陳凱，任暢翔

(中國能源建設集團廣東省電力設計研究院有限公司，廣州 510663)

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基于電力市場改革的典型微網(wǎng)經(jīng)濟分析

陳凱，任暢翔

(中國能源建設集團廣東省電力設計研究院有限公司，廣州 510663)

作為分布式能源發(fā)展的階段產(chǎn)物，微網(wǎng)對分布式電源的有效利用以及對大電網(wǎng)的有效補充，其可行性已得到充分的論證。隨著電力改革的推進，微網(wǎng)作為允許的潛在的新售電主體，以其經(jīng)濟效益代表的生命力引起了電網(wǎng)企業(yè)以及第三方投資者的廣泛關注。構建了并網(wǎng)型及離網(wǎng)型四類典型的分布式能源的配置方案，并通過微網(wǎng)全生命周期內的經(jīng)濟測算，分析了不同類型的微網(wǎng)的經(jīng)濟效益，并結合售電側市場化改革趨勢，提出了未來微網(wǎng)的運行模式。

微網(wǎng)；經(jīng)濟效益；運行模式

隨著新一輪電力市場改革深入，售電市場的開放將會給分布式能源以及部分小水電帶來潛在的機會。在部分工業(yè)園區(qū)，商業(yè)樓宇以及偏遠地區(qū)，分布式能源組成的微網(wǎng)利用調節(jié)性以外的供電計劃可向用戶獨立售電，部分小水電就近組成微網(wǎng)向附近的輻射區(qū)域售電，小水電自供區(qū)域就是此類微網(wǎng)的雛形。微網(wǎng)參與電力市場競爭，不僅能提高供電質量，滿足用戶定制多種電能質量的需求，實現(xiàn)電網(wǎng)智能化[1-5]，還有電價優(yōu)勢、解決偏遠地區(qū)用電障礙和環(huán)保減排等經(jīng)濟社會效益[6]。

微網(wǎng)能否得到大規(guī)模推廣，其經(jīng)濟性是關鍵因素。國內外己經(jīng)有不少針對微網(wǎng)經(jīng)濟性的研究，主要包括微網(wǎng)的經(jīng)濟運行研究、微網(wǎng)的成本和綜合效益分析以及微網(wǎng)經(jīng)濟性影響因素三方面，文獻[7-8]較早地提出了微網(wǎng)經(jīng)濟運行模型，文獻 [9]建立了包含風光、熱電、燃料電池以及儲能系統(tǒng)的微網(wǎng)經(jīng)濟優(yōu)化模型，文獻[10]建立了冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化調度模型，重點研究了聯(lián)供系統(tǒng)的生產(chǎn)成本、環(huán)境成本、協(xié)調成本對調度策略的影響。在微網(wǎng)的成本和綜合效益分析方面，文獻[11]統(tǒng)一了微源的初始成本、運行維護費用、污染物治理等多個目標，提及了微網(wǎng)成本效益分析的概念，并基于粒子群優(yōu)化算法對微網(wǎng)運行進行優(yōu)化，但并沒有對微網(wǎng)的整體效益進行具體分析。在微網(wǎng)經(jīng)濟性影響因素研究的領域，文獻[12]提出冷電聯(lián)供分布式供能系統(tǒng)的能量管理優(yōu)化模型，主要考慮了電網(wǎng)購電價格、燃氣價格等因素對微網(wǎng)經(jīng)濟運行的影響。文獻[13]建立了基于分時電價的成本和效益分析模型，較好地解決了考慮峰谷分時電價時的效益分析問題，但沒有對含多種分布式電源的微網(wǎng)經(jīng)濟運行進行具體分析。

已有微網(wǎng)經(jīng)濟性研究熱點側重于聯(lián)供系統(tǒng)內的經(jīng)濟性分析以及調度策略，而將典型微網(wǎng)作為評價整體，進行直接經(jīng)濟效益分析的研究成果較少。在新一輪電改的背景下，微網(wǎng)新的運行方式將對其經(jīng)濟效益產(chǎn)生影響，本文設定了四類典型微網(wǎng)的配置方案，通過全投資的經(jīng)濟效益測算，分析不同類型的微網(wǎng)在目前成本水平下的經(jīng)濟效益及其影響因素，結合分布式能源造價水平、運維成本及購售電價差分析不同類型微網(wǎng)的生命力。

1 微網(wǎng)配置及運維方案構建

1.1 配置及接線方式

本文對于微網(wǎng)的配置方案分為并網(wǎng)型微網(wǎng)及離網(wǎng)型微網(wǎng)兩類。并網(wǎng)型微網(wǎng)是大電網(wǎng)連接的微網(wǎng)，可運行在并網(wǎng)和離網(wǎng)兩種模式。并網(wǎng)型微網(wǎng)通過公共連接點(PCC)與外部大電網(wǎng)相連，通過控制PCC處的狀態(tài)實現(xiàn)微網(wǎng)的離網(wǎng)運行和并網(wǎng)運行[14-15]。并網(wǎng)型微網(wǎng)主要的應用場景為城鎮(zhèn)地區(qū)商業(yè)樓宇型、經(jīng)濟園區(qū)型以及偏遠地區(qū)的小水電型微網(wǎng)。離網(wǎng)型微網(wǎng)不與大電網(wǎng)相聯(lián)，是獨立運行的微網(wǎng)，主要運用在偏遠地區(qū)，例如內陸偏遠的無電區(qū)和遠離大陸的孤島等地區(qū)。

微網(wǎng)由微源、電網(wǎng)以及控制系統(tǒng)三個部分組成[16-17]。其中微源配置應因地制宜，典型電源配置主要為風機、光伏、柴油機和微燃機以及儲能裝置，簡稱風光柴儲。由于城市風機對城鎮(zhèn)居民影響較大且尚不具備推廣條件，而柴油機噪音及污染大，微燃機能源轉換效率低，項目經(jīng)濟性差，無法為投資運營企業(yè)帶來經(jīng)濟效益，因此，柴油機、微燃機和風機在城鎮(zhèn)并網(wǎng)型微網(wǎng)中較少采用?；诖?，本文設定的城鎮(zhèn)地區(qū)并網(wǎng)型微網(wǎng)電源主要考慮屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)以及儲能。儲能系統(tǒng)的容量配置僅考慮保證重要負荷的供電，由于在微網(wǎng)系統(tǒng)中對儲能的性能相比電動汽車等項目低，綜合考慮占地條件與工程實際情況的要求，微網(wǎng)中可采用目前成本較低的鉛酸電池作為儲能的主要形式。針對偏遠地區(qū)的小水電型并網(wǎng)型微網(wǎng)，微源為水力發(fā)電，但考慮到小水電的出力特性不宜配置儲能，因此配備柴油發(fā)電機保證整個微網(wǎng)系統(tǒng)在電網(wǎng)故障或并網(wǎng)線路檢修時能夠離網(wǎng)運行，柴油機的配置將按照負荷容量進行配置。根據(jù)實際情況，該類微網(wǎng)中負荷相對于小水電容量較小，小水電多余電量將全部上網(wǎng)。針對海島等偏遠地區(qū)的離網(wǎng)型微網(wǎng)，分布式電源可以包含太陽能光伏、風機、柴油發(fā)電機或微燃機等多種形式綜合布置。本文的離網(wǎng)微網(wǎng)電源配置基于東福山島、萬山群島等孤島微網(wǎng)配置情況進行構建，各方案的負荷規(guī)模以及微源配置如表1所示。

表1 微網(wǎng)典型應用以及配置方案

Tab. 1 Typical application and configuration scheme of microgrid

方案應用場合接入等級/kV負荷規(guī)模/kW水電/kW光伏/kW柴發(fā)/kW風電/kW儲能/kWh并網(wǎng)型S?1小水電型10100500—100——M?1商業(yè)樓宇107000—1200——500M?2經(jīng)濟園區(qū)1015000—3600——2000離網(wǎng)型L?1偏遠地區(qū)10500—20010002001000

微網(wǎng)的電網(wǎng)規(guī)模取決于供電范圍以及負荷大小，城鎮(zhèn)地區(qū)主要采用電纜，偏遠地區(qū)采用架空線路?？刂葡到y(tǒng)配置方面，并網(wǎng)型以及離網(wǎng)型微網(wǎng)都需要具備離網(wǎng)運行能力，應配置完備的微網(wǎng)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)、動態(tài)、暫態(tài)的控制。此外，并網(wǎng)型微網(wǎng)還需在進線開關處設置基本的并網(wǎng)保護控制裝置，實現(xiàn)供電系統(tǒng)內部的保護控制、電能質量監(jiān)測等功能。各方案的控制系統(tǒng)典型接線示意圖如圖1、圖2和圖3所示。

圖1 商業(yè)樓宇以及經(jīng)濟園區(qū)并網(wǎng)型微網(wǎng)典型接線示意圖Fig. 1 Typical wiring diagram of grid-connected microgrid in commercial buildings and economic parks

圖2 小水電并網(wǎng)型微網(wǎng)典型接線示意圖Fig. 2 Typical wiring diagram of grid-connected microgrid of small hydropower

圖3 離網(wǎng)型微網(wǎng)典型接線示意圖Fig. 3 Off-grid type microgrid Typical wiring diagram

1.2 運維方案設定

并網(wǎng)型微網(wǎng)運行維護方式如下：商業(yè)樓宇和經(jīng)濟園區(qū)方案中當微網(wǎng)內部供電不足時，由外部電網(wǎng)供電補充。無故障情況下，小水電方案中柴油發(fā)電機不發(fā)電，只有水利發(fā)電。發(fā)生大電網(wǎng)突發(fā)停電故障時，柴油發(fā)電機開啟。豐水期無需從大電網(wǎng)購電，枯水期全年累計2個月需從大電網(wǎng)購電。當水電或光伏發(fā)電充足，微網(wǎng)供電過剩時，則余電上網(wǎng)。對此類情況，考慮負荷與發(fā)電的同時率問題并借鑒已有經(jīng)驗情況，小水電型余電上網(wǎng)發(fā)生概率較大，商業(yè)樓宇以及經(jīng)濟園區(qū)發(fā)生概率低。離網(wǎng)型微網(wǎng)在正常運行方式下，風機、光伏、柴油發(fā)電機和儲能均頻繁啟停發(fā)電。運行維護方式如下：風機和光伏供電不足時，由柴油發(fā)電機和儲能供電填補，在夜晚，柴油發(fā)電機或儲能啟動發(fā)電的概率很大，白天則相對較低；風機和光伏供電充足，微網(wǎng)供電過剩時，多余電量由儲能存儲；儲能存儲不了時，切除部分風機或光伏。各方案的年電量需求如表2所示。

表2 各方案年電量需求表

Tab. 2 Annual electricity demand MWh

微網(wǎng)類型負荷年需電量年發(fā)電量水利發(fā)電光伏年發(fā)電量柴發(fā)年發(fā)電量風機年發(fā)電量年上網(wǎng)電量年購電量小水電型1501000—0652—875725商業(yè)樓宇24500—1080——023420經(jīng)濟園區(qū)75000—3240——648718248偏遠地區(qū)750—180250032000

注：(1)發(fā)電小時數(shù)：光伏900 h，風電1 600 h(陸地)，水電：2 000 h(山區(qū)徑流式水電站)；(2)利用小時數(shù)：商業(yè)樓宇3 500 h，經(jīng)濟園區(qū)5 000 h，偏遠地區(qū)1 500 h，以上數(shù)據(jù)依據(jù)實際工程統(tǒng)計依據(jù)確定；(3)小水電方案中柴油發(fā)電機年發(fā)電量由縣級電網(wǎng)客戶平均停電時間6.52 h為基準核算；(4)余電上網(wǎng)：設定商業(yè)樓宇余電上網(wǎng)率為0，根據(jù)實際工程經(jīng)驗，經(jīng)濟園區(qū)發(fā)生電上網(wǎng)率為2%。

2 典型微網(wǎng)的經(jīng)濟效益

2.1 總體經(jīng)濟性分析

基于界定的微網(wǎng)配置及運維的邊界條件，本文對不同類型微網(wǎng)的成本、收入、經(jīng)濟效益分析以及敏感性因素四個方面進行詳細的分析，得到表3。

表3 各方案投資經(jīng)濟指標評價表

Tab. 3 Investment economic evaluation index

方案小水電型商業(yè)樓宇經(jīng)濟園區(qū)偏遠地區(qū)投資總額/萬元10626166665430510206內部收益率/%1132171486—凈現(xiàn)值/萬元23944-55173-61432-98312投資回收期/年91713—

由表3可知，并網(wǎng)小水電型方案內部收益率為11.32%，經(jīng)濟效益好，值得投資。并網(wǎng)商業(yè)樓宇和經(jīng)濟園區(qū)方案內部收益率為正，分別為1.71%和4.86%，但未達到基準收益率，經(jīng)濟性效益較差。離網(wǎng)型方案偏遠地區(qū)經(jīng)濟效益差，內部收益率為負數(shù)，項目無法收回投資。

綜上，除小水電型外的微網(wǎng)方案經(jīng)濟效益不理想，各方案均未達到預期7%的收益率，因此在現(xiàn)有的設備成本水平以及電價水平下這幾種微網(wǎng)模式很難盈利。

2.1.1 小水電型微網(wǎng)經(jīng)濟性綜合分析

并網(wǎng)型小水電微網(wǎng)方案其經(jīng)濟性較好，內部收益率高達11.32%，且投入資金在項目投產(chǎn)第9年就可收回投資，在現(xiàn)有的技術水平和設備成本情況下，此類微網(wǎng)具有生命力。

在未來發(fā)展趨勢分析中，由于水電站的建設、運營以及技術和造價水平較為成熟，投資成本大幅下降的可能性較小。水電作為清潔能源，上網(wǎng)電價可能有上漲的空間，但小水電型微網(wǎng)必須依靠大電網(wǎng)為其提供容量備用，在全年枯水期中，小水電型微網(wǎng)必須從電網(wǎng)購電才能滿足其內部電量平衡，如果電網(wǎng)收取備用容量費將對其經(jīng)濟性產(chǎn)生影響。

2.1.2 商業(yè)樓宇以及經(jīng)濟園區(qū)微網(wǎng)經(jīng)濟性綜合分析

并網(wǎng)型微網(wǎng)方案商業(yè)樓宇和經(jīng)濟園區(qū)采用光伏作為分布式電源，在考慮政策補貼的條件下，方案商業(yè)樓宇內部收益率僅為1.17%，在項目壽命周期內可勉強收回投資，經(jīng)濟園區(qū)方案經(jīng)濟性稍好，內部收益率已經(jīng)達到4.86%，大約13年可收回投資，但總體而言兩方案經(jīng)濟性均較差，目前條件下項目不具生命力。

商業(yè)樓宇微網(wǎng)方案對于光伏單價變化以及購售電價差敏感性較強，只有當光伏成本下降至原單價的40%(0.4萬元/kW)或購售電價差達到每度電0.038元時，項目才達到基準收益，此類微網(wǎng)項目隨著電力體制改革的深化進行將存在生命力。

經(jīng)濟園區(qū)微網(wǎng)方案經(jīng)濟性效益對于投資、光伏單價以及購售電價差敏感性非常強。當投資下降20%時，項目即可達到基準收益，同時光伏下降至原價的70%(0.56萬元/kW)時，或購售電價差僅為每度電0.014元時，項目達到基準收益率。此類微網(wǎng)項目生命力較強，一方面可通過與設備商合作建設的方式降低設備投資，另一方面可通過與電網(wǎng)公司談判大用戶直購電的方式壓低購電成本，項目盈利的可能性很大。

2.1.3 離網(wǎng)型微網(wǎng)經(jīng)濟性綜合分析

離網(wǎng)型微網(wǎng)偏遠地區(qū)方案內部收益率小于-20%。而且離網(wǎng)型微網(wǎng)即使在總投資成本下降50%時，內部收益率仍為-15.34%，說明即使未來投資成本能大幅下降，離網(wǎng)方案依然在項目生命周期內無法收回投資，從盈利角度上看不具可行性。但離網(wǎng)型微網(wǎng)主要應用于解決偏遠地區(qū)供電問題，可以帶來較好的社會效益。由于偏遠地區(qū)如海島、山區(qū)等存在輸電通道建設成本及維護費高昂的問題，離網(wǎng)型微網(wǎng)建設具備經(jīng)濟可行性。表4列出了本文邊界條件下的傳統(tǒng)送電通道建設以及微網(wǎng)建設的成本比較。本文中離網(wǎng)型微網(wǎng)項目總投資為 1 020.6 萬元，與傳統(tǒng)的通道比較，可根據(jù)海底電纜以及架空線路的單位投資成本確定臨界長度。當本文的邊界條件下，當海底電纜敷設超過10.206 km時或偏遠山區(qū)架空線路長度超過40.824 km時，傳統(tǒng)送電通道的成本高于離網(wǎng)型微網(wǎng)的建設成本。

表4 離網(wǎng)型微網(wǎng)與傳統(tǒng)送電通道成本比較

Tab. 4 Cost comparison between off-grid microgrid and traditional transmission

離網(wǎng)型微網(wǎng)項目項目總投資10206萬元傳統(tǒng)通道投資單價/(萬·km-1)臨界長度/km海底電纜10010206低壓架空線路2540824

目前我國已有多個離網(wǎng)型微網(wǎng)的示范項目，如珠海建東澳島智能微電網(wǎng)、浙江舟山東福山島風光儲柴微電網(wǎng)項目等，其中東澳島為離網(wǎng)型微網(wǎng)。在微網(wǎng)配置中，充分考慮了海島的太陽能資源以及風能資源，實現(xiàn)了離網(wǎng)型微網(wǎng)的綠色運行。東福山島微網(wǎng)為300 kW風光存儲微網(wǎng)供電系統(tǒng)，新能源負荷接近90%，在微網(wǎng)建成之前，采用的是柴油機發(fā)電機組發(fā)電。雖然東福山島微網(wǎng)單純依靠電價無法獲利，但從成本節(jié)約角度，相比于柴油機組發(fā)電則更加經(jīng)濟。如果采用鋪設電纜來與大陸電網(wǎng)相連，則費用更高，估算從東福島鋪設海纜成本為6 000多萬元，遠高于東福山島微網(wǎng)建設成本2 200萬元，離網(wǎng)型微網(wǎng)相較于其他方式在成本節(jié)約上具有較大優(yōu)勢。

3 運行模式探討

在此輪電力體制改革模式下，微網(wǎng)將具有新的發(fā)展動力與盈利模式。結合前文的經(jīng)濟效益分析，本文提出以下兩種運營模式：

其一，微網(wǎng)運營商以大用戶角色購電。通過興建微網(wǎng)重新組合需求側從而形成大用戶，充分參與售電側市場的市場競爭。對于分布式光伏的并網(wǎng)型微網(wǎng)而言，購售電價差是影響項目經(jīng)濟效益的重要因素，隨著電力市場改革的深化，微網(wǎng)投資商可通過微網(wǎng)的形式以大用戶購電方式壓低購電價從而使項目盈利，同時未來微網(wǎng)的投資成本還將進一步下降，未來將有良好的經(jīng)濟效益。

其二，形成需求側平臺，以虛擬電源商形式參與市場競爭。一方面，可充分利用微網(wǎng)系統(tǒng)儲能作用，賺取峰谷電價差，高電價時，向電網(wǎng)供電，低電價時，利用可再生能源系統(tǒng)儲能；另一方面，提供輔助服務，微網(wǎng)及其所具有的可控分布式電源和儲能裝置的運行靈活性和反應速度能夠提高故障反映速度，縮短停電時間，且具有啟動成本低的優(yōu)勢，供電可靠性更高，可在供電區(qū)域內推行可靠性電價，獲取收益。

4 結論

結合我國新一輪電力市場改革，本文深入細致地研究了四類典型微網(wǎng)的當前以及未來的經(jīng)濟效益。通過經(jīng)濟分析知，并網(wǎng)小型水電微網(wǎng)方案內部收益率超過行業(yè)基準收益率，目前條件下經(jīng)濟效益較好，但需注意電改背景下，若電網(wǎng)收取備用容量費將對其經(jīng)濟性產(chǎn)生一定影響。并網(wǎng)型微網(wǎng)方案商業(yè)樓宇和經(jīng)濟園區(qū)，經(jīng)濟性均較差，目前條件下項目不具生命力，但隨著光伏成本的降低以及微網(wǎng)組成大用戶購售電價差增大將具有較好的生命力。離網(wǎng)型微網(wǎng)偏遠地區(qū)方案經(jīng)濟性最差，但用于解決偏遠地區(qū)供電問題，可以帶來較好的社會效益，且微網(wǎng)建設成本低于傳統(tǒng)送電通道。

微網(wǎng)集成了現(xiàn)代化信息技術、新能源技術、分布式發(fā)電技術等，在分布式能源接入傳統(tǒng)系統(tǒng)安全穩(wěn)定性，長距離輸電的損耗和化石能源帶來的環(huán)境問題方面較傳統(tǒng)電網(wǎng)具有較強優(yōu)勢。雖然微網(wǎng)的經(jīng)濟運行目前尚缺乏電力市場運營的大背景，離商業(yè)化運營還有一定的距離，但伴隨市場化程度的提高、技術水平的改進和建設成本的下降，微網(wǎng)經(jīng)濟性也將逐步提高，展現(xiàn)更強的生命力。

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(責任編輯 張春文)

Economic Analysis of Typical Micro-grid Based on the Electricity Market Reform

CHEN Kai, REN Changxiang

(China Energy Engineering Group Guangdong Electric Power Design Institute Co., Ltd., Guangzhou 510663, China;)

As the stage product of the distributed energy-development, the micro-network is an effective use of distributed energy as well as an effective complement to the big power grid, its feasibility has been adequately demonstrated. With the advance of electricity reform, as the new permitted electricity sales principal, micro-grid's economic benefits have attracted widespread attention of grid companies and third-party investors. The paper builds four typical configuration schemes of distributed energy including join-grid micro-grid and off-grid micro-grid, then analyzes the economic benefits of the different types of micro-grid by the economic estimates in full lifecycle. Finally, future micro-grid operational mode is proposed with combining the market reform of electricity sales side.

micro-grid; economic benefits; operational mode

2016-10-20

陳凱(1967)，男，湖南雙峰人，高級工程師，碩士，主要從事電力工程技經(jīng)工作(e-mail)chenkai@gedi.com.cn。

10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2016.04.004

F426.6

A

2095-8676(2016)04-0018-05