基于全寿命周期的分布式发电并网用户侧经济性评估

曾 鸣，王 鑫，韩 旭，孙辰军

(1.华北电力大学 经济与管理学院，北京 昌平 102206;2.华北电力大学 能源互联网研究中心，北京 昌平 102206;3.国网河北省电力公司，河北 石家庄 050000)

基于全寿命周期的分布式发电并网用户侧经济性评估

曾 鸣1,2，王 鑫1,2，韩 旭1,2，孙辰军3

(1.华北电力大学 经济与管理学院，北京 昌平 102206;2.华北电力大学 能源互联网研究中心，北京 昌平 102206;3.国网河北省电力公司，河北 石家庄 050000)

当前，我国环境污染与资源紧缺问题不断加剧，随着分布式发电技术水平的不断提高，清洁能源分布式发电将是未来电力市场的发展方向之一，而影响用户侧分布式电源实施的重要因素为用户侧的经济性。为此，文章从分布式发电全寿命周期的角度给出用户侧经济性评估方法。首先，针对分布式发电并网的运行特点，对用户侧全寿命周期3个阶段的成本收益项进行全面梳理，提出各项指标的计算模型。其次，基于项目全寿命周期现金流计算利润净现值、投资回收期和内部收益率这3个指标值。最后，针对装机成本、燃料费用和售电收入这3个不确定性因素对项目净现值的影响进行敏感性分析，分析结果给出了在分布式电源并网的情况下，用户侧实现经济效益最大化应采取的措施。通过分析结果可以看出，对项目净现值影响最大的因素是年售电收入，其次是燃料费用，第三是装机成本，项目要想取得更大的收益，需要扩大其售电市场、提高发电效率，降低燃料费用。

全寿命周期；分布式发电并网；经济性评估

0 引言

随着分布式发电技术水平的不断提高、应用成本的明显下降，价格、财政、税收等政策陆续出台，我国居民分布式发电已经具备了大规模发展的可能。与大规模电量输出的发电站相比，居民分布式电源的特点是“自发自用、余量上网”，发出的电有相当部分用户自用，由此具有靠近用户、输电成本低、对电网影响小、选址灵活、应用范围广等优势[1]，也是我国着力推广的未来电力生产方式之一。

微网作为一种能源供应系统中增加分布式能源渗透率的新型能量传输模式与管理技术，能够方便可再生能源系统的接入、提高能源利用效率和实现需求侧管理[2-5]。在研究分布式电源并网对用户侧的影响方面，文献[6]提出随着我国经济快速增长和电力体制改革不断深入，分布式电源也将拥有越来越大的市场份额，各种分布式电源能够在统一开放的交易市场上进行公平竞争。由于分布式电源成本不同，品质各异，并网后将对地区电网的运营产生巨大的冲击，因此必须对整个电力经济和地区电网交易方式、电价和市场服务都进行相应的调整[6-10]。目前，分布式发电对用户经济性评估的研究主要集中于影响因素的分析[11]。分布式发电的大量接入，会使配电系统由现在的无源辐射网变为有源环网，配电系统的规划和运行会发生根本性的变化，用户侧分布式发电的应用也将影响电网侧的经济效益[12]。

在研究分布式电源并网对用户侧的经济性影响方面，国内外学者研究很少。学者胡骅应用财务分析方法研究了分布式发电用户侧应用经济性的相关因素[13]，如装机成本、财务成本、燃料成本、废热利用价值、减少的购电支出等。也有学者在蒙特卡洛仿真计算供电可靠性的基础上，通过馈线区分割编码和分布式电源模型的建立，提出了含分布式电源的可靠性计算方法。通过实例分析，证实了分布式电源的接入对于重要用户供电可靠性具有一定的提升作用[14-16]，不同种类的分布式电源共同配置、在一定范围内增加分布式电源接入容量可以进一步提高重要用户供电可靠性[17-20]。国内外学者并没有对分布式电源并网对用户侧经济性评估做一个全面系统的研究。

本文基于全寿命周期理论，从用户侧分布式发电的购置、运行和报废这3个阶段对用户侧各项成本效益进行分析，并构建相应的计算模型；在此基础上，从经济价值、时间和效率这3个维度进行用户侧经济性评估指标的计算，主要包括利润净现值、投资回收期和内部收益率。最后，针对某一典型区域，对分布式发电并网用户侧经济性评估的流程进行模拟，并对装机成本、燃料费用和售电收入这3个因素对利润净现值的影响进行敏感性分析，根据分析结果给出分布式发电并网用户侧投资运行建议。

1 基于全寿命周期的用户侧成本效益分析

本文考虑的分布式发电运营模式为自产自销，即自发自用，余量上网。

1.1 购置阶段

(1) 装机成本C1。分布式发电装机成本与具体项目密切相关。该项成本自出发生在项目开展的前期。

(2) 财务成本C2。分布式并网发电用户侧发生的财务成本主要是贷款利息。财务费用的值取决于贷款占总投资的比例以及贷款的利率。假设用户一次还本，每期付息。因此，年财务费用为

C2=C1εr

(1)

式中：ε表示贷款占总投资的比例；r表示贷款年利率。

1.2 运行阶段

(1) 燃料费用C3。部分分布式电源每年需要一定的燃料支出，例如冷热电三联供每年燃料费为

(2)

式中：W为发电功率，kW；h为设备年运行小时数，h；pf为燃料价格，元/ m3；ηe为发电效率，%；δ1为燃料低位发热量，kJ/m3。

(2) 运行维护费用C4。运行维护费用包含检修人员费、设备故障检修费等，该成本贯穿设备整个寿命周期。通常供电设备维护成本取初始投资的某一比例，根据分布式发电设备的特点，本文的年运行维护成本取初始投资的6%。

(3) 售电收入B1。年售电收入是用户侧获得收益的重要来源，每年的售电收入为每年减少的购电支出与余量上网收益两部分之和，其计算公式为

B1=P1Luhu+P2(Caηe-Lu)h

(3)

式中：P1表示购电价格；P2表示售电价格；Lu表示年平均用电负荷；hu表示年平均用电小时数；Ca表示可发电容量。

(4) 废热利用B2。热电联产产生的废热主要用于用户侧的热水或蒸汽供应，从而替代供热的燃料成本。废热利用所产生的价值依赖于以下 2 个因素: 可利用的废热总量和被替代的燃料成本。废热利用的计算公式为

(4)

式中：c3表示单位燃料成本；φ表示机组热效率；α表示废热利用率；β表示用户热效率。

(5) 减少的停电损失B3。分布式电源并网发电可提高用户侧的供电可靠性，该项经济价值用减少的停电损失来表示，每年减少的停电损失为年产电比、年停电时间、分布式电源备用容量与分布式能源利用率4项的乘积，即

B3=γHCreηe

(5)

式中：γ表示年产电比；H表示年停电时间；Cre表示备用容量。

(6) 碳交易收益B4。随着碳交易市场的逐步放开，用户侧安装分布式电源发电减少的碳排放可进行一定的碳交易，每年用户侧碳交易取得的收益用碳交易价格与减少额碳排量的乘积来表示，即

(6)

(7) 补贴收益B5。为了鼓励用户积极安装分布式电源，促进清洁能源发电，国家及地方对用户侧安装分布式电源实行一定的补贴。目前的补贴方式有2种，一种是采用电量补贴，另一种是采用容量补贴。当采取电量补贴时，补贴收益为单位电量补贴价格与分布式能源发电量的乘积；当采取容量补贴时，补贴收益为单位容量补贴与分布式能源装机容量的乘积，即

(7)

1.3 报废阶段

(1) 退役设备处理费用C5。设备无法使用后，其报废过程需要一定的处置费用。该值随着不同装机类型而定，一般假定为总装机成本的一定比例，即

C5=C1τ1

(8)

式中：τ1表示退役设备处理费用占总装机成本的比例。

(2) 残值回收B6。分布式电源及相关设备报废后，剩余一定的残值，假设平均残值为初始投资的2%。

2 用户侧经济性评估指标计算模型

2.1 利润净现值

净现值是指一个项目预期实现的现金流入的现值与实施该项计划的现金支出的现值的差额，一般采用行业基准折现率或其他设定的折现率进行计算。净现值指标可用来评价方案优劣。当净现值大于0时，方案可行，且净现值越大，说明投资效益越好。

(9)

式中：PNPV为项目净现值；Ft为项目第t年的现金流量；i0为基准折现率；K0为初始投资。

2.2 投资回收期

投资回收期是指从项目的投建之日起，用项目所得的净收益偿还原始投资所需要的年限，投资回收期分为静态投资回收期与动态投资回收期，通过累计净现金流量(现值)来计算。投资回收期是衡量项目投资回收能力的重要指标，该指标越小，回收年限越短，则方案越有利。其中，动态投资回收期反映了资金的时间价值，即把项目各年的净现金流量按基准收益率折成现值之后，再来推算投资回收期。

(1) 静态投资回收期(TJ)是指不考虑时间价值的投资回收期，其计算公式为

式中：At为年净收益；Ral为年总收益；Cfm为年总成本。

(2) 动态投资回收期为

(12)

(3) 内部收益率(internal rate of return, IRR)是投资项目本身的投资报酬率，指项目在整个计算期内各年净现金流量现值累计等于零时的折现率。内部收益率反映了工程项目对投资支出的恢复能力；其值越高，方案的经济性越好。当内部收益率大于基准收益率时，项目是可以接受的。

(13)

式中PIRR为内部收益率。

3 典型区域冷热电三联供项目算例分析

以北京某地区的冷热电三联供项目为例，分析当用户参与天然气分布式功能系统投建时，分布式供能系统对用户侧经济性产生的影响。项目分析周期为20 a。

3.1 基础数据搜集与整理

3.1.1 区域负荷及潜力预测

该项目对热、冷、电、生活用水的负荷设计情况如表1所示。

表1 负荷设计Table 1 Load value design

3.1.2 确定装机方案

采用燃气轮机-余热/直燃溴化锂吸收式空调机联合循环方案。该方案是由燃气轮机首先利用天然气发电，再将烟气中的余热直接通过余热/直燃溴化锂吸收式空调机收转利用，冬季转换热水采暖，夏季转换冷水制冷。

3.2 经济性指标计算

3.2.1 用户侧各项收益及成本

根据该项目情况，计算得出用户侧各项收益及成本，结果如表2所示。

表2 分布式并网用户侧各项成本收益Table 2 Costs and benefits of users under distributed grid-connection

在计算发电、供热、供冷收益时，平均电价为0.768元/(kW·h)，利用小时数为10 h；标准热价为35元/(m3·a-1)。

在计算减少的停电损失时，考虑2015年北京市实现地区生产总值22 968.6 亿元，全年北京地区用电量约952.7亿kW·h，则2015年该地区年产电比为24.11元/(kW·h)。根据2015年停电状况，估算得到该地区每年的停电时间约64 h，假设因供电不足引起的停电占其20%，则年减少的停电损失为36.32万元。

在计算碳交易收入时，考虑常规火电技术的碳减排系数为1 000 gCO2/(kW·h)，天然气冷热电三联供可以减少30%的碳减排量，由此得到冷热电三联供的碳减排系数约700 gCO2/(kW·h)。在该项目中按照北京碳交易市场的成交均价53.47元/t，得到每年的碳交易收益10.61万元。

3.2.2 计算用户侧各项经济评估指标

根据前文给出的经济性评估指标的计算公式，得到利润净现值、内部收益率、投资回收期这3个指标的计算结果如表3所示。

表3 各项财务指标值Table 3 Specific financial indicators

3.3 敏感性分析

通过计算寿命周期中购置、运行与报废这3个阶段各成本收益项对净现值评估指标的影响结果，得到装机成本、燃料费用和售电收入这3个指标最为敏感，对这3个指标进行具体的敏感性分析得到的结果如表4所示。

表4 敏感性分析表Table 4 Sensitivity analysis result

由表4得到的不确定性因素对项目净现值影响的分析结果如图1所示。

图1 不确定性因素分析结果曲线Fig.1 Uncertainty analysis results of different factors

通过图1可以看出对项目净现值影响最大的是每年的售电(供热、供冷)收入，项目要想收益最大化，就需要不断扩大售电市场，提高发电效率；排第二的敏感性因素为燃料费用，项目在运行过程中可以提高其技术性能，减低燃料成本；最后一个影响因素是装机成本，该因素对项目净现值的影响不是很大。

4 结论

本文对分布式发电并网用户侧全寿命周期中购置、运行、报废这3个阶段的成本收益项进行全面分析，计算其指标值，基于得到的项目全寿命周期现金流计算利润净现值、投资回收期和内部收益率这3个财务指标值，算例分析中的内部收益率为31%，静态投资回收期为4.8 a，动态投资回收期为5.4 a，利润净现值远大于0，因此，该项目是可行的，并且收益潜力很大。最后针对装机成本、燃料费用和售电收入这3不确定性因素对项目净现值的影响进行敏感性分析，通过分析结果可以看出对项目净现值影响最大的因素是年售电收入，其次是燃料费用，最后是装机成本，项目要想取得更大的收益，需要扩大其售电市场、提高发电效率，降低燃料费用。

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曾鸣

(编辑 蒋毅恒)

User-Side Economic Evaluation with Distributed Generation on Life Cycle

ZENG Ming1,2, WANG Xin1,2, HAN Xu1,2, SUN Chenjun3

(1. School of Economics and Management, North China Electric Power University, Changping District, Beijing 102206, China;2. Energy Internet Research Center, North China Electric Power University, Changing District, Beijing 102206, China;3. State Grid Hebei Electric Power Company, Shijiazhuang 050000, Hebei Province, China)

With the intensifying environmental pollution and resource shortage, clean energy-based distributed generation becomes one of the most promising sector of future power industry. The economic performance of user side has great effect on the implementation of use-side distributed generation. The life cycle-based user-side economic evaluation method was presented from. The cost-benefit items in three life cycle stages were analyzed and the calculation model of each index was proposed with the operating characteristics of distributed grid-connected generation; three indicators were calculated based on the full life cycle cash flow i. e. the net present value of profits, investment recovery period and internal rate of return; the sensitivity analysis of three uncertain factors, the installation cost, fuel cost and electricity sale incomes, was made to evaluate the influence on NPV. The measures were proposed for the maximum economic benefits of user side in the case of distribution grid-connection generation. The result shows that the electricity sale income contributes the most, followed by the fuel cost and installation cost. It is essential for more benefits to expand electricity market, improve power generation efficiency and reduce fuel costs are necessary.

life cycle; distributed grid-connected generation; economic evaluation

TK9

A

2096-2185(2016)02-0008-06

国家电网公司科技项目(分布式电源发展适用性策略分析及评估研究)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2016XS84)

2016-08-25

曾 鸣(1957—)，男，教授，博士生导师，研究方向为能源互联网规划与运行、新能源电力系统规划、需求侧管理，zengmingbj@vip.sina.com；

王 鑫(1991—)，女，硕士研究生，主要从事新能源电力系统规划、需求侧管理、电力技术经济方面的研究工作，wangirl1002@163.com；

韩 旭(1990—)，女，博士研究生，主要从事需求侧管理、电力技术经济、新能源电力系统规划方面的研究工作，lxyhx0601@163.com；

孙辰军(1981—)，男，工程师，从事应用系统研究工作。

Project supported by Science and Technology Project of SGCC(study on the distributed generation development applicability strategy analysis and evaluation)； the Fundamental Research Funds for the Central Universities(2016XS84)