户用光伏发电补贴退坡与平价上网的两阶段仿真研究

2021-09-25谢文华

电力需求侧管理 2021年5期

王欣，谢文华

（东北电力大学经济管理学院，吉林吉林 132000）

0 引言

近年来，分布式光伏发电系统相对于大型集中式光伏电站具有输电成本低、电力损耗小的优势［1］。从2018年的《关于2018年光伏发电有关事项的通知》到《关于2021年风电、光伏发电开发建设有关事项的通知》的发布，明确了光伏发电的未来发展要全面摆脱对补贴的依赖，走高质量、平价发展的道路。在光伏补贴急剧退坡、市场化进程不断提速的形势下，户用光伏能否继续维持领跑优势，已成为专家学者重点关注的问题。

国内外学者对分布式户用光伏的补贴政策已有研究。文献［2］基于系统动力学模拟了不同上网电价补贴退坡力度下，户用光伏的投资收益率、装机量及上网电价补贴成本的发展演化。文献［3］中运用系统动力学模型，分析了印尼家庭选用屋顶光伏的动态过程，以检验净计量和净计费作为政策工具的有效性。文献［4］基于对补贴政策、上网电价等因素的考量，对光伏余电上网的经济效益进行评估。文献［5］中通过对澳大利亚家庭光伏发电的敏感性分析，光伏板成本的下降对光伏发电量的影响最大，其次是上网电价、可再生能源信贷和家庭电价成本的增加。

综上所述，已有关于户用光伏补贴的研究多是在补贴还存在的背景下，从补贴退坡的力度、补贴方式及光伏发电的经济性等方面进行探讨，鲜有针对补贴制度退出后对户用光伏发展趋势的研究。鉴于此，本文将补贴退坡阶段与平价上网阶段相结合构建系统动力学模型，对两阶段户用光伏的装机量、投资意愿及单位装机成本的发展趋势分别进行预测，以期对我国户用光伏的发展提供参考。

1 分布式户用光伏发展机理及模型构建

系统动力学将系统科学理论与计算机仿真相结合，对处理高阶次复杂时变的系统具有优越性。而户用光伏的发展存在多种因素相互作用，并且在各时段呈现不同的动态特性，因此本文选用该方法构建户用光伏发展演化的两阶段模型并进行定量分析。

1.1 户用光伏发展机理

追求收益最大化是居民用户决定是否对光伏发电进行投资的中介变量，即用户的投资意愿主要取决于分布式光伏发电的投资回报率。而用户的投资意愿作为模型中的因变量，将进一步影响户用光伏装机量，继而在光伏发电成本学习率的作用下推动单位装机成本变化。与此同时，政府对户用光伏的补贴政策关系到居民用户年收益及投资回报率进而与装机量支路构成完整的反馈回路，户用光伏发展机理如图1所示。

图1 户用光伏发展的机理图Fig.1 Mechanism diagram of residential photovoltaic development

1.2 户用光伏发电发展的系统动力学模型

本文将户用光伏发电的发展分为成本、收益、用户投资意愿及装机量增长3个模块。在成本模块中，户用光伏发电的成本学习率促使其每年的单位装机成本变化，进而影响由装机成本及运维成本构成的总成本费用；在收益模块中，根据每年的总发电量，结合选择全额上网的居民用户比例及用户的自用电比例，在不断降低的全电量补贴及标杆电价的情景下得到每年户用光伏发电的收益；在用户投资意愿及装机量增长模块中，户用光伏发电的年收益及总成本共同作用得到其投资回报率后，结合用户的期望投资回报率得到用户的投资意愿，其与上一年户用光伏的装机量共同确定当年新增的户用光伏装机量，装机量逐年累加的结果作用于成本与收益2个回路。

本文提出如图2所示的系统动力学模型。设累计装机量、全电量补贴、标杆电价为3个状态变量，年新增装机量、全电量补贴降低、标杆电价降低分别是其对应的速率变量；其余变量为辅助变量。根据所构建的系统动力学模型及变量间的作用机理建立各模块变量方程。

图2 户用光伏发电发展预测的系统动力学模型Fig.2 A system dynamics model for predicting the development of residential photovoltaic

（1）成本模块

随装机规模的不断扩大及技术进步，光伏发电系统的装机成本会持续下降，下降趋势用相关学习效应和学习曲线分别为

式中：Cin(t)为第t年的单位装机成本；Cin为初始单位装机成本；Y t为第t年的累计装机容量；Y0为首年的装机容量；η为经验系数，根据所设定的学习率Lr来计算。

由此得装机容量为W的系统装机成本为

维护成本按投资成本的一定比例计算为

式中：CMA()t为第t年的运维成本；λ为运维费率，一般取1%～3%［6］。

因此，户用光伏系统的总成本为

（2）收益模块

户用光伏发电每年的总收益有“全额上网”模式和“自发自用，余电上网”模式，2种上网方式的年收益分别为

式中：α为选择“全额上网”模式的用户比例；β为选择“自发自用，余电上网”的用户的自用电比例；Q为年总发电量；PF为全电量补贴的价格；PB为集中式光伏电站上网的标杆电价；PR为居民零售电价；PS为脱硫电价［7—8］。

因此，户用光伏上网的年总收益为

（3）用户投资意愿及装机量增长模块

由用户的年收益和系统总成本得到每年的投资回报率［9］为

而用户的投资意愿取决于实际投资回报率与期望投资回报率ROIE之比，即

每年新增的装机容量Y t由用户的安装意愿与上一年的装机容量W t-1决定，即

进而根据每年新增的装机容量Y t累加得到累计装机容量YT。

2 模型参数设定及可信度测试

2.1 基于改进的两阶段模型参数调整

（1）补贴退坡阶段

本文选取2018年3类太阳能资源区中间价区的标杆电价作为初始标杆电价，即0.65元/kWh。按照2019年、2021年新发布标杆电价的实际值，确定每年15%的比例进行下调，得到2019年至2021年模拟的标杆电价分别为0.55元/kWh、0.47元/kWh、0.4元/kWh。由同样的方法，确定每年的全电量补贴按照55%的下调比例，得到2019年至2021年的全电量补贴分别为0.17元/kWh、0.08元/kWh、0.03元/kWh。对比2018年至2021年出台的光伏补贴政策，本文所确定的模拟价格与实际值相接近，比较结果见表1。

表1 实际标杆电价、补贴电价及其模拟值Table 1 Actual benchmark electricity price、subsidy electricity price and the simulation value元/kWh

（2）平价上网阶段

按照所模拟的补贴退坡的趋势，结合2021年5月国家能源局出台的户用光伏平价上网政策，设定从2022年起户用光伏发电进入平价上网时代，补贴为0，对2022年至2028年户用光伏发电的发展趋势进行模拟。

2.2 模型参数设置及模拟检验

本文以2018年为基准年，户用光伏累计装机量采用国家能源局发布的2017年4 GW、2018年6.2 GW、2019年12 GW；脱硫煤电价由2018年我国各省脱硫煤电价求平均值得到为0.376元/kWh；居民零售电价为全国平均电价0.518元/kWh；户用光伏单位装机年发电量根据2018年全国光伏发电量和户用光伏装机容量占光伏累计装机容量的比例计算得出，为1 020 kWh/kW；单位装机成本初值设为2018年市场平均价格6.5元/W;年运维费率设定为装机成本的2%；居民自用电比例初设为70%；户用光伏选择“全额上网”的用户占比较小，设为15%；光伏装机成本降低的学习率介于10%～30%，本文取15%；户用光伏用户的期望投资回报率设为10%［2］［10］，具体模型参数如表2所示。

表2 模型参数设置Table 2 Model parameter setting

将初始参数值输入模型进行仿真测试，得到2019年的累计装机量为11.22 GW，与实际偏差为6.5%；2020年的累计装机量为16.8 GW，比中国光伏行业协会预计的多6 GW左右，偏差也在7%的范围内；并且2019年、2020年的预测单位装机成本分别为5.65元/W、5.14元/W，与市场平均价格相接近，模型的测试数据与实际数据的偏差在可接受的范围内，因此可用于进一步的预测仿真。

3 户用光伏发电的两阶段仿真预测

从户用光伏装机量预测的总体趋势如图3所示，户用光伏的总装机量在2020年至2028年呈现稳定的增长趋势，在补贴完全退出时我国户用光伏装机总量约为29 GW；进入平价上网阶段后，截止到2028年底，累计装机量预计可达到76 GW左右。

图3 户用光伏的累计装机量预测Fig.3 Prediction of cumulative installed capacity of residential photovoltaic

户用光伏的年新增装机量预测如图4所示，在补贴退坡阶段，由于补贴不断降低，年新增装机量的增长率也逐渐减小；在进入平价上网阶段后，起初2年的年新增装机量还维持在补贴退坡至平价上网过渡阶段6.3 GW左右，而从2025年开始，每年的年新增装机量分别为7.8 GW、9.2 GW、11.2 GW、14.2 GW，装机量呈现加速扩张的趋势，预示着户用光伏发电已可以跳脱补贴政策的支撑，由平价上网的适应阶段过渡至势头良好的发展阶段。

图4 户用光伏的年新增装机量预测Fig.4 Prediction of annual new installed capacity of residential photovoltaic

用户投资意愿曲线如图5所示，可以看出，补贴退坡阶段由于全电量补贴呈现加速递减状态，用户每年的补贴收益接近减半，其投资意愿呈急剧下滑趋势。但2020年至2022年用户光伏的投资意愿分别为1.047、1.028、1.032，从2022年开始，户用光伏的投资意愿已转入上升状态，这是由于2022年单位光伏装机成本已从2020年的5.14元/W下降到4.53元/W，补贴已递减到0.02元/kWh，装机成本的大幅降低足以平抑接近于0的补贴电价，较低的投资成本使用户仅靠节电收益与售电收益就可在较短的投资回收期内收回成本。用户的投资意愿在步入平价上网阶段后基本呈线性增长的趋势，2028年底的预测结果1.265已高于2020年还具有补贴优势时1.047的水平。

图5 户用光伏用户的投资意愿预测Fig.5 Prediction of investment willingness of residential photovoltaic

另外，从光储发展的角度看，在现有储能技术成本的条件下，峰谷价差在0.75元/kWh以上的地区才具有开发此类项目的经济性，当前我国各省居民用电的峰谷价差基本在0.2元/kWh，光储设备还不具备投资价值。而国家发改委在《关于创新和完善促进绿色发展价格机制的意见》中已明确要扩大高峰、低谷电价差［11］，并且随着储能成本的不断下降，“十四五”期间将迎来由商业化初期向规模化发展的转变。因此，峰谷价差扩大和储能成本降低的双管齐下，将提升居民使用光储设备的意愿，在保障电能质量的同时规避峰时高电价。光储模式的发展将为户用光伏带来巨大的市场［12］。

单位装机成本的预测结果如图6所示，其中B为109，单位装机成本持续下降，但降低幅度不同。从2020年至2023年底，计算得到每年装机成本的下降率分别为9.4%、6.8%、5.4%、4.4%，呈现降低趋势；而从2024年至2028年底，单位装机成本的下降率基本维持在每年4%左右。分析其原因，在补贴退坡之前，一方面由于规模效应促使光伏成本逐年降低，另一方面，由于补贴政策对光伏发电的扶持也对装机成本的降低有一定的贡献。因此，二者结合的作用效果要远高于在平价上网阶段仅靠规模扩张带来的单位装机成本下降的幅度。所以在进入平价上网阶段后，单位装机成本的下降率将逐渐趋于稳定。由于本文设定每年55%的全电量补贴下调比例，2023年初还应存在0.006 8元/kWh的全电量补贴，但平价上网阶段中2023年初按照0补贴计算，因此两阶段的曲线衔接处略有偏差。