户用小型离网型光伏储能系统价值评估

王 婧，熊敏鹏，袁家海，赵 星

（1.华北电力大学经济管理学院，北京 102206；2.北京唐浩电力工程技术研究有限公司，北京 100052）

0 引言

目前，在全球可持续发展和能源结构转变的背景下，分布式能源作为一种新兴的、具有特有优势的供能系统，已经成为能源领域中一个重要的发展方向［1］。太阳能作为一种无止境、无污染的可再生能源，已成为一种非常有前途的替代能源。在过去的几十年里，其发展速度高于其他可再生能源［2］。随着全球向清洁能源的转变，离网发电形式因具有安装方便、不受电网政策限制等特点而受到关注，关于离网可再生发电系统的设计和优化的研究率先在欧美国家出现。在澳大利亚，随着光伏和电池价格的下降以及电价的上涨，离网住宅光伏储能系统的经济性愈加显著，当结合本地能源发电和本地能源储存时，脱离电网可能成为一个更好的选择［3−5］。而我国分布式能源发展较晚，离网住宅光储系统通常建造在远离公共电网的无电地区和一些特殊场所，如山区、荒漠及高原等地区，供用户住宅日常用电［6］，解决偏远地区用电不便的问题。主要原因在于离网型光伏系统有较高的初始投资、没有合适的针对离网系统的贷款计划、缺乏相关补贴政策。随着分布式光伏系统竞争压力的增大，规模经济的增长、供应链竞争力的增强、技术进步以及相关激励计划的实施将推动成本的降低［7］，我国的离网型光伏发电系统也将得到进一步发展。

因此，对用户侧分布式光伏储能系统价值进行量化评估，能够为用户光储系统投资价值提供有益参考。目前，对于用户侧储能的成本−效益模型已有一定的研究基础，但是大部分只考虑了储能系统在某一环节的单方面评价，并没有对其涉及的其他环节效益进行更为系统全面的评估。文献［8］在对用户侧储能在电网和用户自身应用价值进行梳理和分析的基础上，提出了用户侧分布式储能的价值评估模型。文献［9］给定分布式光伏−储能系统结构和运行方式，通过构建收益−成本的评估方法，计算了用户净收益及成本利润率。但上述文献只考虑了投资者的收益而没有考虑储能系统给电网带来的整体效益。文献［10］建立了分布式光伏储能系统的综合效益评估模型，基于项目年收益、总利润和静态投资回收期等指标评价项目经济性，量化了系统的社会收益，但对社会收益的考虑不够全面。文献［11−12］考虑了储能系统的套利、延缓机组投资以及节省配电网升级改造费用等特点，构建了较为全面的储能系统的经济效益评估模型，但是在评估储能系统的应用效益时，未能考虑其对于环境的外部性影响。

首先，对小型用户离网型光储系统进行合理配置。其次，构建了基于发电侧价值、电网侧价值、用户价值以及社会价值的户用离网型光储价值评估体系，建立了价值评估模型。从全社会以及用户自身的角度出发，对离网系统在节省电费、节能降耗、减少污染、延缓输配网投资等方面的效益进行了定量评估。最后通过敏感性分析，对离网型光储系统经济性进行预测并为其发展提出相关建议。

1 离网型光伏储能系统

1.1 离网型光伏储能系统结构

离网光伏储能系统是指太阳能光伏发电不与电网连接的发电方式。系统主要由太阳能电池板、逆变器、控制器、蓄电池组成，具体如图1 所示。光伏组件是在“光生伏特效应”的基础上，将太阳能转化为电能并输送至储能设备或直接为负载供能的装置［13］。储能蓄电池是将电能以其他形式的能量存储起来的设备。当光伏阵列的输出电能大于负载需要时，多余的电能储存在蓄电池中；当光伏阵列输出的电能小于负载所需时，由蓄电池释放电能供负载使用。

图1 离网光储发电系统

1.2 离网型光伏储能系统配置

负荷条件将直接影响光伏组件容量的确定。组件设计原则是要满足平均天气条件下每日用电量的需求，即光伏组件的全年发电量要等于负载全年用电量。根据建设地年平均太阳能辐射量、年用电量、系统总效率，可以计算出光伏系统的装机容量。光伏系统装机容量计算公式为［14］：

式中：W为光伏系统装机容量，kW；L为光伏系统所在地年用电量，kWh；H为年峰值日照小时数，h；Ih为倾斜面年总太阳能辐射量，kWh/m2；Il为水平面年总辐射量，kWh/m2；I0为标准太阳辐射强度，1×103W/m；η为光伏系统总效率。

蓄电池组容量确定公式为［9］

式中：E0为平均每天负荷用电量，kWh；D为蓄电池供电支持天数；Dg为蓄电池允许放电深度；U为系统直流工作电压；ηε为蓄电池充放电效率；ηφ为逆变器效率。

光伏系统采用电池充电控制器对电池进行安全充电，消除了电池过充的风险，该装置也有助于保持电池的长寿命。充电控制器应能承载PV 阵列的短路电流；逆变器应能处理交流负载的最大期望功率，因此其额定功率须比所要求的交流负载的额定总功率高至少20%［15］。

1.3 离网型光伏储能系统配置结果

选取某户用小型离网型光伏−铅酸电池储能系统为例。北京水平面年总辐射量1 416.78 kWh/m2；根据小型用户用电量的特征，设置用户平均日用电量5 kWh，家用负载功率约为1 kW，日平均运行时间为5 h；光伏系统效率、逆变器效率、蓄电池放电深度及放电效率分别为60%、93%、60%、80%；直流系统的电压为24 V。由于所在位置辐射太阳辐射时间较长，阴天较少，为节省投资，设置蓄电池供电支持天数为1 天。基于上述参数，计算光伏峰值功率为1 908 W，电池所需容量为466.70 Ah。选取的光伏组件单体规格为36 V/200 W，单体最大电流为6 A。离网型光伏储能系统配置结果如表1所示。

2 用户离网型分布式光伏储能价值评估体系和模型

2.1 价值评估体系

用户离网型光储系统价值评估体系主要包括三方面的内容：成本计算、收益计算以及经济性评价指标计算。系统成本主要包括初始投资成本、运行维护成本以及更换成本；收益主要从发电侧收益、电网收益、用户收益以及社会收益四个方面考虑；经济性评估指标主要从累计净现值以及内部收益/全系统收益两个方面考虑，其中，内部收益/全系统收益指标反映了用户自身收益占全系统收益的比例。构造的价值体系如表2 所示。该体系更加全面和系统地分析了用户安装离网型光伏储能系统的价值。

表2 用户侧光储系统价值体系

2.2 价值评估模型

2.2.1 成本

离网光伏系统总生命周期成本包括光伏组件、蓄电池、充电控制器、逆变器的购置成本，置换成本以及安装和运维费用之和［16−18］。

设备初始购买成本主要包括四部分，分别为光伏系统成本、储能装置成本以及逆变器成本以及充电控制器成本。系统成本模型C为：

式中：Cpv为光伏系统的初始投资成本，元；Copv为光伏系统单位容量成本，元/kW；Cess为储能系统的投资成本，元；Ceo为储能系统单位容量成本，元/Ah；Qess为储能系统的安装容量，Ah；Ccon为控制器投资成本，元；Cco为单位容量的成本，元/A；Qcon为控制器安装容量，A；Cinv为逆变器投资成本，元；Cio为逆变器单位容量的成本，元/kW；Qinv为安装容量，kW。

光伏发电系统的使用寿命为20 年，蓄电池的使用寿命为7年。因此，蓄电池每7年需要更换一次，需要更换两次。蓄电池更换成本的计算公式为

式中：Y为更换次数。

安装及运维费用一般按光伏系统初始投资的一定比例近似估算。其中，安装成本被认为是光伏组件初始成本的10%；运行维护费被认为是光伏组件投资成本的1%。计算公式分别为：

式中：Cm为安装费用，元；Cf为运行维护费用，元；m1和m2分别为安装及运维系数。

2.2.2 收益

发电侧收益包括延缓调峰机组建设成本以及减少发电机组运行成本，年效益计算公式分别为［11］：

式中：G1为延缓调峰机组建设年效益，元；G2为减少发电机组运行成本年效益，元；Af为发电公司的单位可免容量成本，元/kW；d为贴现率；n为系统的寿命年限；Av为发电公司的单位可免电量成本，元/kWh；Q为系统每年的发电量，kWh。

电网收益包括减少电网扩建费用［11］以及减少电网耗损成本，年收益计算公式为：

式中：B1为减少电网扩建费用年效益，元；B2为降低电网耗损成本年效益，元；Ctrans为变压器的单位改造费用，元/kW；Cline为线路扩容单位费用，元/kW；Pele为当地电价，按当地电价0.488 3 元/kWh 计算；ηg为系统运行时电网的耗损率，%。

用户侧安装离网型光伏储能系统，对自身而言，主要的收益是节省电费。按年累计用电量及当地市电价格计算。计算公式为

式中：Bele为用户年节省电费，元/a。

社会收益主要包括环境效益和节能效益。采用光储联合系统，相比传统火为发电，能够降低污染物排放量。根据污染物的环境效益及减排量可以计算出光储系统为社会带来的环境效益［19］，即为

式中：Sev为环境效益，元；Vei为第i项污染物减排的环境效益；α为污染物的种类；Qmig为分布式电源第i项污染物的排放量；Qcip为燃煤发电机组第i项污染物的排放量。部分污染物排放数据及环境效益如表3和表4所示。

表3 相对火电机组的污染排放数据比较 单位：g/kWh

表4 各种污染物环境效益 单位：元/kg

火电机组生产单位电能所消耗的煤炭量为0.4 kg；煤炭价格为600元/t。相对常规火电机组，分布式电源供应同等电能和热能所节约化石能源的效益为

式中：Ses为节约的化石能源的效益，元；Mc为火电机组生产单位电能所消耗的煤炭量；Pc为煤炭价格。

用户侧配置光储系统可减少电力消耗，进而使化石能源的消耗减少，降低二氧化碳等温室气体的排放，起到节能减排的效果。

2.2.3 经济性评价指标

考虑净现值（Net Present Value，NPV）和内部收益/全系统收益2个经济评价指标对户用离网型光储系统项目进行经济性评价。NPV 是指储能项目按照行业的基准收益率将项目生命周期内每年的净现金流量折算到项目投资起始点时的现值之和［20］。运用NPV 经济评价指标对用户自身的投资效益进行经济性评价，因此分析时主要考虑离网型光储系统减少用户电费的效益。内部收益/全系统收益旨在分析用户安装光储系统对自身收益占全系统收益的情况。两个经济性评价指标的计算公式为

式中：FCI为现金流入量；FCO为现金流出量；（FCI−FCO）t为第t年的净现金流量，资金投入年为第0 年，即t=0；k为折现率。当Vnp≥0 时，代表项目可行，当Vnp<0时，代表项目不可行。

式中：P为用户安装光储系统所获个人收益和总系统收益之比；Vtotal为总系统收益，包括发电侧收益、电网侧收益、用户收益以及社会收益；Vinside为用户的自身收益，是总系统收益的一部分。

3 算例分析

3.1 基础数据

成本−收益相关参数如表5所示。

表5 成本-收益相关参数

3.2 经济可行性分析

依据上述价值评估模型和相关参数，计算结果为：用户投资2 kW 离网型光储系统需要设备初始投资金额为18 886.25 元，该成本包括光伏、蓄电池、控制器以及逆变器投资成本；电池每7 年更换一次，更换成本为3 556.25 元；离网型光储系统安装成本为1 200元；该系统年运行维护成本为120元。

用户安装离网型光储系统的年收益如图2所示。

图2 投资离网光储系统年收益

由图2 可知，减少用户电费是全系统收益中最主要的收益来源，其次依次为减少机组运行成本、节能效益以及减少电网扩建费用等。用户投资该系统的净现值为−13 711.30 元，内部收益/全系统收益为33.37%。由净现值经济指标分析可知，用户投资离网型光伏储能系统投资效益不明显。从内部收益/全系统收益评价指标来看，内部收益只占全系统收益的三分之一，由此可知，用户安装离网型光伏储能系统对社会整个系统的效益远大于用户自身获得的效益。

3.3 敏感度分析

敏感度分析可以定量了解参数变化对投资决策的影响。本文中设定净现值敏感度函数为ΔS=ΔN/ΔT。其中，ΔT为各参数的单位变化量，ΔN为净现值的变换量，ΔS为敏感度值。算例选取光伏系统成本、蓄电池储能成本、用户电价3 个实际因素。除此之外，由于目前国家针对离网型的光储系统没有相关的补贴政策，为提高用户的投资效益，选取发电量补贴和初始投资补贴两个假设因素。在此基础上对案例进行单因素和多因素敏感度分析。

单因素敏感性分析结果如图3所示。

图3 敏感性分析

由图3 可知，初始投资补贴对净现值最为敏感，上述五个因素对净现值敏感系数从高到低依次为：初始投资补贴、发电量补贴价格、光伏系统成本、用户电价、储能系统成本。其中，光伏组件成本和蓄电池成本下降均导致用户净现值增大，而光伏发电量补贴价格、初始投资补贴价格及居民电价的上升也将导致用户净现值增大。

在实际因素中，光伏成本是最大影响因素，敏感度为0.94，即当光伏成本下降10%，用户净现值增大9.4%；其次，用户电价是第二影响因素，对净现值的影响也较大，敏感度为0.50，即当电价每提高10%，用户净现值增大5%；最后，铅酸电池对净现值的敏感度为0.42，即当用户电价挺高10%，用户净现值增大4.2%。在假设因素中，初始投资补贴价格和发电量补贴价格对净现值的影响均较大，敏感度系数均超过1。其中初始投资补贴价格对净现值的敏感度为1.03，即当初始投资补贴价格增加10%时，用户净现值提高10.3%；发电量补贴价格对净现值的敏感度为1.25，即当发电量补贴价格每提高10%时，用户净现值提高12.5%。

上述影响因素都具有不确定性，并且一般都不是单因素独立变化，而是由多个因素同时变化的。所以有必要进行多因素敏感性分析，进一步揭示出多个敏感性因素变化时对投资项目的净现值的影响程度。选取光伏成本、铅酸电池成本、用户电价三组因素进行敏感性分析，结果如表6所示。

由表6 可知，在光伏和电池成本下降、用户电价增长的条件下，投资该项目的净现值逐渐增大，甚至可实现从亏本转为盈利。

对光伏成本、铅酸电池成本、初始投资补贴价格三因素敏感性进行分析，结果如图4所示。

图4 光伏成本、铅酸电池成本、初始投资补贴三者变化时对NPV的影响

由图4 可知，在光伏和电池成本下降的基础上，如果给予相应的初始投资补贴，投资该项目的净现值增长变化明显。

对光伏成本、铅酸电池成本、发电量补贴三因素敏感性进行分析，结果如表7所示。

表7 光伏成本、铅酸电池成本、发电量补贴三者变化时对NPV的影响

由表7 可知，在光伏和电池成本下降的基础上，如果给予相应的发电量补贴，净现值由负值转为正值，这种变化比图4 变化更明显，说明在光伏和电池成本下降的情况下，发电量补贴比初始投资补贴对项目净现值的影响更大。

4 结语

在对小型用户离网型光储系统进行合理配置的基础上，建立了离网型光储系统价值评估模型，利用累计净现值以及内部收益/总系统收益两个经济评价指标对算例进行价值分析。除此之外，从光伏成本、蓄电池成本、用户电价、发电量补贴价格以及初始投资补贴这5 个因素进行单因素和多因素敏感度分析。通过本文的分析，主要的结论和建议有：

小型用户安装离网型光伏−铅酸电池储能系统的累计净现值为−13 711.30 元，投资经济性不明显。但相关文献研究表明，经济性可能只是影响消费者脱离电网的众多因素之一。其他的因素有希望自给自足、不受未来电价上涨的影响、在自然灾害或停电期间供应充足等，这些都可能导致部分市场越来越多地采用这种技术，而不考虑纯经济可行性。从内部收益/总系统收益经济指标为0.33 来看，总系统收益远远大于用户自身收益，说明用户投资光储系统能带来较大的全系统效益。这些收益涉及发电侧、电网侧、用户侧以及社会多个方面，包括少建或缓建调峰机组、减少发电机组的运行成本、减少电网扩建（线路和变压器单位更换）费用、降低电网耗损成本、减少用户电费、环境效益以及节能效益。本文通过对户用小型离网型光伏储能系统的价值评估，对用户安装光储系统的成本收益有了更深刻的认识，对于适当的离网型光储系统政策设计具有一定的价值。

由单因素敏感性分析可知，光伏成本、蓄电池成本、用户电价、初始投资补贴以及发电量补贴均是影响用户经济性的重要因素。但各个因素对净现值的敏感度不同，从高到低依次为：初始投资补贴、发电量补贴、光伏系统成本、用户电价、铅酸电池成本。由多因素敏感性分析可知，小型用户安装离网型光伏储能系统在一定的条件下也会有投资回报。但离网型光储系统具有投资回报是基于多因素联合作用得到的。首先，是基于光伏系统度电成本以及储能系统储能成本存在下降空间。随着光伏电池组件效率的提升、制造工艺的进步以及原材料价格下降等因素都会导致未来光伏发电成本的下降。其次，需要一定的政策支持。目前只针对并网用户有相关的补贴政策，而对于离网型用户没有相关的补贴政策。通过敏感性分析可知，对于离网型用户而言，在离网发电初期，出台相关针对离网用户的补贴政策是必要的。可以选择初始投资补贴或者发电量补贴两种补贴形式，这两种补贴均能有效提高离网发电系统的经济性，但提高效果有所区别。在多种因素对用户净现值均作用的条件下，选择发电量补贴比初始投资补贴经济效果更明显。通过提高用户部署离网型光储系统经济性来调节用户收益和总系统收益的关系。

本文不仅从用户自身角度分析安装光储系统的成本收益，而且也从全系统的角度分析光储系统带来的经济效益。目前来看，脱离电网对于用户经济性不足，但随着系统成本的降低，以及用户不仅仅只关心投资效益情况的出现，安装离网型光储系统的情况可能会逐渐增多。