李 晟，朱軍峰

(中冶華天工程技術(shù)有限公司，南京 210019)

0 引言

近年來，隨著全球能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的趨勢(shì)不斷加速，可再生能源發(fā)電，尤其是光伏發(fā)電的裝機(jī)規(guī)模始終保持著高速增長，國際光伏能源項(xiàng)目的投融資模式也更加標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化[1]。

以往在工程招投標(biāo)中，一般采用度電成本指標(biāo)作為評(píng)價(jià)依據(jù)，但隨著將更多的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)因素納入項(xiàng)目評(píng)價(jià)體系，原有的度電成本指標(biāo)也有了新的發(fā)展。本文以中東地區(qū)某特大型光伏電站的獨(dú)立電力工程(IPP)項(xiàng)目招標(biāo)為背景，對(duì)其所提出的基本功能需求、加權(quán)度電成本評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行了介紹及初步分析，并針對(duì)按照評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行方案設(shè)計(jì)的過程中需要重點(diǎn)關(guān)注的技術(shù)性問題進(jìn)行了探討。

1 項(xiàng)目背景

中東地區(qū)某國擬建一座交流裝機(jī)規(guī)模為1.5 GW的特大型光伏電站，該項(xiàng)目計(jì)劃在招標(biāo)結(jié)束后2年實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)營。在給定場地面積的情況下，光伏電站的直流側(cè)裝機(jī)容量不限；考慮到該國的電網(wǎng)規(guī)模較小，同時(shí)要求在電站側(cè)安裝容量不低于要求值的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)調(diào)峰、調(diào)頻，便于電網(wǎng)的電力調(diào)度，增強(qiáng)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的目的。此外，工程還包括配套的超高壓升壓站、輸電線路，以及配套的生產(chǎn)生活設(shè)施。投標(biāo)方案除了需要滿足相關(guān)法律、場地限制、技術(shù)性規(guī)范要求外，最重要的約束條件是“任何時(shí)刻，在高壓交流并網(wǎng)點(diǎn)處，光伏電站的輸出功率都不得大于給定的1.5 GW”。

以往評(píng)價(jià)體系存在2個(gè)不足，具體為：

1)在以往的光伏發(fā)電項(xiàng)目投資分析、規(guī)劃、設(shè)計(jì)中，通常以售電協(xié)議的度電成本/價(jià)格作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。但在這種評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)下，僅考慮了建設(shè)成本、運(yùn)維成本與項(xiàng)目設(shè)計(jì)的生命周期內(nèi)的發(fā)電量之間的關(guān)系，而未考慮光伏電站究竟在何時(shí)發(fā)電，也未考慮光伏電站在不同季節(jié)或不同時(shí)段輸出功率的變化，即忽略了電力能源供給與不同季節(jié)及不同時(shí)段需求之間的價(jià)值函數(shù)。

2)雖然電池儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)電力系統(tǒng)的作用已經(jīng)眾所周知[2]，但是如何體現(xiàn)其經(jīng)濟(jì)價(jià)值，目前尚未得到良好的解決方法[3]。

對(duì)于能源投資方而言，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)價(jià)值是首要問題，為了使經(jīng)濟(jì)模型更加貼近現(xiàn)實(shí)情況，從而降低投資風(fēng)險(xiǎn)和收益不確定性，需要不斷修正、改進(jìn)項(xiàng)目建設(shè)方案的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。因此，在該項(xiàng)目所提出的包含加權(quán)度電成本評(píng)價(jià)指標(biāo)的評(píng)價(jià)體系中，嘗試對(duì)以往評(píng)價(jià)體系中存在的上述2個(gè)方面的不足進(jìn)行了調(diào)整。

2 加權(quán)度電成本評(píng)價(jià)指標(biāo)

在本項(xiàng)目提出的加權(quán)度電成本評(píng)價(jià)指標(biāo)中，除了主要的工程經(jīng)濟(jì)內(nèi)容外，還包含了國際金融、法律、政策性導(dǎo)向等約束內(nèi)容。由于這部分內(nèi)容具有較強(qiáng)的特殊性，為了便于分析，本文對(duì)此進(jìn)行了必要的簡化。

計(jì)算加權(quán)度電成本，首先要計(jì)算投資方總折現(xiàn)付款金額及預(yù)計(jì)的總加權(quán)發(fā)電量。

投資方總折現(xiàn)付款金額CNOP的計(jì)算公式為：

式中，n為光伏電站的生命周期，年；i為項(xiàng)目開始后生命周期內(nèi)的第i年；Ci為項(xiàng)目開始后生命周期內(nèi)投資方第i年的付款金額，美元；r為折現(xiàn)率，由投資方給定。

其中，

式中，CCi為光伏電站生命周期內(nèi)第i年的建設(shè)成本，美元；COMi為光伏電站生命周期內(nèi)第i年的運(yùn)維成本，美元。

預(yù)計(jì)的總加權(quán)發(fā)電量EWNOP的計(jì)算公式為：

式中，EWi為光伏電站生命周期內(nèi)第i年的加權(quán)發(fā)電量，MWh。

上述式(1)～ 式(3)與通常定義的度電成本計(jì)算中使用的概念是一致的，而加權(quán)度電成本的區(qū)別主要由EWi的值體現(xiàn)，即：

式中，t為光伏電站生命周期內(nèi)第i年的第t小時(shí)；PHa為光伏電站生命周期內(nèi)第i年的總發(fā)電小時(shí)數(shù)，h；Et為第t小時(shí)并網(wǎng)點(diǎn)計(jì)量表記錄的總上網(wǎng)電量，MWh；EtBESS為第t小時(shí)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)計(jì)量表記錄的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)上網(wǎng)電量，MWh；WFs為電池儲(chǔ)能系統(tǒng)上網(wǎng)電量的分時(shí)電價(jià)權(quán)重，取值為5.7；WFt為第t小時(shí)光伏發(fā)電系統(tǒng)上網(wǎng)電量的分時(shí)電價(jià)權(quán)重，WFt的取值如表1所示。

表1 光伏發(fā)電系統(tǒng)上網(wǎng)電量的分時(shí)電價(jià)權(quán)重Table 1 Time-of-use electricity price weight of PV power generation system on grid

根據(jù)式(4)，可以繪制出光伏電站的電力接入與計(jì)量原理圖，如圖1所示。圖中只設(shè)置了并網(wǎng)點(diǎn)計(jì)量表和電池儲(chǔ)能系統(tǒng)計(jì)量表，其計(jì)量值分別為Et和EtBESS。

圖1 光伏電站的電力接入與計(jì)量原理圖Fig. 1 Schematic diagram of power access and metering of PV power station

上網(wǎng)電量的來源需要按照以下2種情況進(jìn)行考慮：

1)如果在t時(shí)段并網(wǎng)點(diǎn)計(jì)量表記錄的總上網(wǎng)電量Et大于電池儲(chǔ)能系統(tǒng)上網(wǎng)電量EtBESS，即Et>EtBESS，則說明光伏發(fā)電系統(tǒng)在這個(gè)時(shí)段一定生產(chǎn)了全部或部分上網(wǎng)電量。因此，此種情況下t時(shí)段的上網(wǎng)電量應(yīng)分別考慮光伏發(fā)電系統(tǒng)上網(wǎng)電量及其分時(shí)電價(jià)權(quán)重，以及電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的上網(wǎng)電量及其分時(shí)電價(jià)權(quán)重。

2)如果在t時(shí)段為Et≤EtBESS，則說明并網(wǎng)點(diǎn)計(jì)量表記錄的總上網(wǎng)電量Et全部由電池儲(chǔ)能系統(tǒng)產(chǎn)生(存在部分輸變電損耗)，光伏發(fā)電系統(tǒng)無電量輸出。此時(shí)，只需要考慮電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的上網(wǎng)電量及其分時(shí)電價(jià)權(quán)重即可。

綜上所述，加權(quán)度電成本(weighted levelized electricity cost，WLEC)的公式為：

對(duì)于此項(xiàng)目的招標(biāo)，承諾能夠?qū)崿F(xiàn)最低WLEC的競標(biāo)方案即為最佳競標(biāo)方案。

3 光伏電站規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)值得考慮的問題

當(dāng)前，在不考慮電力產(chǎn)品的時(shí)間價(jià)值(分時(shí)電價(jià)權(quán)重)情況下，對(duì)于類似光伏電站的規(guī)劃設(shè)計(jì)已經(jīng)有了一定的理論方法和研究。比如文獻(xiàn)[4]討論了在嚴(yán)格限制光伏電站并網(wǎng)點(diǎn)交流側(cè)輸出容量、而對(duì)直流側(cè)裝機(jī)容量不做約束的情況下，根據(jù)技術(shù)與市場因素適當(dāng)估算預(yù)期的上網(wǎng)電量、建設(shè)成本與運(yùn)維成本，進(jìn)行直流側(cè)裝機(jī)容量優(yōu)化設(shè)計(jì)的思路。但對(duì)于加權(quán)度電成本評(píng)價(jià)指標(biāo)的使用，使光伏電站在規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)面臨的技術(shù)問題變得更加復(fù)雜，最值得關(guān)注的幾個(gè)技術(shù)問題主要為上網(wǎng)電量的精確分時(shí)預(yù)測(cè)、光伏陣列的設(shè)計(jì)原則、電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量設(shè)計(jì)、雙面發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用、加權(quán)度電成本評(píng)價(jià)指標(biāo)的進(jìn)一步完善，下文針對(duì)這5個(gè)技術(shù)問題進(jìn)行詳細(xì)探討。

3.1 上網(wǎng)電量的精確分時(shí)預(yù)測(cè)

加權(quán)度電成本要求將項(xiàng)目全生命周期內(nèi)的分時(shí)輸出進(jìn)行盡可能精確的預(yù)估，而不是僅估算年發(fā)電量或項(xiàng)目全生命周期的總發(fā)電量。但這超出了當(dāng)前國際和國內(nèi)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范的設(shè)計(jì)要求，技術(shù)難度相當(dāng)大。因此在光伏電站的規(guī)劃設(shè)計(jì)過程中，需要對(duì)項(xiàng)目所在地的太陽能資源、氣象情況、地理環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行精確的研究分析。比如，在中東沙漠地區(qū)，每日上午和下午的溫差可能會(huì)達(dá)到20～30 ℃，在標(biāo)準(zhǔn)太陽輻射條件下，僅光伏組件的功率溫度系數(shù)就可能導(dǎo)致光伏組件的直流輸出功率偏差在7%以上。

3.2 光伏陣列的設(shè)計(jì)原則

在常規(guī)光伏發(fā)電項(xiàng)目的設(shè)計(jì)規(guī)劃中，通常光伏陣列的設(shè)計(jì)原則是基于其年發(fā)電量最大的優(yōu)化方法進(jìn)行的。比如，在光伏陣列的設(shè)計(jì)中，陣列參數(shù)采用0°方位角(北半球)、最佳安裝傾角(基于年發(fā)電量最大的原則)。但在加權(quán)度電成本評(píng)價(jià)指標(biāo)下，夏季與冬季同一時(shí)段的價(jià)格權(quán)重差異達(dá)到了1.77倍和1.60倍；即使同一日不同時(shí)段的價(jià)格權(quán)重差異也達(dá)到了1.44倍和1.30倍。顯然，在北半球采用方位角偏西有利于下午時(shí)段光伏電站發(fā)電量的提高，采用比常規(guī)設(shè)計(jì)中最佳安裝傾角更低的傾角有利于夏季時(shí)光伏電站發(fā)電量的提高。

降低光伏組件的最佳安裝傾角帶來的另外一個(gè)優(yōu)勢(shì)在于可以在有限的建設(shè)區(qū)域內(nèi)布設(shè)更多的光伏組件，有助于提升光伏電站的直流裝機(jī)規(guī)模，從而提高光伏電站預(yù)期發(fā)電量，增加方案的競爭力。因此，在光伏電站的規(guī)劃設(shè)計(jì)中，有必要結(jié)合給定的上網(wǎng)電量的分時(shí)電價(jià)權(quán)重，多方案比較后合理設(shè)計(jì)光伏組件的最佳安裝傾角。而采用平單軸跟蹤光伏支架作為光伏陣列的安裝支架時(shí)，是否也應(yīng)該嚴(yán)格遵循以南北方向?yàn)檩S向的布置方式，可能需要更多的理論與實(shí)踐數(shù)據(jù)才能得到正確的解答。

3.3 電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量設(shè)計(jì)

電池儲(chǔ)能系統(tǒng)上網(wǎng)電量的分時(shí)電價(jià)權(quán)重大幅高于光伏發(fā)電系統(tǒng)上網(wǎng)電量的分時(shí)電價(jià)權(quán)重(為2.47～5.70倍) ，其經(jīng)濟(jì)性收益主要來自于針對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率的削峰填谷。電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的工作原理及主要設(shè)計(jì)參數(shù)如圖2所示。

圖2 電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的工作原理及主要設(shè)計(jì)參數(shù)Fig. 2 Working principle and main desigh parameters of BESS

顯然，從圖2中可以看出，電池儲(chǔ)能系統(tǒng)所存儲(chǔ)的電能來自于光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率大于電網(wǎng)限制功率時(shí)段的超量部分的電能。因此，在進(jìn)行電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量設(shè)計(jì)時(shí)，可以考慮以光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大輸出功率與電網(wǎng)限制功率的差值作為電池儲(chǔ)能系統(tǒng)功率變換單元(PCS)額定功率的設(shè)計(jì)依據(jù)；以光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率曲線超過電網(wǎng)限制功率部分的面積作為電池儲(chǔ)能系統(tǒng)電池存儲(chǔ)容量的設(shè)計(jì)依據(jù)。

在實(shí)際工程中，還應(yīng)結(jié)合電池儲(chǔ)能系統(tǒng)自身效率和光伏發(fā)電系統(tǒng)功率衰減等因素，綜合考慮具體的設(shè)備參數(shù)。

3.4 雙面發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用

許多新推出的光伏組件均具有雙面發(fā)電功能，能夠有效提高光伏陣列的直流轉(zhuǎn)換效率。但是針對(duì)項(xiàng)目環(huán)境所涉及的地面反射率及地面反射率對(duì)光伏發(fā)電量提升的研究還不夠深刻。比如，地面反射率的評(píng)估與測(cè)定、地面反射率的季節(jié)性變化、光伏發(fā)電項(xiàng)目長期運(yùn)行對(duì)于地面反射率的影響(由于光伏組件遮擋導(dǎo)致的地面溫度、蒸發(fā)量等因素對(duì)于植被的影響)，以及維護(hù)地面反射率對(duì)光伏發(fā)電項(xiàng)目運(yùn)維成本產(chǎn)生的影響等。目前，雙面光伏組件對(duì)于光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量的有利作用，尤其是可以精確量化的且能夠可靠支持加權(quán)度電成本評(píng)價(jià)指標(biāo)分析的數(shù)據(jù)還不夠充分。

3.5 加權(quán)度電成本評(píng)價(jià)指標(biāo)的進(jìn)一步完善

該光伏電站IPP項(xiàng)目提出的加權(quán)度電成本評(píng)價(jià)指標(biāo)也存在部分值得商榷的問題，比如需要合理選擇上網(wǎng)電量的分時(shí)電價(jià)權(quán)重、充分利用電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的功能，以及明確電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的調(diào)度規(guī)則。

1)需要合理選擇上網(wǎng)電量的分時(shí)電價(jià)權(quán)重。由于不同國家或地區(qū)的能源結(jié)構(gòu)、社會(huì)需求、環(huán)境資源存在差異，實(shí)際實(shí)行的分時(shí)電價(jià)有著顯著的地域性和時(shí)效性。在光伏電站的規(guī)劃設(shè)計(jì)中，需要科學(xué)、合理地針對(duì)項(xiàng)目所在地的各種自然、社會(huì)、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、政策特點(diǎn)來設(shè)置權(quán)重，才能達(dá)到預(yù)期的目的。

2)需要充分利用電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的功能。該評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中假設(shè)了電池儲(chǔ)能系統(tǒng)僅用于光伏電站自身輸出功率的削峰填谷，未考慮電池儲(chǔ)能系統(tǒng)潛在的電網(wǎng)能源調(diào)度(調(diào)功、調(diào)頻)能力，今后需要充分利用電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的功能。

3)在制定加權(quán)度電成本評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)，需要明確電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的調(diào)度規(guī)則，否則，可能出現(xiàn)完全違背指標(biāo)制定者初衷的情況。比如，假定預(yù)測(cè)某日光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量較小，不會(huì)受到電網(wǎng)限制功率的限制，按照這一假定，光伏電站運(yùn)維方是不需要利用電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的功能的。但實(shí)際上，運(yùn)維方為了獲得更好的經(jīng)濟(jì)效益，會(huì)傾向于“利用電池儲(chǔ)能系統(tǒng)存儲(chǔ)峰時(shí)電能，留待平時(shí)輸出上網(wǎng)”的調(diào)度策略。

4 結(jié)論

本文以中東地區(qū)某特大型光伏電站的獨(dú)立電力工程(IPP)項(xiàng)目招標(biāo)為背景，對(duì)加權(quán)度電成本評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行了介紹與初步分析，并針對(duì)按照此評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行光伏電站規(guī)劃設(shè)計(jì)的過程中需要重點(diǎn)關(guān)注的技術(shù)性問題進(jìn)行了探討。加權(quán)度電成本評(píng)價(jià)指標(biāo)根據(jù)光伏電站總上網(wǎng)電量的生產(chǎn)時(shí)間及來源給出了不同的價(jià)值權(quán)重，從而為項(xiàng)目的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)價(jià)值評(píng)價(jià)提供了新的思路，不僅可為我國光伏行業(yè)參與國際競爭提供有益的探討，也為國內(nèi)外各類光伏工程的規(guī)劃設(shè)計(jì)開拓了視野。