光伏電站加權(quán)度電成本評價指標的分析及探討

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)型的趨勢不斷加速，可再生能源發(fā)電，尤其是光伏發(fā)電的裝機規(guī)模始終保持著高速增長，國際光伏能源項目的投融資模式也更加標準化和規(guī)范化[1]。

以往在工程招投標中，一般采用度電成本指標作為評價依據(jù)，但隨著將更多的技術(shù)、經(jīng)濟因素納入項目評價體系，原有的度電成本指標也有了新的發(fā)展。本文以中東地區(qū)某特大型光伏電站的獨立電力工程(IPP)項目招標為背景，對其所提出的基本功能需求、加權(quán)度電成本評價指標進行了介紹及初步分析，并針對按照評價標準要求進行方案設計的過程中需要重點關(guān)注的技術(shù)性問題進行了探討。

1 項目背景

中東地區(qū)某國擬建一座交流裝機規(guī)模為1.5 GW的特大型光伏電站，該項目計劃在招標結(jié)束后2年實現(xiàn)商業(yè)化運營。在給定場地面積的情況下，光伏電站的直流側(cè)裝機容量不限；考慮到該國的電網(wǎng)規(guī)模較小，同時要求在電站側(cè)安裝容量不低于要求值的電池儲能系統(tǒng)，以實現(xiàn)調(diào)峰、調(diào)頻，便于電網(wǎng)的電力調(diào)度，增強電力系統(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)生活設施。投標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“任何時刻，在高壓交流并網(wǎng)點處，光伏電站的輸出功率都不得大于給定的1.5 GW”。

以往評價體系存在2個不足，具體為：

1)在以往的光伏發(fā)電項目投資分析、規(guī)劃、設計中，通常以售電協(xié)議的度電成本/價格作為評價標準。但在這種評價標準下，僅考慮了建設成本、運維成本與項目設計的生命周期內(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發(fā)電，也未考慮光伏電站在不同季節(jié)或不同時段輸出功率的變化，即忽略了電力能源供給與不同季節(jié)及不同時段需求之間的價值函數(shù)。

2)雖然電池儲能系統(tǒng)對電力系統(tǒng)的作用已經(jīng)眾所周知[2]，但是如何體現(xiàn)其經(jīng)濟價值，目前尚未得到良好的解決方法[3]。

對于能源投資方而言，實現(xiàn)經(jīng)濟價值是首要問題，為了使經(jīng)濟模型更加貼近現(xiàn)實情況，從而降低投資風險和收益不確定性，需要不斷修正、改進項目建設方案的評價標準。因此，在該項目所提出的包含加權(quán)度電成本評價指標的評價體系中，嘗試對以往評價體系中存在的上述2個方面的不足進行了調(diào)整。

2 加權(quán)度電成本評價指標

在本項目提出的加權(quán)度電成本評價指標中，除了主要的工程經(jīng)濟內(nèi)容外，還包含了國際金融、法律、政策性導向等約束內(nèi)容。由于這部分內(nèi)容具有較強的特殊性，為了便于分析，本文對此進行了必要的簡化。

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

投資方總折現(xiàn)付款金額CNOP的計算公式為：

式中，n為光伏電站的生命周期，年；i為項目開始后生命周期內(nèi)的第i年；Ci為項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年的建設成本，美元；COMi為光伏電站生命周期內(nèi)第i年的運維成本，美元。

預計的總加權(quán)發(fā)電量EWNOP的計算公式為：

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；PHa為光伏電站生命周期內(nèi)第i年的總發(fā)電小時數(shù)，h；Et為第t小時并網(wǎng)點計量表記錄的總上網(wǎng)電量，MWh；EtBESS為第t小時電池儲能系統(tǒng)計量表記錄的電池儲能系統(tǒng)上網(wǎng)電量，MWh；WFs為電池儲能系統(tǒng)上網(wǎng)電量的分時電價權(quán)重，取值為5.7；WFt為第t小時光伏發(fā)電系統(tǒng)上網(wǎng)電量的分時電價權(quán)重，WFt的取值如表1所示。

表1 光伏發(fā)電系統(tǒng)上網(wǎng)電量的分時電價權(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量原理圖，如圖1所示。圖中只設置了并網(wǎng)點計量表和電池儲能系統(tǒng)計量表，其計量值分別為Et和EtBESS。

圖1 光伏電站的電力接入與計量原理圖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種情況進行考慮：

1)如果在t時段并網(wǎng)點計量表記錄的總上網(wǎng)電量Et大于電池儲能系統(tǒng)上網(wǎng)電量EtBESS，即Et>EtBESS，則說明光伏發(fā)電系統(tǒng)在這個時段一定生產(chǎn)了全部或部分上網(wǎng)電量。因此，此種情況下t時段的上網(wǎng)電量應分別考慮光伏發(fā)電系統(tǒng)上網(wǎng)電量及其分時電價權(quán)重，以及電池儲能系統(tǒng)的上網(wǎng)電量及其分時電價權(quán)重。

2)如果在t時段為Et≤EtBESS，則說明并網(wǎng)點計量表記錄的總上網(wǎng)電量Et全部由電池儲能系統(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，只需要考慮電池儲能系統(tǒng)的上網(wǎng)電量及其分時電價權(quán)重即可。

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

對于此項目的招標，承諾能夠?qū)崿F(xiàn)最低WLEC的競標方案即為最佳競標方案。

3 光伏電站規(guī)劃設計時值得考慮的問題

當前，在不考慮電力產(chǎn)品的時間價值(分時電價權(quán)重)情況下，對于類似光伏電站的規(guī)劃設計已經(jīng)有了一定的理論方法和研究。比如文獻[4]討論了在嚴格限制光伏電站并網(wǎng)點交流側(cè)輸出容量、而對直流側(cè)裝機容量不做約束的情況下，根據(jù)技術(shù)與市場因素適當估算預期的上網(wǎng)電量、建設成本與運維成本，進行直流側(cè)裝機容量優(yōu)化設計的思路。但對于加權(quán)度電成本評價指標的使用，使光伏電站在規(guī)劃設計時面臨的技術(shù)問題變得更加復雜，最值得關(guān)注的幾個技術(shù)問題主要為上網(wǎng)電量的精確分時預測、光伏陣列的設計原則、電池儲能系統(tǒng)的容量設計、雙面發(fā)電技術(shù)的應用、加權(quán)度電成本評價指標的進一步完善，下文針對這5個技術(shù)問題進行詳細探討。

3.1 上網(wǎng)電量的精確分時預測

加權(quán)度電成本要求將項目全生命周期內(nèi)的分時輸出進行盡可能精確的預估，而不是僅估算年發(fā)電量或項目全生命周期的總發(fā)電量。但這超出了當前國際和國內(nèi)相關(guān)設計規(guī)范的設計要求，技術(shù)難度相當大。因此在光伏電站的規(guī)劃設計過程中，需要對項目所在地的太陽能資源、氣象情況、地理環(huán)境數(shù)據(jù)進行精確的研究分析。比如，在中東沙漠地區(qū)，每日上午和下午的溫差可能會達到20～30 ℃，在標準太陽輻射條件下，僅光伏組件的功率溫度系數(shù)就可能導致光伏組件的直流輸出功率偏差在7%以上。

3.2 光伏陣列的設計原則

在常規(guī)光伏發(fā)電項目的設計規(guī)劃中，通常光伏陣列的設計原則是基于其年發(fā)電量最大的優(yōu)化方法進行的。比如，在光伏陣列的設計中，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)度電成本評價指標下，夏季與冬季同一時段的價格權(quán)重差異達到了1.77倍和1.60倍；即使同一日不同時段的價格權(quán)重差異也達到了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段光伏電站發(fā)電量的提高，采用比常規(guī)設計中最佳安裝傾角更低的傾角有利于夏季時光伏電站發(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優(yōu)勢在于可以在有限的建設區(qū)域內(nèi)布設更多的光伏組件，有助于提升光伏電站的直流裝機規(guī)模，從而提高光伏電站預期發(fā)電量，增加方案的競爭力。因此，在光伏電站的規(guī)劃設計中，有必要結(jié)合給定的上網(wǎng)電量的分時電價權(quán)重，多方案比較后合理設計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，是否也應該嚴格遵循以南北方向為軸向的布置方式，可能需要更多的理論與實踐數(shù)據(jù)才能得到正確的解答。

3.3 電池儲能系統(tǒng)的容量設計

電池儲能系統(tǒng)上網(wǎng)電量的分時電價權(quán)重大幅高于光伏發(fā)電系統(tǒng)上網(wǎng)電量的分時電價權(quán)重(為2.47～5.70倍) ，其經(jīng)濟性收益主要來自于針對光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率的削峰填谷。電池儲能系統(tǒng)的工作原理及主要設計參數(shù)如圖2所示。

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

顯然，從圖2中可以看出，電池儲能系統(tǒng)所存儲的電能來自于光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率大于電網(wǎng)限制功率時段的超量部分的電能。因此，在進行電池儲能系統(tǒng)的容量設計時，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能系統(tǒng)功率變換單元(PCS)額定功率的設計依據(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能系統(tǒng)電池存儲容量的設計依據(jù)。

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

3.4 雙面發(fā)電技術(shù)的應用

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。但是針對項目環(huán)境所涉及的地面反射率及地面反射率對光伏發(fā)電量提升的研究還不夠深刻。比如，地面反射率的評估與測定、地面反射率的季節(jié)性變化、光伏發(fā)電項目長期運行對于地面反射率的影響(由于光伏組件遮擋導致的地面溫度、蒸發(fā)量等因素對于植被的影響)，以及維護地面反射率對光伏發(fā)電項目運維成本產(chǎn)生的影響等。目前，雙面光伏組件對于光伏發(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)度電成本評價指標分析的數(shù)據(jù)還不夠充分。

3.5 加權(quán)度電成本評價指標的進一步完善

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

1)需要合理選擇上網(wǎng)電量的分時電價權(quán)重。由于不同國家或地區(qū)的能源結(jié)構(gòu)、社會需求、環(huán)境資源存在差異，實際實行的分時電價有著顯著的地域性和時效性。在光伏電站的規(guī)劃設計中，需要科學、合理地針對項目所在地的各種自然、社會、技術(shù)、經(jīng)濟、政策特點來設置權(quán)重，才能達到預期的目的。

2)需要充分利用電池儲能系統(tǒng)的功能。該評價標準中假設了電池儲能系統(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能系統(tǒng)的功能。

3)在制定加權(quán)度電成本評價指標時，需要明確電池儲能系統(tǒng)的調(diào)度規(guī)則，否則，可能出現(xiàn)完全違背指標制定者初衷的情況。比如，假定預測某日光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量較小，不會受到電網(wǎng)限制功率的限制，按照這一假定，光伏電站運維方是不需要利用電池儲能系統(tǒng)的功能的。但實際上，運維方為了獲得更好的經(jīng)濟效益，會傾向于“利用電池儲能系統(tǒng)存儲峰時電能，留待平時輸出上網(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立電力工程(IPP)項目招標為背景，對加權(quán)度電成本評價指標進行了介紹與初步分析，并針對按照此評價標準要求進行光伏電站規(guī)劃設計的過程中需要重點關(guān)注的技術(shù)性問題進行了探討。加權(quán)度電成本評價指標根據(jù)光伏電站總上網(wǎng)電量的生產(chǎn)時間及來源給出了不同的價值權(quán)重，從而為項目的技術(shù)與經(jīng)濟價值評價提供了新的思路，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)劃設計開拓了視野。