光伏电站加权度电成本评价指标的分析及探讨

李 晟，朱军峰

(中冶华天工程技术有限公司，南京 210019)

0 引言

近年来，随着全球能源结构转型的趋势不断加速，可再生能源发电，尤其是光伏发电的装机规模始终保持着高速增长，国际光伏能源项目的投融资模式也更加标准化和规范化[1]。

以往在工程招投标中，一般采用度电成本指标作为评价依据，但随着将更多的技术、经济因素纳入项目评价体系，原有的度电成本指标也有了新的发展。本文以中东地区某特大型光伏电站的独立电力工程(IPP)项目招标为背景，对其所提出的基本功能需求、加权度电成本评价指标进行了介绍及初步分析，并针对按照评价标准要求进行方案设计的过程中需要重点关注的技术性问题进行了探讨。

1 项目背景

中东地区某国拟建一座交流装机规模为1.5 GW的特大型光伏电站，该项目计划在招标结束后2年实现商业化运营。在给定场地面积的情况下，光伏电站的直流侧装机容量不限；考虑到该国的电网规模较小，同时要求在电站侧安装容量不低于要求值的电池储能系统，以实现调峰、调频，便于电网的电力调度，增强电力系统稳定性的目的。此外，工程还包括配套的超高压升压站、输电线路，以及配套的生产生活设施。投标方案除了需要满足相关法律、场地限制、技术性规范要求外，最重要的约束条件是“任何时刻，在高压交流并网点处，光伏电站的输出功率都不得大于给定的1.5 GW”。

以往评价体系存在2个不足，具体为：

1)在以往的光伏发电项目投资分析、规划、设计中，通常以售电协议的度电成本/价格作为评价标准。但在这种评价标准下，仅考虑了建设成本、运维成本与项目设计的生命周期内的发电量之间的关系，而未考虑光伏电站究竟在何时发电，也未考虑光伏电站在不同季节或不同时段输出功率的变化，即忽略了电力能源供给与不同季节及不同时段需求之间的价值函数。

2)虽然电池储能系统对电力系统的作用已经众所周知[2]，但是如何体现其经济价值，目前尚未得到良好的解决方法[3]。

对于能源投资方而言，实现经济价值是首要问题，为了使经济模型更加贴近现实情况，从而降低投资风险和收益不确定性，需要不断修正、改进项目建设方案的评价标准。因此，在该项目所提出的包含加权度电成本评价指标的评价体系中，尝试对以往评价体系中存在的上述2个方面的不足进行了调整。

2 加权度电成本评价指标

在本项目提出的加权度电成本评价指标中，除了主要的工程经济内容外，还包含了国际金融、法律、政策性导向等约束内容。由于这部分内容具有较强的特殊性，为了便于分析，本文对此进行了必要的简化。

计算加权度电成本，首先要计算投资方总折现付款金额及预计的总加权发电量。

投资方总折现付款金额CNOP的计算公式为：

式中，n为光伏电站的生命周期，年；i为项目开始后生命周期内的第i年；Ci为项目开始后生命周期内投资方第i年的付款金额，美元；r为折现率，由投资方给定。

其中，

式中，CCi为光伏电站生命周期内第i年的建设成本，美元；COMi为光伏电站生命周期内第i年的运维成本，美元。

预计的总加权发电量EWNOP的计算公式为：

式中，EWi为光伏电站生命周期内第i年的加权发电量，MWh。

上述式(1)～ 式(3)与通常定义的度电成本计算中使用的概念是一致的，而加权度电成本的区别主要由EWi的值体现，即：

式中，t为光伏电站生命周期内第i年的第t小时；PHa为光伏电站生命周期内第i年的总发电小时数，h；Et为第t小时并网点计量表记录的总上网电量，MWh；EtBESS为第t小时电池储能系统计量表记录的电池储能系统上网电量，MWh；WFs为电池储能系统上网电量的分时电价权重，取值为5.7；WFt为第t小时光伏发电系统上网电量的分时电价权重，WFt的取值如表1所示。

表1 光伏发电系统上网电量的分时电价权重Table 1 Time-of-use electricity price weight of PV power generation system on grid

根据式(4)，可以绘制出光伏电站的电力接入与计量原理图，如图1所示。图中只设置了并网点计量表和电池储能系统计量表，其计量值分别为Et和EtBESS。

图1 光伏电站的电力接入与计量原理图Fig. 1 Schematic diagram of power access and metering of PV power station

上网电量的来源需要按照以下2种情况进行考虑：

1)如果在t时段并网点计量表记录的总上网电量Et大于电池储能系统上网电量EtBESS，即Et>EtBESS，则说明光伏发电系统在这个时段一定生产了全部或部分上网电量。因此，此种情况下t时段的上网电量应分别考虑光伏发电系统上网电量及其分时电价权重，以及电池储能系统的上网电量及其分时电价权重。

2)如果在t时段为Et≤EtBESS，则说明并网点计量表记录的总上网电量Et全部由电池储能系统产生(存在部分输变电损耗)，光伏发电系统无电量输出。此时，只需要考虑电池储能系统的上网电量及其分时电价权重即可。

综上所述，加权度电成本(weighted levelized electricity cost，WLEC)的公式为：

对于此项目的招标，承诺能够实现最低WLEC的竞标方案即为最佳竞标方案。

3 光伏电站规划设计时值得考虑的问题

当前，在不考虑电力产品的时间价值(分时电价权重)情况下，对于类似光伏电站的规划设计已经有了一定的理论方法和研究。比如文献[4]讨论了在严格限制光伏电站并网点交流侧输出容量、而对直流侧装机容量不做约束的情况下，根据技术与市场因素适当估算预期的上网电量、建设成本与运维成本，进行直流侧装机容量优化设计的思路。但对于加权度电成本评价指标的使用，使光伏电站在规划设计时面临的技术问题变得更加复杂，最值得关注的几个技术问题主要为上网电量的精确分时预测、光伏阵列的设计原则、电池储能系统的容量设计、双面发电技术的应用、加权度电成本评价指标的进一步完善，下文针对这5个技术问题进行详细探讨。

3.1 上网电量的精确分时预测

加权度电成本要求将项目全生命周期内的分时输出进行尽可能精确的预估，而不是仅估算年发电量或项目全生命周期的总发电量。但这超出了当前国际和国内相关设计规范的设计要求，技术难度相当大。因此在光伏电站的规划设计过程中，需要对项目所在地的太阳能资源、气象情况、地理环境数据进行精确的研究分析。比如，在中东沙漠地区，每日上午和下午的温差可能会达到20～30 ℃，在标准太阳辐射条件下，仅光伏组件的功率温度系数就可能导致光伏组件的直流输出功率偏差在7%以上。

3.2 光伏阵列的设计原则

在常规光伏发电项目的设计规划中，通常光伏阵列的设计原则是基于其年发电量最大的优化方法进行的。比如，在光伏阵列的设计中，阵列参数采用0°方位角(北半球)、最佳安装倾角(基于年发电量最大的原则)。但在加权度电成本评价指标下，夏季与冬季同一时段的价格权重差异达到了1.77倍和1.60倍；即使同一日不同时段的价格权重差异也达到了1.44倍和1.30倍。显然，在北半球采用方位角偏西有利于下午时段光伏电站发电量的提高，采用比常规设计中最佳安装倾角更低的倾角有利于夏季时光伏电站发电量的提高。

降低光伏组件的最佳安装倾角带来的另外一个优势在于可以在有限的建设区域内布设更多的光伏组件，有助于提升光伏电站的直流装机规模，从而提高光伏电站预期发电量，增加方案的竞争力。因此，在光伏电站的规划设计中，有必要结合给定的上网电量的分时电价权重，多方案比较后合理设计光伏组件的最佳安装倾角。而采用平单轴跟踪光伏支架作为光伏阵列的安装支架时，是否也应该严格遵循以南北方向为轴向的布置方式，可能需要更多的理论与实践数据才能得到正确的解答。

3.3 电池储能系统的容量设计

电池储能系统上网电量的分时电价权重大幅高于光伏发电系统上网电量的分时电价权重(为2.47～5.70倍) ，其经济性收益主要来自于针对光伏发电系统输出功率的削峰填谷。电池储能系统的工作原理及主要设计参数如图2所示。

图2 电池储能系统的工作原理及主要设计参数Fig. 2 Working principle and main desigh parameters of BESS

显然，从图2中可以看出，电池储能系统所存储的电能来自于光伏发电系统的输出功率大于电网限制功率时段的超量部分的电能。因此，在进行电池储能系统的容量设计时，可以考虑以光伏发电系统的最大输出功率与电网限制功率的差值作为电池储能系统功率变换单元(PCS)额定功率的设计依据；以光伏发电系统输出功率曲线超过电网限制功率部分的面积作为电池储能系统电池存储容量的设计依据。

在实际工程中，还应结合电池储能系统自身效率和光伏发电系统功率衰减等因素，综合考虑具体的设备参数。

3.4 双面发电技术的应用

许多新推出的光伏组件均具有双面发电功能，能够有效提高光伏阵列的直流转换效率。但是针对项目环境所涉及的地面反射率及地面反射率对光伏发电量提升的研究还不够深刻。比如，地面反射率的评估与测定、地面反射率的季节性变化、光伏发电项目长期运行对于地面反射率的影响(由于光伏组件遮挡导致的地面温度、蒸发量等因素对于植被的影响)，以及维护地面反射率对光伏发电项目运维成本产生的影响等。目前，双面光伏组件对于光伏发电系统发电量的有利作用，尤其是可以精确量化的且能够可靠支持加权度电成本评价指标分析的数据还不够充分。

3.5 加权度电成本评价指标的进一步完善

该光伏电站IPP项目提出的加权度电成本评价指标也存在部分值得商榷的问题，比如需要合理选择上网电量的分时电价权重、充分利用电池储能系统的功能，以及明确电池储能系统的调度规则。

1)需要合理选择上网电量的分时电价权重。由于不同国家或地区的能源结构、社会需求、环境资源存在差异，实际实行的分时电价有着显著的地域性和时效性。在光伏电站的规划设计中，需要科学、合理地针对项目所在地的各种自然、社会、技术、经济、政策特点来设置权重，才能达到预期的目的。

2)需要充分利用电池储能系统的功能。该评价标准中假设了电池储能系统仅用于光伏电站自身输出功率的削峰填谷，未考虑电池储能系统潜在的电网能源调度(调功、调频)能力，今后需要充分利用电池储能系统的功能。

3)在制定加权度电成本评价指标时，需要明确电池储能系统的调度规则，否则，可能出现完全违背指标制定者初衷的情况。比如，假定预测某日光伏发电系统的发电量较小，不会受到电网限制功率的限制，按照这一假定，光伏电站运维方是不需要利用电池储能系统的功能的。但实际上，运维方为了获得更好的经济效益，会倾向于“利用电池储能系统存储峰时电能，留待平时输出上网”的调度策略。

4 结论

本文以中东地区某特大型光伏电站的独立电力工程(IPP)项目招标为背景，对加权度电成本评价指标进行了介绍与初步分析，并针对按照此评价标准要求进行光伏电站规划设计的过程中需要重点关注的技术性问题进行了探讨。加权度电成本评价指标根据光伏电站总上网电量的生产时间及来源给出了不同的价值权重，从而为项目的技术与经济价值评价提供了新的思路，不仅可为我国光伏行业参与国际竞争提供有益的探讨，也为国内外各类光伏工程的规划设计开拓了视野。