能源互联网背景下分布式光伏发电的经济效益研究

施泉生，于文姝，谢品杰（上海电力学院经济与管理学院，200090）



能源互联网背景下分布式光伏发电的经济效益研究

施泉生，于文姝，谢品杰
（上海电力学院经济与管理学院，200090）

KEY W0RDS：distributed PV；time sequence；the energy internet；energy Performance contracting；the interactive P1atform of suPP1y and demand；sensitivity ana1ysis

摘要：以互联网推动分布式光伏系统发展为切入点，结合合同能源管理机制和供需互动平台分析了节能服务公司运营分布式光伏系统的模式；建立了分布式光伏系统的成本收益数学模型；考虑负荷与电源时序性的匹配度，结合大数据分析，选取餐饮业为分布式光伏发电的应用市场，进行效益分析和敏感性分析。结果表明，充分考虑分布式光伏出力的时序性，并与可控负荷搭配，有利于激发其潜在市场；基于信息共享与大数据分析的能源互联网有利于分布式光伏系统商业化，促进能源投资与能源利用的有效性；进一步降低组件的衰减率是技术方面较为可行的保证分布式光伏系统收益的有效措施。

关键词：分布式光伏；时序性；能源互联网；合同能源管理机制；供需互动；敏感性分析

随着极端天气的出现，特别是雾霾天气的频频来袭，经济发展引起的生态环境失衡、自我调节能力下降等问题对人类日常生活的影响日益明显，甚至威胁到生命健康状况。解决经济发展与生态平衡之间的矛盾关键在于优化能源结构，发展可再生绿色能源。我国的光伏制造业在欧美市场遭遇“双反”政策，产品严重滞销，亟需开展国内市场，扩展光伏发电市场成为相关部门的共识，分布式光伏系统更是在经济发达但是资源相对匮乏的东部沿海地区得到重视。如何应用分布式光伏发电技术在技术层面已经趋近成熟，但是与其匹配的商业模式仍未完善，内在市场动力并仍未形成，发展仍比较缓慢。

分布式电源的运营模式主要有3种[1]。可用净现值、投资回收期、内部收益率为指标分析不同利益主体的经济效益。文献[2]考虑分布式电源的环境友好性，将其环境效益成本化。但是目前我国这方面的规章制度尚未完善，环境效益未能完全以货币形式体现。文献[3]建立了分布式电源的电价效益和环境效益模型。文献[4]中把分布式光伏并网的影响量化为不同利益主体的经济利益。文献[5]以有功损耗、环境效益为指标规划分布式电源的容量。文献[6]利用区间数建立计及分布式电源类型、容量等不确定因素的优化配置模型。文献[7]考虑到分布式电源的投资主体不同，进行了建模研究。文献[8]充分考虑了分布式光伏发电的补贴政策、运营模式等因素，建立经济效益模型并进行敏感性分析。文献[9]建立了光伏发电成本的数学分析模型。但是建立的成本模型只是考虑了设备投资和运行维护费用，并未计及项目前期的宣传、申请、设计、调查、融资成本以及安装成本，而这些费用恰是美国与德国分布式光伏发电成本有所差异的关键所在。文献[10]利用序贯蒙特卡洛模拟法处理光伏出力及负荷的时序性和随机性。文献[11]计及分布式电源出力和负荷时序特性，考虑了全年风电出力和负荷数据进行研究。文献[12]分析了电源容量和负荷功率同分布条件下可接入容量问题。

通过分析已有文献发现：关于分布式光伏的运营模式研究仍处于初级阶段，下一步研究应充分考虑互联网带来的变革；现有文献中分布式光伏的应用市场较多从用电成本、屋顶资源角度出发选定为工业园区，较少考虑负荷特性与光伏系统出力的匹配性。本文结合互联网强大的信息共享能力分析了未来分布式光伏系统的发展环境，节能服务公司运营分布光伏的优势和障碍，建立了收益模型并进行敏感性分析，选定不同的应用市场，从内部收益率、动态回收期、风险系数几方面分析其经济性，并给出技术方面应致力于降低组件衰减率以进一步推动分布式光伏系统的建议。

1　能源互联网与供需互动

能源互联网是一种在现有配电网基础上通过先进的电力电子技术和信息技术，融合了大量分布式发电装置和分布式储能装置，能够实现能量和信息流动的新型高效电网结构[13]。图1给出了与分布式光伏系统相关的能源互联网组成成分，能源互联网的形成可以将最合适的安装倾角、组件供应商、气象参数、政府补贴等信息集中分析并共享。传统电网的配电方式为以销定产，依靠调节发电侧来保持电网的稳定运行，启停火电机组的经济性差；由于分布式可再生能源的间歇性与目前储能技术的制约使得配电方式需要利用大数据分析预测电源与相应负荷的波动性，实现实时供需平衡。建立有效的实时供需互动平台是能源互联网形成的重要环节，是合理使用分布式可再生能源的关键所在。

图1　能源互联网构成Flg. 1 Components of the energy lnternet

供需互动包括电能、信息和交易的互动[14]，有两大分类：单侧之间互动，如发电权交易，用电权交易；双侧之间互动，如负荷调度、需求侧响应。未来配电方式或许是控制新兴负荷如电动汽车的投运时间、地点等因素来适应分布式可再生能源发电的出力大小，达到实时供需平衡，不再只是依靠控制发电侧。建立供需互动平台需要依赖大量数据的监测与统计。需要利用运营模式的创新将分布式可再能源发电的利益相关方集中管理，将各类数据收集并分析。分布式光伏发电的商业运营方式不但制约其自身发展，还对未来能源互联网的建设意义深远。

2　合同能源管理

目前我国分布式光伏发电的运营商多数由光伏组件开发商来担当，以销售光伏组件，该模式因目前相关的质量监管部门尚未健全仍不能有效推动分布式光伏发电市场的形成。依赖合同能源管理的节能服务公司旨在发展节能技术与绿色能源，将绿色能源与节能有效结合，拥有有节能意识的客户，而且对各类电力用户了解全面，熟悉其在调节供需平衡方面的潜力，与各种工程总包团队、设备生产商、融资平台、银行有合作关系。

合同能源管理机制（energy Performance contracting，EPC.国内亦称EMC（energy management contracting））其构成和作用机理如图2所示。合同能源管理的运行机制为分享客户节约的能源成本[15]，客户的历史能源成本在项目实施后一部分为能源成本，一部分支付节能服务公司，其余为节约成本。

图2　合同能源管理机制的作用机理Flg. 2 Mechanlsm of energy performance contractlng

合同能源管理机制在我国的发展处于初期阶段，其作为分布式光伏系统运营商优势：一是有客户基础与管理经验；二是有融资基础；三是进一步减少能源成本，既有利于提高客户积极性，又可以增加企业收益；四是将设备生产商与节能效果联系起来，保证组件等设备的质量。两大障碍为缺少权威的第三方节能量评估单位，节能服务公司与客户在节能量方面会有争议；合同能源管理的支持系统发展不成熟，关于项目的数据管理、搭建核心技术模型处于积累阶段，智能化程度与分布式光伏发电发展所需要的智能化程度仍有距离。

3　分布式光伏发电的成本收益模型

3.1分布式光伏发电的成本

分布式光伏发电成本构成主要包括初期投资、运营维护费用、贷款利息等。初期投资主要包括商业计划书（融资所需）费用，系统设计费用，光伏组件、逆变器、支架等设备的采购费，人员雇佣费，工程项目保险费，用户线路改造费用等。维护费用主要包括相关人员工资，光伏组件的清洗费用，维护人员培训费用等。各部分的成本费用计算公式如下。

式中：Ig为分布式光伏发电的初始投资；C1为制定融资所需的商业计划书的费用；C2为系统设计费用，包括现场勘测、与电网公司协调入网、咨询费等一系列相关费用；C3为设备购置费用，包括采购安装光伏组件，逆变器、汇流箱、支架、电缆等费用；C4为安装人员雇佣费；C5项目保险费，包括前期施工安全保险与发电量保险；C6为用户线路改造费用和改良客户用电设备费用之和。六项费用中设备费用所占比例较大，随着技术的成熟有一定的下降空间；但是其余几项费用比例虽小，但是是美国与德国分布式光伏的成本差距的主要来源，此外还包括宣传费用，申请费用等。

式中：Mg为年运营维护费用；Ig为初始投资；Rm为运营维护费用率，大型光伏电站一般区1%，分布式光伏电站一般不超过2%，国外空气污染较轻，系统清洁主要依赖风雨，系统清洁费用几乎为零，运营维护费用比国内低。

式中：Tg为年贷款利息；Ig为初始投资；Rt为贷款额占初始投资的比例；i为年利率。目前要求节能服务公司至少拥有总投资的30%，其余可以向银行贷款，具体现金流需要根据企业选择的还款方式而定。此外随着分布式光伏发电市场的不断开展，应该会出现更有效的融资手段；分布式光伏与互联网结合发展，可能也会激发新的金融产品产生。

综上，分布式光伏发电的成本费用折算到投资初期可用如下公式表示

式中：q为停电损失费用等小项费用；ic为贴现率，一般指企业要求的资本成本率或是投资者要求的投资回报率；t为资金产生的时间点；n为光伏系统的寿命期，合同能源管理模式为合同期。由于分布式光伏的建设期较短，可以忽略初始投资的时间价值。

3.2分布式光伏发电的收益

合同能源管理模式下分布式光伏发电的收益主要包括分享客户节能收益、卖电收入、上网电量收入、政府补贴等。其中分享客户的节能收益比例通过双方协商确定，由于目前鉴定节能量的权威机构尚未形成，双方需多次协商才可达成一致意见；卖电收入部分，节能服务公司制定的电价比市价低，既能促进节能效果的进一步提高，又能保证分布式光伏发电的就地消纳，减小对电网电能质量的影响；余电上网部分的公共配电网线路改装和计量装置费用，相关政策已经明确规定由电网公司负担，上网电量收入只与上网电量和当地燃煤机组标准上网电价相关；政府补贴部分需要考虑分不同等级政府给予分布式光伏发电的补贴，此外应该注意补贴年限的不同与有效时间段。各部分收益的计算公式如下所示。

式中：B1为年节能服务公司分享客户节能收益所得；Mq为项目实施前相关用电量；Mh为项目实施后的电网购电量；Mg为项目实施后相关设备使用分布式光伏发电的用电量；Ps为电网电价；Pg为节能服务公司的分布式光伏电价；rf为分享比例；其中一定有Mq＞Mh＋Mg（用电量减小）和Ps＞Pg（光伏电价低）。

式中：B2为年卖电收益。

式中：B3为年上网电量收入。

式中：B4为年全电量政府补贴收入，需要考虑年限问题；Pb为度电补贴，国家级补贴为0.42元/kW·h，年限为20年，省市级政府补贴可根据项目所在地的政府规定而定。

综上，合同能源管理模式下分布式光伏发电的年收益折算到投资初期可表示为

式中：p为平衡因子，表征因线路损耗等原因减少的收益。

3.3全寿命周期分布式光伏发电的净现值

由于资金存在时间价值，分布式光伏发电在其生命周期内成本收益发生的时间节点不同，其价值也就不同。当存在多个备选方案且其寿命期不同时，选择以净年值作为衡量指标进行比较；当寿命期相同时，净现值与净年值均可以作为衡量指标。本文只是对分布式光伏发电进行盈利性分析，不存在方案的比较，所以两个指标都可以使用，若选择以净现值为指标表示公式如下。

结合式（4）和式（9）

4　示例分析

分布式光伏发电在我国仍处于发展初期，其市场目前主要是能源成本较高的企业和拥有大量闲置屋顶的企业。分布式光伏系统的安装费用细则如表1所示，初始投资的30%为自有资金，70%为银行贷款，利率为6.8%，偿还年限为10年，采用等额本金还款方式。

表1　分布式光伏系统安装费用细则Tab. 1 Breakdown of the lnstallatlon cost of dlstrlbuted PV　元/W

考虑到分布式光伏出力的时序性与负荷特性的匹配度，选择一般商业性的餐饮行业、事业单位员工餐厅、学校餐厅三类餐饮行业作为分布式光伏的应用市场，其用电价格如表2所示，特定条件下分布式光伏系统的度电成本如表3所示。假设分布式光伏系统出力全部自发自用，由于天气变化，昼夜交替而引起的出力不足或是系统故障之时，负荷可由电网支持工作。以内部收益率和动态回收期为经济指标分析其经济性如表4所示。

表2　用户的用电价格Tab. 2 Users’electrlclty prlces

表3所示的度电成本是在特定基本条件下的计算结果。可以改变峰值小时数、安装面积、单位面积光伏组件安装容量等基本参数计算不同条件下的度电成本。表4给出了2种方法的计算结果，备注中的结果为使用年平均发电量的计算结果，虽然考虑了光伏组件的衰减率，但是使用平均值计算与实际情况有一定误差，总体趋势是没有变化，其原因在于使用平均值减少了项目初期的发电量，进而影响其净现金流，减小了内部收益率，使得对项目可盈利能力估算偏低，动态回收期的2种方法的计算结果差距在1 a以内。

表3　分布式光伏系统的度电成本Tab. 3 Cost of electrlclty of dlstrlbuted PV systems

表4　用电电价不同时的经济性比较结果Tab. 4 Result of economlcal comparlson at dlfferent electrlclty tarlffs

由表4可以看出用电电价越高，项目的内部收益率越高，盈利能力越强，动态回收期越短。但是不可忽视商业用户的房屋楼房多为租赁，租期一般为10年以内，项目后期风险较大，而学校、事业单位的建筑物一般使用权和所有权均为本单位所有，项目风险较小，收益稳定，只是相对而言会低于商业用户。另一方面虽然学校用电电价比商业用电电价低0.3元，项目初期几年内的利润为负，从而使所得税支出为0，从而使得其内部收益率仍高于行业标准8%。

光伏系统的衰减率在分布式光伏系统的整个寿命期内是不可忽视的影响发电量的因素。光伏组件的年衰减率是不相同的[16]。首年衰减率和非首年衰减率相差很大，表5显示了只改变首年衰减率时分布式光伏系统在整个寿命期内的发电效率的变化（指只由衰减率不同而引起的变化）。表6、表7显示了由于技术改变，非首年的衰减率变化对系统寿命期内的平均年发电效率的影响（将数列处理为等比数列近似计算而得）。

表5　首年衰减率对平均发电率的影响Tab. 5 The effects of the flrst-year decay rate on the average generatlon rate　%

表5、表6、表7的平均年发电率的方差数量级分别为10-5、10-4、10-4，方差越小数据波动性越小，变化因子对结果的影响越小，所以从整个寿命期的总收益与动态回收期来看减小非首年的衰减率比减小首年衰减率更有价值，即虑采用耐紫外功能较强胶黏剂EVA和背板材料。

表6　非首年衰减率对平均发电率的影响Tab. 6 The effects of the non-flrst year decay rate on the average generatlon rate　%

表7　非首年衰减率对平均发电率的影响Tab. 7 The effects of the non-flrst year decay rate on the average generatlon rate　%

5　结论

分布式光伏的发展瓶颈已经不再是技术与资金，而是两者之间的对接工作，而是缺少信息共享平台，将金融机构、设备生厂商、闲置屋顶所有人、高能源成本商业、节能服务公司、电网公司等联系起来。该平台一方面是运营分布式光伏系统所需的信息分享系统，依托互联网的传播速度与使用人群宽泛的特点，为金融机构提供投资渠道，为设备生产商提供买方，为节能服务公司提供有意向减少能源成本的企业与有意向利用闲置屋顶盈利的建筑物所有人等信息；另一方面是光照参数、分布式光伏系统实时出力数据、各类负荷的负荷特性的数据监控与分析系统。通过对已投产项目的数据分析，结合电网公司数据与各行业的负荷特性、逐步调整优化分布式光伏系统的应用市场，全面调动的需求侧在推动分布式光伏发电应用方面的潜力，逐步明确适合使用分布式光伏的行业甚至细化至负荷类型。

分布式光伏系统的收益回报问题，计及各级政府的度电补贴在内，结合国家的资源现状与环境现状，分布式光伏项目是一个风险较小前景较好的投资项目。现状是储能成本较高，上网电价低于售电电价，自发自用的比率逾高，其收益愈大，用电电价越高，收益愈大。但是学校、医院、事业单位虽然用电电价略低于商业用电电价，涉及利益相关者较少，内部收益率高于行业标准，动态回收期在7年左右，仍是较好的应用市场，特别是单位内的餐饮部门。影响分布式光伏系统发电量的组件衰减率是较为敏感且有提高空间的可控因子，无论从内部收益率考量还是从项目的整个寿命期来考量，应首先考虑选择非首年的衰减率较小的光伏组件，并在制作工艺上进一步减小非首年衰减率。

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施泉生（1961—），男，教授，上海电力学院经济与管理学院院长，主要从事电力市场方面的研究；

于文姝（1990—），女，硕士研究生，研究方向为分布式光伏的效益分析及规划问题。

（编辑徐花荣）

Project SuPPorted by Nationa1 Natura1 Science Foundation of China（71103120）.

Economlc Beneflt Analysls of Dlstrlbuted Photovoltalc under the Energy Internet Background

SHI Quansheng，YU Wenshu，XIE Pinjie
（Co11ege of Economic and Management，Shanghai University of E1ectric Power，Shanghai 200090，China）

ABSTRACT：Starting from the concePt that the Internet he1Ps to Promote the deve1oPment of the distributed PV system，and based on the contract energy management mechanism and the interactive P1atform of suPP1y and demand，this PaPer ana1yzes the mode by which the energy service comPany oPerates the distributed PV system，and bui1ds a mathematica1 mode1 of cost-revenue of distributed PV systems；considering the matching of the 1oad and time sequence of the Power source and combined with the massive data ana1ysis，the catering industry is chosen as the distributed PV market for the benefit ana1ysis and sensitivity ana1ysis. The resu1ts show that fu11 considering the characteristics of distributed PV and mixing with contro-11ab1e 1oad he1P to stimu1ate the Potentia1 market，and that the energy internet based on information sharing and data ana1ysis is conducive to the commercia1ization of distributed PV systems，and to enhance the effectiveness of energy investments and energy use. Further reducing the decay rate of the comPonent is an effective measure to ensure the Proceeds of distributed PV systems.

作者简介：

收稿日期：2015-10-06。

基金项目：国家自然科学基金青年项目（71103120）。

文章编号：1674-3814（2016）01-0100-07

中图分类号：TM-9

文献标志码：A