不同电价机制下家庭型微电网全寿命周期的经济性分析

黄裕春，莫文雄，陆国俊，王宏，文福拴

(1. 广州供电局有限公司, 广州市 510310；2. 南方电网科学研究院, 广州市 510080;3. 浙江大学电气工程学院, 杭州市 310027)

不同电价机制下家庭型微电网全寿命周期的经济性分析

黄裕春1，莫文雄1，陆国俊1，王宏2，文福拴3

(1. 广州供电局有限公司, 广州市 510310；2. 南方电网科学研究院, 广州市 510080;3. 浙江大学电气工程学院, 杭州市 310027)

随着微电网技术的不断发展，家庭型微电网逐步受到关注。考虑到家庭用电功率和用电量的限制，家庭型微电网全寿命周期的经济性分析是一个值得研究的重要问题。在此背景下，考虑到经济性与所采用的电价机制密切相关，针对采用阶梯电价和峰谷电价2种机制，提出家庭型微电网全寿命周期的经济性分析方法。首先分析这2种电价模式下的投资成本和投资收益，在此基础上建立用于家庭型微电网经济性分析的数学模型，并以广州地区一个家庭型微电网系统为例来分析全寿命周期下的经济性。计算结果表明，家庭型微电网的经济性在相当程度上受投资成本的影响；在家庭型微电网系统设备容量配置已经确定的前提下，其经济性水平与用电负荷和用电量呈正相关，且受电价机制影响。

家庭型微电网；经济性分析；全寿命周期；电价机制

0 引 言

微电网技术在过去10多年间取得了比较长足的进步，并已在欧盟、美国和日本等国家得到了实际应用[1-2]。在完善的电力市场交易机制下，微电网可以基于自身系统的发电和用电特性，针对电价变化滚动优化发电策略，得到最大化经济收益。具体到中国，由于尚未建立比较完整的电力市场机制，微电网技术初次投资高的缺点制约了其推广应用，目前以实验或示范为目的而建设的微电网项目居多[3-4]。在微电网方面，已发表了相当多的文献，主要集中在微电网的规划设计[5-7]、运行控制[8-11]及环保特性[12]等方面。文献[5]综述了国内外微电网规划设计方面的研究进展。文献[6]从微电网自平衡能力角度研究了并网型微电网的优化配置问题。文献[7]从控制策略的角度探讨了独立型微电网系统的优化配置问题。文献[8-11]在考虑了微电网电源特性、运行方式等的前提下分析了微电网的可靠性和经济性。文献[12]从微电网多目标优化调度出发研究了兼顾经济性和环保性的微电网优化调度方法。文献[13]对电力市场环境下微电网的商业运营模式和盈利方式进行了探讨。文献[14]提出一种实时电价算法解决微电网内多个源荷间的电能优化调度问题。

新型城镇化建设和经济改革增加了用电需求，推动了能源供应方式变革，为分布式能源的规模化接入提供了可实施的外部环境。城镇地区的自然条件不适合发展分布式风力发电。采用微电网方式，按照自用为主、富余上网、因地制宜、有序推进的原则，在用户侧积极发展和规模化接入分布式光伏电源，是实现新能源就地消纳利用，发挥分布式光伏发电效能的有效方式。

适合在城镇地区推广的微电网主要包括商业楼宇型、工业园区型和家庭型。紧凑型小容量微电网控制设备的成功研制使得实现家庭型微电网成为可能。家庭型微电网是以每个家庭为单位，在家庭范围的屋顶或地面等建设分布式发电，以家庭负荷为用电负荷，并网等级在400 V及以下；也可以包含一定的储能容量，在某些情况下微电网可独立运行。本文对这种家庭型微电网的经济性进行探讨。

1 家庭型微电网的典型结构

与大容量微电网结构相似，家庭型微电网也可大致分为电气一次系统和二次系统。电气一次系统指电能量流通的系统，通常包括光伏发电设备、储能设备、变流设备以及家用电器。电气二次系统主要包括控制、计量与通信等设备，如微电网控制终端、智能用电管理终端等。电气二次系统承担着家庭型微电网能量管理与优化的重要功能。随着智能制造技术的提升，更多具备通信且高度集成化的智能设备面世，届时家庭型微电网的电气一次和二次系统将呈现硬件融合结构。

以图1所示的家庭型微电网结构为例，其电气一次系统包含户用配电设备、光伏发电组件、储能设备、光储一体机以及家用电器，这些设备承担了家庭微电网系统内的电能产生-流动-消耗等功能；电气二次系统则包含微电网综合控制终端、具有通信功能的智能电表和光储一体机、智能电器和智能插座等设备，这些设备通过数据交互能够对家庭内的电能进行管控，最终实现能量优化和用能经济性的目的。

图1 家庭型微电网的典型结构

2 家庭型微电网的经济分析

2.1 家庭型微电网的成本构成

家庭型微电网的成本主要包括2部分，即建设成本和运维成本。

建设成本主要发生在微电网建成投运之前，包括各类设备的购置费用和工程改造费用。按照设备的功能又可细分为光伏发电系统设备、储能系统设备、能量管理系统设备。因此，家庭型微电网建设成本Co可表示为

Co=Ip+Ie+Is+Ic

(1)

式中：Ip，Ie，Is和Ic分别表示光伏发电系统设备总价、储能系统设备总价、能量管理系统设备总价和工程改造总费用。

可以把Ip细分为光伏组件设备费用、支架费用、电力电缆费用以及其他电气设备费用，可表示为

(2)

式中：α1～α4和p1～p4分别表示光伏组件设备、支架、电力电缆和其他电气设备的价格及相应数量。

储能系统设备总价可细分为电池组费用和变流设备费用，这二者的单价和相应数量分别用β1～β2和q1～q2表示，具体可表示为

Ie=β1q1+β2q2

(3)

能量管理系统主要用于对微电网中的能量生成与消费进行协调控制，以维持系统运行的安全性和经济性，其价格取决于其功能多寡。

工程改造总费用主要与微电网系统的装机容量有关。工程造价通常根据设备总价按照一定比例λ计算：

Ic=λIe

(4)

λ视工程改造的难易程度确定。由于微电网系统的工程施工尚不成熟，工程改造费用处于较高水平，λ可取为35%～50%。

运维成本主要包括老旧设备更换与维护成本特别是发电系统的日常运维成本，也可按照建设成本的一定比例φ计算：

Cm=φCo

(5)

式中：Cm表示微电网的运维成本；φ为相应的比例系数，通常取为0.5%～2%。

2.2 家庭型微电网的收益

我国自2009年起大力发展风、光等可再生能源发电项目，针对这些发电项目投资回报激励不足的难题，国家及地方政府制定了不同的补贴政策[15]，详细规定了这些发电项目的上网电价，以扶植可再生能源发电产业的发展。

家庭型微电网由于容量小、回收期长、经营分散等劣势，难以吸引投资方以能源合同管理模式进行投资，目前多采用自主投资，自发自用、余电上网的投资经营方式。这里针对这种模式进行探讨。在此模式下，家庭型微电网的收益包括家庭消纳电量节约电费的收益以及余电上网的电量收益。

家庭型微电网的经济收益A包括分布式光伏发电补贴、余电上网电量收益以及本地消纳电量节支收益，分别用A1～A3表示：

A=A1+A2+A3

(6)

目前实施的补贴政策规定分布式光伏发电补贴金额为补贴电价与光伏系统实际发电量的乘积。这样，A1可表示为

(7)

式中：P1表示某给定时期内家庭型微电网中分布式光伏系统的发电总量；δi表示各级政府的补贴电价，n表示补贴来源的总数。

对一般家庭而言，其负荷特性与光伏发电功率曲线趋势多呈现负相关，居民大多由于早出晚归的日常活动规律导致负荷曲线呈现白天低晚间高的特点。光伏发电功率特性则刚好相反，光伏组件仅能白天吸收太阳能发电。因此，家庭型微电网能够通过余电上网的方式获得收益：

A2=γP2

(8)

式中：P2表示某给定时期内家庭型微电网的实际上网电量；γ为当地分布式光伏上网电价。

家庭型微电网的本地消纳电量节支收益则取决于当地居民电费结算的模式和电价。我国居民现行电费结算机制主要包括阶梯电价和峰谷电价2种，下面针对这2种电价机制进行讨论。

(1)阶梯电价机制。阶梯电价以居民家庭为单位，将其用电量划分为3档，从第1档至第3档的电量和电价逐级递增，在同一档电量内的用电价格相同、不随时间变化，以鼓励居民节约用电。在此机制下，家庭消纳电量收益可表示为

(9)

(10)

(2)峰谷电价机制。峰谷电价机制对居民用电时段划分为高峰电价、平时电价和低谷电价时段。居民在同一时段内的用电价格相同，不随电量变化。在此机制下，家庭消纳电量收益可表示为

(11)

(12)

2.3 经济分析模型

假设家庭型微电网运行寿命为T年，折现率为η，则微电网的全寿命周期成本C包括最初的建设成本以及每年产生的维护成本。考虑资金的时间价值，C可由式(13)求得：

(13)

微电网全寿命周期内的总收益R等于

(14)

考虑全寿命周期的电力项目经济性评价能够更全面和合理的评估项目的经济效益。可以采用年费用法、投资回报率、净现值法(net present value，NPV)等方法进行经济评价。这里采用净现值法，首先将各年的现金流(即经济收益扣除运维成本的余额)折算为现值，再与最初的建设成本求差得到家庭型微电网的净现值。

(15)

ε的值越大，微电网系统的经济性越好。

针对同一时期，在家庭型微电网建设规模一定的情况下，微电网的投资成本大致不变。当家庭的用电习惯不变时，家庭型微电网的经济性高低取决于自身的用电习惯和电价结算机制。从式(6)—(12)可以看出，采用阶梯电价和峰谷电价机制下计算微电网总收益R的区别主要在于A2和A3的计算方法不同。

3 算 例

广州某小区开展了家庭型微电网系统的工程示范建设。广州地区光伏系统每日发电时间一般为上午9:00:00—15:00:00，光伏年发电小时数为1 095 h(折算到全额出力的小时数)。分布式光伏发电可获得中央政府和地方政府按发电量进行的补偿，中央政府的度电补贴为0.42元/(kW·h)，广州市政府的度电补贴为0.1元/(kW·h)，2项补贴叠加实施。分布式光伏发电上网标杆电价为0.514元/(kW·h)。

家庭型微电网系统的工程示范建设针对一户家庭住宅。该住宅建筑为独栋美式别墅，屋顶及花园可建设约5～6 kW的光伏电池板。根据现场勘查情况，建设分布式光伏发电系统5.4 kW。该家庭最大负荷约为10 kW，保安负荷容量约4 kW。为了使微电网系统能够在市电停电后给用户提供家庭保安电源在1 h内所需的应急供电，配置了容量为 5.4 kW·h的储能锂电池。该家庭型微电网的设备购置成本和求得的工程改造成本如表1所示。

表1 某家庭住宅微电网的投资和建设成本

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

广州目前实施的阶梯电价和峰谷电价分别如表2和表3所示。

表2 广州目前实施的阶梯电价

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

表3 广州目前实施的峰谷电价

该居民用户目前选择了阶梯电价机制，其负荷特性及年用电量如图2所示。

图2 某家庭住宅的典型日负荷特性和光伏发电出力

假设在微电网投运后，该家庭的用电习惯和电费结算模式保持不变。根据式(6)—(10)，可求得微电网系统的年均收益情况如表4和5所示。

表5 住宅微电网系统年均收益情况 (阶梯电价)

假设该微电网系统的寿命为25 a，折现率取为10%，根据式(13)—(15)，可求得其全寿命周期成本、收益及经济性指标，如表6所示。

表6 住宅微电网系统的净现值指标 (阶梯电价)

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

ε<0意味着在此微电网的全寿命周期里，其经济收益低于投资和建设成本。这解释了家庭型微电网未能得到广泛认可和推广的最根本原因。

为进一步分析家庭型微电网的经济性，对上述案例进行延伸性分析。

(1)投资成本变化对家庭型微电网经济性影响。

表7列出了在阶梯电价机制下ε随初始投资成本(即建设成本，不含后续的维护成本)变化的趋势。

表7 阶梯电价机制下ε随初始投资成本变化的趋势(阶梯电价)

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

从表7可以看出，当家庭型微电网投资成本降低35%，其能够在寿命周期内达到盈亏平衡；当投资成本降幅大于35%时，其具备盈利能力。投资成本降低可以改善家庭型微电网的经济性，促使微电网技术在家庭用户中推广应用。

国内目前的微电网技术处于初期阶段，尚未形成成熟完善的设备制造产业。国内现有的微电网系统多数处于示范工程建设特征，且以工业园区形式为主。家庭微电网技术的发展就更为初步，可选的设备也更少。在本案例中，住宅微电网系统主要参照工业级的微电网系统技术方案、设备选型和建设施工，因此初始投资成本较为高昂，经济性较差。随着技术的不断进步和家庭型微电网技术和产业日渐成熟，其投资成本有很大的下降空间。

(2)电价机制对家庭型微电网经济性的影响。

假设用户的电价机制为峰谷电价，其他条件保持不变，则微电网的各项经济数据如表8—10所示。

通过比较可以看出，采用峰谷电价机制时，微电网的经济性指标较采用阶梯电价机制要好。这是由于

kW·h

表9 住宅微电网系统年均收益情况 (峰谷电价)

表10 住宅微电网系统的净现值指标 (峰谷电价)

峰时电价比标杆上网电价高，微电网的储能系统能够将未实时消纳的电能储存起来在峰价时使用，因此减少峰时电量消费，从而改善了微电网的经济性。采用阶梯电价时，该用户的月用电量处于阶梯电价所适用的中档(第2档)水平，微电网产生的电能更多地直接用于抵扣第2档或第1档的“廉价电”，因此经济效益不如采用峰谷电价时。

(3)家庭用电量变化对微电网经济性的影响。

假设其他因素保持不变，针对阶梯电价和峰谷电价机制，分别考察家庭用电量波动时，微电网净现值的变化情况。计算结果如表11和图3所示。

从表11和图3可以看出，采用阶梯电价机制时，微电网净现值受家庭用电量变化的影响较大，其经济性随用电量增加而明显改善，这是由于用电量增加到一定程度后微电网所生产电能抵消的是价格最高的第3档电价所对应的用电量。采用峰谷电价机制时，微电网经济性随用电量增加只有轻微改善，这是由于采用峰谷电价机制时，微电网经济性取决于所产生电能能否通过储能系统充放电，来实现电能由较低价值向较高价值“置换”，这样储能系统的容量就是关键影响因素。在本案例中，储能系统容量是固定的，变化的只是用电量，从低价值向高价值置换的电能受限于储能系统容量，在储能系统原本就接近满额运行的情况下所能提升的经济性水平是有限的。

在2种电价机制下，当用电量提升约2倍时，阶梯电价和峰谷电价机制下的净现值分别为-3.19万元和-3.25万元，相差很小。当全年用电量为9 350 kW·h(约为微电网发电量的1.6倍)时，2种电价机制下微电网的经济性大致相同，当用电量低于9 350 kW·h时，采用峰谷电价机制时的经济性优于阶梯电价机制，反之亦然。

表11 2种电价机制下微电网净现值指标随家庭用电量变化情况

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

图3 2种电价机制下ε随家庭用电量变化趋势图

4 结 语

在阶梯电价和峰谷电价机制下，家庭型微电网的经济性水平与投资成本及所采用的电价机制有较大关系。首先，家庭型微电网目前投资成本较高，其运营经济性较差。如果家庭型微电网的投资成本降低35%，则能够实现在其寿命周期内达到盈亏平衡；当投资成本降幅大于35%时，就具备盈利能力。此外，当微电网系统配置一定时，其经济性水平与家庭的用电量正相关。对于用电量远大于微电网发电量的用户，选用阶梯电价机制更有利；对于用电量与微电网发电量比较接近的用户，选用峰谷电价更合适。用户可根据用电量水平择优选取电价机制。

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黄裕春 (1987)，女，硕士，工程师，主要研究方向为新能源发电与微网、智能电网；

莫文雄 (1971)，男，硕士，高级工程师，主要研究方向为智能电网、变电站故障诊断技术；

陆国俊(1972)，男，硕士，教授级高级工程师，主要研究方向为电力技术管理与新技术推广；

王宏(1989)，男，硕士，工程师，主要研究方向为电力竞争情报与企业标准化、电力市场；

文福拴(1965)，男，教授，博士生导师，主要研究方向为电力系统故障诊断与系统恢复、电力经济与电力市场、智能电网与电动汽车等。

(编辑 张媛媛)

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

国家自然科学基金项目(51477151)；广州供电局有限公司科技项目(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)