ZHOU Hong, HU Wenshan, et al. A real-time price algorithm based on multi-agent systems in microgrid[J]. Electric Power Construction, 2016, 37(3):8-16.

[15]李春曦，王佳，葉學(xué)民，等．我國(guó)新能源發(fā)展現(xiàn)狀及前景[J]．電力科學(xué)與工程，2012，28(4)：1-8. LI Chunxi，WANG Jia，YE Xuemin，et al．Development and prospects of new energy in China[J]．Electric Power Science and Engineering，2012，28(4)：1-8.

黃裕春 (1987)，女，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)樾履茉窗l(fā)電與微網(wǎng)、智能電網(wǎng)；

莫文雄 (1971)，男，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)橹悄茈娋W(wǎng)、變電站故障診斷技術(shù)；

陸國(guó)俊(1972)，男，碩士，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)殡娏夹g(shù)管理與新技術(shù)推廣；

王宏(1989)，男，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)殡娏Ω?jìng)爭(zhēng)情報(bào)與企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化、電力市場(chǎng)；

文福拴(1965)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)故障診斷與系統(tǒng)恢復(fù)、電力經(jīng)濟(jì)與電力市場(chǎng)、智能電網(wǎng)與電動(dòng)汽車(chē)等。

(編輯 張媛媛)

Life-Cycle Economic Analysis of Home-Based Microgrid under Different Electricity Pricing Mechanisms

HUANG Yuchun1, MO Wenxiong1, LU Guojun1, WANG Hong2, WEN Fushuan3

(1.Guangzhou Power Supply Bureau Co., Ltd., Guangzhou 510310, China; 2. Electric Power Research Institute,China Southern Power Gird, Guangzhou 510080, China; 3. School of Electrical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China)

With the continuous development of microgrid technology, home-based microgrid systems have gradually attracted increasing attention. Considering the limited demands of electric power and electric energy of an individual residential consumer, the economic analysis of a home-based microgrid within its life cycle is then an important issue to be examined. Given this background, this paper proposes the life-cycle economic analysis of a home-based microgrid system with respect to the tiered electricity pricing and time-of-use electricity pricing mechanisms respectively, with considering that the economy is closely related to the adopted electricity pricing mechanism. First, we analyze the investment and benefit of a home-based microgrid system under these two pricing mechanisms. On this basis, we construct the mathematical model for the economic analysis on home-based micro-grid, and employ an actual home-based microgrid system in Guangzhou to demonstrate the life-cycle economy. The calculation results show that the economic benefit of a home-based microgrid system is highly dependent on the investment cost, and under the fixed equipment capacity in home-based micro-grid, it is positively related to the demands of both electric power and electric energy as well as the enforced pricing mechanism.

home-based micro-grid; economic analysis; life-cycle; pricing mechanism

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51477151)；廣州供電局有限公司科技項(xiàng)目(080037KK52150028)

TM 715， F 426

A

1000-7229(2016)11-0009-07

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.11.002

2016-08-13

Project supported by National Natural Science Foundation of China(51477151)