基于夏普利值的居住建筑分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)費(fèi)用分?jǐn)偡治?/h1>

2016-12-23 08:04:35劉加平

統(tǒng)計(jì)與信息論壇訂閱 2016年11期 收藏

關(guān)鍵詞：分?jǐn)?/a>分布式收益

羅 西，劉加平

(西安建筑科技大學(xué) a.管理學(xué)院；b.建筑學(xué)院，陜西 西安 710055)

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【統(tǒng)計(jì)應(yīng)用研究】

基于夏普利值的居住建筑分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)費(fèi)用分?jǐn)偡治?/p>

羅 西a，劉加平b

(西安建筑科技大學(xué) a.管理學(xué)院；b.建筑學(xué)院，陜西 西安 710055)

就中國居住建筑中采用分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的良好發(fā)展前景，以中國15個城市的自然條件及光伏發(fā)電補(bǔ)貼政策為背景，采用SAM、COBRA和MATLAB軟件為研究工具，以外部性理論與合作博弈論作為理論支撐，對中國居住建筑分布式光伏系統(tǒng)進(jìn)行費(fèi)用分?jǐn)偡治觥＝Y(jié)果表明，國家補(bǔ)貼不足以使居民獲得合理收益，地方補(bǔ)貼在很大程度上決定了分布式光伏在該地區(qū)的發(fā)展水平。中國部分地區(qū)地方補(bǔ)貼額度不足，居民電價過低和電網(wǎng)公司難以獲得補(bǔ)貼都導(dǎo)致各參與主體對投資分布式光伏的積極性不高，分布式光伏在中國發(fā)展速度低于預(yù)期的結(jié)果。

分布式光伏；外部性；合作博弈；夏普利值；成本分?jǐn)?/p>

一、引 言

分布式光伏發(fā)電是指建在用戶需求側(cè)，通過光伏組件將太陽能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電方式。推廣利用分布式光伏對優(yōu)化中國能源結(jié)構(gòu)、促進(jìn)節(jié)能減排、防治大氣污染的意義重大。為此，國家發(fā)改委于2013年8月正式頒布0.42元/kWh的分布式光伏全電量補(bǔ)貼政策[1]，各省市也陸續(xù)出臺各種地方補(bǔ)貼政策以推動分布式光伏產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。2015年1月，國家能源局提出2015年新增分布式光伏7GW的任務(wù)目標(biāo)，并于同年12月明確中國分布式光伏裝機(jī)在2020年底達(dá)到70GW的總體發(fā)展規(guī)劃。

然而根據(jù)國家能源局統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2015年中國分布式光伏新增裝機(jī)僅為1.39GW，遠(yuǎn)低于年初制定的發(fā)展目標(biāo)，甚至與2014年的2.05GW新增容量相比也大幅降低，發(fā)展速度明顯放緩。隨著全球光伏系統(tǒng)價格的不斷下降，各參與主體之間的利潤成本分配不清晰、投資回報(bào)前景不明朗正逐漸成為制約分布式光伏發(fā)展的主要因素。近年來國內(nèi)外關(guān)于新能源費(fèi)用分?jǐn)偟难芯空饾u增多：胡軍峰利用靜態(tài)動態(tài)合作博弈理論解決了風(fēng)電接入電網(wǎng)導(dǎo)致的輔助服務(wù)費(fèi)用分?jǐn)倖栴}[2]；Boqiang Lin和Jianglong Li在一定時間跨度內(nèi)估算中國多種類型新能源的并網(wǎng)費(fèi)用，并針對不同主體進(jìn)行費(fèi)用分解[3]；N.X.Jia和R.Yokoyama應(yīng)用合作博弈論對電力零售市場內(nèi)的獨(dú)立能源提供方進(jìn)行利潤分?jǐn)偡治鯷4]。但已有研究主要集中在輸配電費(fèi)用分?jǐn)偡矫?，針對分布式光伏整體費(fèi)用分?jǐn)偟难芯咳韵鄬^少。本文在充分考慮中國不同地區(qū)光照資源、經(jīng)濟(jì)水平、能源結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況下，以分布式光伏系統(tǒng)平準(zhǔn)化能源成本計(jì)算為基礎(chǔ)，分析分布式光伏開發(fā)對電網(wǎng)公司、政府和居民的收益影響，并應(yīng)用合作博弈論中的夏普利值解決各主體參與分布式光伏投資的利益分配問題，得到適合各地區(qū)的分布式光伏費(fèi)用分?jǐn)倷C(jī)制。

二、分布式光伏系統(tǒng)平準(zhǔn)化能源成本

(一)補(bǔ)貼前的平準(zhǔn)化能源成本計(jì)算

平準(zhǔn)化能源成本(LCOE)是用于分析各種發(fā)電技術(shù)成本問題的重要指標(biāo)，迄今為止已被廣泛應(yīng)用于能源行業(yè)，其含義是系統(tǒng)全壽命周期內(nèi)成本折現(xiàn)值與發(fā)電量折現(xiàn)值的比值，表達(dá)式為：

(1)

式中，Ct為系統(tǒng)每年成本投入，Et為系統(tǒng)每年電能產(chǎn)出，r為折現(xiàn)率，t為系統(tǒng)壽命。

對于光伏系統(tǒng)，其成本主要為初始投資，隨后每年投入僅為運(yùn)營維護(hù)費(fèi)用，故式(1)等價于：

(2)

式中，i0為系統(tǒng)第一年初始投入，Mt為每年運(yùn)維成本，E0為系統(tǒng)第一年電能產(chǎn)出，d為系統(tǒng)性能衰減率。

分布式光伏系統(tǒng)的LCOE與其設(shè)計(jì)方案、組件性能以及氣候條件等因素關(guān)系緊密。為便于分析比較，本文使用SAM軟件[5]對全國15個城市的居民分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)LCOE進(jìn)行仿真計(jì)算。仿真模型中電池組件選用SunPower SPR-210-BLK-U，逆變器選用SMA公司SunnyBoy系列，氣象數(shù)據(jù)來源于Solar and Wind Energy Resource Assessment(SWERA) 570160號氣象站，系統(tǒng)傾斜角設(shè)為該城市當(dāng)?shù)鼐暥?，系統(tǒng)性能衰減速度每年0.8%，運(yùn)營維護(hù)費(fèi)用每年10元/kW，系統(tǒng)壽命設(shè)定為25年，其中第12年需更換逆變器，逆變器價格1元/W，社會折現(xiàn)率8%。由于本文研究對象為居民建筑分布式光伏，裝機(jī)規(guī)模限定為1～10 kW，在此區(qū)間內(nèi)系統(tǒng)單位價格為10～12元/ W，規(guī)模越小，價格越高。根據(jù)以上參數(shù)設(shè)定，各城市分布式光伏LCOE計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 各城市分布式光伏系統(tǒng)LCOE計(jì)算結(jié)果

中國光照資源主要集中在西北地區(qū)，其中西藏、青海地區(qū)光照資源最為優(yōu)良，而四川盆地以及貴州大部分地區(qū)的光照資源則最為貧瘠。從表1結(jié)果可以看出，分布式光伏LCOE的高低反映了當(dāng)?shù)毓庹召Y源的優(yōu)良程度，整體上光照資源貧瘠地區(qū)LCOE較高，光照資源豐富地區(qū)LCOE較低。

(二)補(bǔ)貼后的平準(zhǔn)化能源成本計(jì)算

除了國家現(xiàn)已頒布的0.42元/kWh的分布式光伏全電量補(bǔ)貼政策之外，各地方政府也相繼出臺了補(bǔ)貼政策以推動當(dāng)?shù)胤植际焦夥a(chǎn)業(yè)發(fā)展。本文中15個城市的地方分布式光伏補(bǔ)貼政策見表2。

國家及地方政府補(bǔ)貼能夠大幅度降低分布式光伏對于各投資主體的LCOE值，提高其財(cái)務(wù)盈利能力，影響程度如圖1所示。

圖1 各城市不同補(bǔ)貼政策下分布式光伏系統(tǒng)LCOE圖

三、各參與方收益分析

分布式光伏的開發(fā)使用會對電網(wǎng)公司、政府、居民等參與主體產(chǎn)生一系列的收益影響，繼而決定該主體參與投資的積極性，具體收益分析如下。

(一)電網(wǎng)公司

1.緩建電網(wǎng)建設(shè)價值(Rp)。若電網(wǎng)企業(yè)在進(jìn)行電網(wǎng)投建規(guī)劃時，利用分布式光伏降低系統(tǒng)在峰荷時對電網(wǎng)輸送容量的需求，就得以延緩或減少輸配電網(wǎng)的投資，電網(wǎng)公司因此節(jié)約了投資，其價值等同于電網(wǎng)公司改造更新所投入資金的時間價值。本文中Rp取值為0.308 0元/kWh[6]。

2.提高供電可靠性(Rr)。當(dāng)大電網(wǎng)線路發(fā)生故障時，適當(dāng)容量的分布式光伏可保障重要負(fù)荷的安全穩(wěn)定運(yùn)行，電網(wǎng)供電可靠性因此得以提高，繼而產(chǎn)生間接經(jīng)濟(jì)效益，其價值等同于用戶停電損失。本文中Rr取值為0.004 9元/kWh[6]。

3.減少線路損耗 (Rl)。分布式光伏的接入減少了傳統(tǒng)電網(wǎng)中大容量遠(yuǎn)距離的電力輸送，從而減少了高壓輸電線的損耗。電網(wǎng)公司因線路損耗減少而獲得的度電收益為：

(3)

式(3)中，Pb為當(dāng)?shù)厝济弘娖竺摿驑?biāo)桿上網(wǎng)電價； η為平均線損率。

4.電源備用費(fèi)用增加(Rb)。電網(wǎng)系統(tǒng)中的備用是指電力系統(tǒng)除了滿足預(yù)計(jì)負(fù)荷需求外，為保障電網(wǎng)安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行而保持的有功功率儲備[6]。由于光伏發(fā)電系統(tǒng)出力的高度間歇性和波動性，電網(wǎng)公司必須為其提供備用機(jī)組以解決調(diào)峰和調(diào)頻問題。因此，電源備用費(fèi)用是電網(wǎng)公司因?yàn)榉植际焦夥~外增加的成本。本文中Rb取值為0.252 1元/kWh[6]。

5.售電損失(Rs)。使用分布式光伏后，產(chǎn)能自發(fā)自用使用戶購電量減少，電網(wǎng)公司收益也相應(yīng)減少。原本電網(wǎng)公司的度電利潤為居民電價與當(dāng)?shù)厝济弘娖竺摿驑?biāo)桿上網(wǎng)電價之差，現(xiàn)假設(shè)居民分布式光伏自發(fā)自用比例為50%，則電網(wǎng)公司的度電售電損失為：

Re=50%×(Ps-Pb)

(4)

式(4)中，Ps為當(dāng)?shù)鼐用耠妰r。

綜上所述，電網(wǎng)公司因分布式光伏系統(tǒng)而獲得的度電收益為：

Ee=Rp+Rr+El-Rb-Re

(5)

(二)政府

1.二氧化碳減排收益(Rc)。雖然太陽能電池板制造過程中的高能耗及產(chǎn)生的廢氣、廢水、廢料等問題正逐漸引起人們的關(guān)注，但相比于傳統(tǒng)煤電，光伏系統(tǒng)全壽命周期內(nèi)各種污染物排放量仍然大幅減少。對比數(shù)據(jù)如表3所示[7]。

因使用單位千瓦時光伏發(fā)電代替煤電而減少的二氧化碳排放可轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)效益，表達(dá)式為：

表3 分布式光伏與煤電全壽命周期內(nèi)污染物排放對比

Rc=(Qc-Qp)×Pc

(6)

式(6)中，Qc為煤電全壽命周期內(nèi)度電二氧化碳排放量；Qp為光伏全壽命周期內(nèi)度電二氧化碳排放量；pc為單位排放量二氧化碳價格。

對于pc的取值，國際上尚未有統(tǒng)一測算標(biāo)準(zhǔn)，不同模型計(jì)算結(jié)果差異巨大，浮動范圍在$10/t到$150/t之間[8]，本文以$40/t的價格進(jìn)行計(jì)算。

2.健康收益(Rh)。分布式光伏在全壽命周期內(nèi)污染物排放量相對于傳統(tǒng)煤電的大幅度減少將提升該地區(qū)居民健康水平，故政府在居民健康方面所需投入也相應(yīng)減少。本文采用COBRA[9]軟件對其健康收益進(jìn)行計(jì)算，得到每使用1MWh分布式光伏產(chǎn)能代替煤電可提高居民健康收益$53.93的計(jì)算結(jié)果。

3.就業(yè)收益(Rj)。大力推廣分布式光伏能夠制造更多的就業(yè)機(jī)會。有研究表明，同樣投入1百萬美金，光伏產(chǎn)業(yè)能夠創(chuàng)造5.7個就業(yè)年，而煤電僅能制造3.9個[10]。由于政府每年需向生活水平低于貧困線的居民發(fā)放居民最低生活保障以維持社會穩(wěn)定和諧，分布式光伏帶動就業(yè)可使國家節(jié)省部分該支出，故分布式光伏度電創(chuàng)造的就業(yè)收益為：

(7)

式(7)中，Ml為該地區(qū)城市居民每月最低生活保障標(biāo)準(zhǔn)。

除了以上所列之外，政府還會因推廣分布式光伏獲得其它一些正外部性收益，如城市景觀效應(yīng)提升，相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展等，但因其難以量化，本文不予以分析。

綜上所述，政府因分布式光伏獲得的度電收益為：

Eg=Rc+Rh+Rj

(8)

(三)居民

投資分布式光伏對居民的經(jīng)濟(jì)性影響主要有兩方面：節(jié)省電費(fèi)及售電收益。

1.節(jié)省電費(fèi)(Ra)。假設(shè)分布式光伏自發(fā)自用比例為50%，則分布式光伏系統(tǒng)每發(fā)一度電，居民節(jié)省電費(fèi)為：

Rs=50%×Ps

(9)

2.售電收益(Rb)。由于分布式光伏余電上網(wǎng)比例為50%，則分布式光伏系統(tǒng)每發(fā)一度電，居民售電收益為：

Pb=50%×Pb

(10)

綜上所述，居民因分布式光伏獲得的度電收益為：

Er=Rs+Rb

(11)

四、基于夏普利值的分布式光伏費(fèi)用分?jǐn)傆?jì)算

(一)合作博弈及夏普利值

博弈可分為合作博弈和非合作博弈，合作博弈主要通過協(xié)調(diào)多個利益主體來經(jīng)營聯(lián)盟收益并解決收益分配問題[11]5，其定義是以特征函數(shù)的形式(N,v)給出的。一個合作博弈問題的全體局中人集合可用N={1,2,…,n}表示，其中n表示局中人個數(shù)；S是N的子集，表示局中人根據(jù)各自利益需求結(jié)盟形成的聯(lián)盟體；v是與N中的每個聯(lián)盟S相對應(yīng)的特征函數(shù)，v(S)就是如果聯(lián)盟S中局中人相互合作所能得到的最大贏利。

夏普利值(Shapley)是20世紀(jì)五六十年代發(fā)展起來的一種平均主義分配理論。按照夏普利值的思想，局中人i所應(yīng)承擔(dān)的成本或所應(yīng)獲得的收益等于該局中人對每一個所參與聯(lián)盟的邊際貢獻(xiàn)平均值，數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

(12)

(二)分布式光伏費(fèi)用分?jǐn)偰Ｐ?/p>

至此已得出各聯(lián)盟對應(yīng)的利潤函數(shù)，將15個城市的相關(guān)數(shù)值代入，并通過夏普利值進(jìn)行各參與方利潤分?jǐn)傆?jì)算，再用各方收益減去分?jǐn)偫麧櫦礊榉謹(jǐn)偝杀?。其中需對外部性特別處理。如當(dāng)聯(lián)盟中僅有電網(wǎng)公司和居民時，政府實(shí)際上享受到了相應(yīng)的環(huán)境、社會、經(jīng)濟(jì)等收益，但卻未承擔(dān)任何費(fèi)用，這是不合理的，需要予以修正。各聯(lián)盟外部性收益特征函數(shù)如下：

采用夏普利值對各參與方外部性收益進(jìn)行分?jǐn)傆?jì)算，得到結(jié)果見表4所示。

表4 各參與方外部性收益分?jǐn)?單位：元/kWh

政府和居民外部性收益分?jǐn)傊禐樨?fù)，說明政府和居民需將各自收益按一定比例返還給電網(wǎng)公司，本文中二者返還比例分別選取0.4和0.1。

(三)分布式光伏費(fèi)用分?jǐn)傆?jì)算結(jié)果

使用MATLAB軟件對各參與方進(jìn)行利潤成本分?jǐn)傆?jì)算，得到結(jié)果見表5和表6：

表5 基于夏普利值的各參與方利潤分?jǐn)?單位：元/kWh

從表5可看出，各方利潤受當(dāng)?shù)豅COE影響最大：LCOE越高，利潤越低；LCOE越低，利潤越高。成都、重慶與貴陽的電網(wǎng)公司、政府與居民利潤之和為負(fù)值，即對于大聯(lián)盟整體，在該地區(qū)投資分布式光伏反而會造成虧損，其主要原因是當(dāng)?shù)毓庹召Y源差，LCOE過高。居民利潤在受LCOE影響的同時也受到當(dāng)?shù)鼐用耠妰r的較大影響，如茫崖LCOE雖在所列城市中最低，但因當(dāng)?shù)鼐用耠妰r較低，其居民利潤并不排在前列。

表6 基于夏普利值的各參與方費(fèi)用分?jǐn)?單位：元/kWh

大部分城市電網(wǎng)公司分?jǐn)傎M(fèi)用為負(fù)值，說明其在分布式光伏產(chǎn)業(yè)中應(yīng)獲得補(bǔ)貼而不是分擔(dān)費(fèi)用。因國家電網(wǎng)公司、中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司以及各地方電網(wǎng)公司皆為國有壟斷企業(yè)，故可將電網(wǎng)公司并入政府以簡化分析，而政府分?jǐn)傎M(fèi)用可以理解為政府的理論補(bǔ)貼額度，因此將計(jì)算結(jié)果與實(shí)際政府補(bǔ)貼額度相比較，得到結(jié)果如圖2所示：

圖2 各參與方在不同補(bǔ)貼政策下的費(fèi)用分?jǐn)?/p>

從圖2可以看出，除個別光照資源非常好的地區(qū)，國家補(bǔ)貼額度普遍低于政府與電網(wǎng)公司應(yīng)承擔(dān)的成本分?jǐn)?，居民若單純依靠國家補(bǔ)貼投資分布式光伏難以獲得利潤。地方補(bǔ)貼的輔助可提高居民利潤，但除了北京、合肥、茫崖、南城和上海這五個或光照資源極好，或地方補(bǔ)貼到位的城市之外，大部分地區(qū)居民在獲得國家及地方雙重補(bǔ)貼后其利潤仍然低于理論值，有些甚至是負(fù)值。不理想的收益水平導(dǎo)致居民投資熱情不高，分布式光伏在這些地區(qū)難以順利發(fā)展。

五、結(jié) 論

本文基于外部性理論和合作博弈論對全國15個城市居民分布式發(fā)電系統(tǒng)的平準(zhǔn)化能源成本及費(fèi)用分?jǐn)偰Ｊ竭M(jìn)行了分析，得到以下結(jié)論：

1.對于光照資源非常好的地區(qū)，國家給予的分布式光伏補(bǔ)貼已足夠使居民獲得理想利潤，地方政府無需提供補(bǔ)貼；對于光照資源非常差的地區(qū)，各參與方整體獲得的利潤之和為負(fù)值，說明該地區(qū)不適合發(fā)展分布式光伏，地方政府也無需提供補(bǔ)貼；對于光照資源一般的地區(qū)，國家補(bǔ)貼不足以使居民獲得理想利潤，若地方補(bǔ)貼制定得合理，將使電網(wǎng)公司、政府和居民三者利潤分配達(dá)到或接近平衡點(diǎn)，因此在這些地區(qū)，地方補(bǔ)貼額度對分布式光伏的發(fā)展將起到至關(guān)重要的作用。

2.目前中國實(shí)行與國際慣例相反的居民電價低于工業(yè)電價的電價政策，雖然居民因?yàn)榈碗妰r獲得了收益，但在推廣分布式能源的過程中，居民電價的過度低廉會導(dǎo)致民眾參與分布式光伏的積極性不高，從而影響分布式光伏的推廣。

3.電網(wǎng)公司需要政府補(bǔ)貼才能夠獲得應(yīng)得利潤，但實(shí)際中由于一些政府補(bǔ)貼資金的來源不夠明確，電網(wǎng)公司有時并不能獲得應(yīng)得的補(bǔ)貼，甚至需要倒貼，故影響到一些電網(wǎng)公司參與分布式光伏的積極性，一定程度上阻礙了分布式光伏的推廣。

[1] 國家發(fā)展改革委員會. 關(guān)于發(fā)揮價格杠桿作用促進(jìn)光伏產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的通知, 發(fā)改價格[2013]638[R]. 北京：國家發(fā)展改革委員會, 2013.

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(責(zé)任編輯：馬 慧)

Cost Allocation of Residential Distributed PV Project Based on Shapley Value

LUO Xi1, LIU Jia-ping2

(a. School of Management;b. School of Architecture, Xi'an Univ. of Arch. & Tech., Xi'an 710055，China)

Under the huge challenges of global energy conservation, emission reduction and energy security, distributed PV industry has become the key means to achieve economic restructuring and low carbon economy. However, the present status of distributed PV development in China is not as good as expected for the reason of irrational profit and cost allocation. In order to find a solution to this issue, we firstly go over a rigorous exposition of the methodology employed for the calculation of the levelized cost of electricity for PV. Based on externality theory and cooperative game theory, we proceed to establish a mathematical model by using SAM, COBRA and MATLAB to analyze the cost allocation of distributed PV systems in 15 Chinese cities. The results highlight that national subsidy alone is not enough for residents to get their desired profits, other factors that influence the profitability of participates include local subsidy and retail electricity price. Whether a grid enterprise can get enough subsidies from government also influences its initiatives to participate in the distributed PV industry. In general, government subsidy is lower than the Shapley value result and higher than the nucleolus result in China.

distributed PV; externalities; cooperative game theory; Shapley value;cost allocation

2016-04-20

國家創(chuàng)新研究群體科學(xué)基金項(xiàng)目《西部建筑環(huán)境與能耗控制研究》(51221865)；國家軟科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目《中國采暖區(qū)既有住宅建筑節(jié)能改造管理模式研究》(2011GXQ4D080)

羅 西，女，陜西西安人，博士生，經(jīng)濟(jì)師，研究方向：建筑環(huán)境節(jié)能系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析與研究； 劉加平，男，陜西大荔人，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向：建筑節(jié)能。

F224.0

A

1007-3116(2016)11-0075-06

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