戶用光伏發(fā)電補貼退坡與平價上網(wǎng)的兩階段仿真研究

王 欣，謝文華

（東北電力大學 經(jīng)濟管理學院，吉林 吉林 132000）

0 引言

近年來，分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)相對于大型集中式光伏電站具有輸電成本低、電力損耗小的優(yōu)勢［1］。從2018年的《關(guān)于2018年光伏發(fā)電有關(guān)事項的通知》到《關(guān)于2021年風電、光伏發(fā)電開發(fā)建設(shè)有關(guān)事項的通知》的發(fā)布，明確了光伏發(fā)電的未來發(fā)展要全面擺脫對補貼的依賴，走高質(zhì)量、平價發(fā)展的道路。在光伏補貼急劇退坡、市場化進程不斷提速的形勢下，戶用光伏能否繼續(xù)維持領(lǐng)跑優(yōu)勢，已成為專家學者重點關(guān)注的問題。

國內(nèi)外學者對分布式戶用光伏的補貼政策已有研究。文獻［2］基于系統(tǒng)動力學模擬了不同上網(wǎng)電價補貼退坡力度下，戶用光伏的投資收益率、裝機量及上網(wǎng)電價補貼成本的發(fā)展演化。文獻［3］中運用系統(tǒng)動力學模型，分析了印尼家庭選用屋頂光伏的動態(tài)過程，以檢驗凈計量和凈計費作為政策工具的有效性。文獻［4］基于對補貼政策、上網(wǎng)電價等因素的考量，對光伏余電上網(wǎng)的經(jīng)濟效益進行評估。文獻［5］中通過對澳大利亞家庭光伏發(fā)電的敏感性分析，光伏板成本的下降對光伏發(fā)電量的影響最大，其次是上網(wǎng)電價、可再生能源信貸和家庭電價成本的增加。

綜上所述，已有關(guān)于戶用光伏補貼的研究多是在補貼還存在的背景下，從補貼退坡的力度、補貼方式及光伏發(fā)電的經(jīng)濟性等方面進行探討，鮮有針對補貼制度退出后對戶用光伏發(fā)展趨勢的研究。鑒于此，本文將補貼退坡階段與平價上網(wǎng)階段相結(jié)合構(gòu)建系統(tǒng)動力學模型，對兩階段戶用光伏的裝機量、投資意愿及單位裝機成本的發(fā)展趨勢分別進行預測，以期對我國戶用光伏的發(fā)展提供參考。

1 分布式戶用光伏發(fā)展機理及模型構(gòu)建

系統(tǒng)動力學將系統(tǒng)科學理論與計算機仿真相結(jié)合，對處理高階次復雜時變的系統(tǒng)具有優(yōu)越性。而戶用光伏的發(fā)展存在多種因素相互作用，并且在各時段呈現(xiàn)不同的動態(tài)特性，因此本文選用該方法構(gòu)建戶用光伏發(fā)展演化的兩階段模型并進行定量分析。

1.1 戶用光伏發(fā)展機理

追求收益最大化是居民用戶決定是否對光伏發(fā)電進行投資的中介變量，即用戶的投資意愿主要取決于分布式光伏發(fā)電的投資回報率。而用戶的投資意愿作為模型中的因變量，將進一步影響戶用光伏裝機量，繼而在光伏發(fā)電成本學習率的作用下推動單位裝機成本變化。與此同時，政府對戶用光伏的補貼政策關(guān)系到居民用戶年收益及投資回報率進而與裝機量支路構(gòu)成完整的反饋回路，戶用光伏發(fā)展機理如圖1所示。

圖1 戶用光伏發(fā)展的機理圖Fig.1 Mechanism diagram of residential photovoltaic development

1.2 戶用光伏發(fā)電發(fā)展的系統(tǒng)動力學模型

本文將戶用光伏發(fā)電的發(fā)展分為成本、收益、用戶投資意愿及裝機量增長3個模塊。在成本模塊中，戶用光伏發(fā)電的成本學習率促使其每年的單位裝機成本變化，進而影響由裝機成本及運維成本構(gòu)成的總成本費用；在收益模塊中，根據(jù)每年的總發(fā)電量，結(jié)合選擇全額上網(wǎng)的居民用戶比例及用戶的自用電比例，在不斷降低的全電量補貼及標桿電價的情景下得到每年戶用光伏發(fā)電的收益；在用戶投資意愿及裝機量增長模塊中，戶用光伏發(fā)電的年收益及總成本共同作用得到其投資回報率后，結(jié)合用戶的期望投資回報率得到用戶的投資意愿，其與上一年戶用光伏的裝機量共同確定當年新增的戶用光伏裝機量，裝機量逐年累加的結(jié)果作用于成本與收益2個回路。

本文提出如圖2所示的系統(tǒng)動力學模型。設(shè)累計裝機量、全電量補貼、標桿電價為3個狀態(tài)變量，年新增裝機量、全電量補貼降低、標桿電價降低分別是其對應(yīng)的速率變量；其余變量為輔助變量。根據(jù)所構(gòu)建的系統(tǒng)動力學模型及變量間的作用機理建立各模塊變量方程。

圖2 戶用光伏發(fā)電發(fā)展預測的系統(tǒng)動力學模型Fig.2 A system dynamics model for predicting the development of residential photovoltaic

（1）成本模塊

隨裝機規(guī)模的不斷擴大及技術(shù)進步，光伏發(fā)電系統(tǒng)的裝機成本會持續(xù)下降，下降趨勢用相關(guān)學習效應(yīng)和學習曲線分別為

式中：Cin(t)為第t年的單位裝機成本；Cin為初始單位裝機成本；Y t為第t年的累計裝機容量；Y0為首年的裝機容量；η為經(jīng)驗系數(shù)，根據(jù)所設(shè)定的學習率Lr來計算。

由此得裝機容量為W的系統(tǒng)裝機成本為

維護成本按投資成本的一定比例計算為

式中：CMA()t為第t年的運維成本；λ為運維費率，一般取1%～3%［6］。

因此，戶用光伏系統(tǒng)的總成本為

（2）收益模塊

戶用光伏發(fā)電每年的總收益有“全額上網(wǎng)”模式和“自發(fā)自用，余電上網(wǎng)”模式，2種上網(wǎng)方式的年收益分別為

式中：α為選擇“全額上網(wǎng)”模式的用戶比例；β為選擇“自發(fā)自用，余電上網(wǎng)”的用戶的自用電比例；Q為年總發(fā)電量；PF為全電量補貼的價格；PB為集中式光伏電站上網(wǎng)的標桿電價；PR為居民零售電價；PS為脫硫電價［7—8］。

因此，戶用光伏上網(wǎng)的年總收益為

（3）用戶投資意愿及裝機量增長模塊

由用戶的年收益和系統(tǒng)總成本得到每年的投資回報率［9］為

而用戶的投資意愿取決于實際投資回報率與期望投資回報率ROIE之比，即

每年新增的裝機容量Y t由用戶的安裝意愿與上一年的裝機容量W t-1決定，即

進而根據(jù)每年新增的裝機容量Y t累加得到累計裝機容量YT。

2 模型參數(shù)設(shè)定及可信度測試

2.1 基于改進的兩階段模型參數(shù)調(diào)整

（1）補貼退坡階段

本文選取2018年3類太陽能資源區(qū)中間價區(qū)的標桿電價作為初始標桿電價，即0.65元/kWh。按照2019年、2021年新發(fā)布標桿電價的實際值，確定每年15%的比例進行下調(diào)，得到2019年至2021年模擬的標桿電價分別為0.55元/kWh、0.47元/kWh、0.4元/kWh。由同樣的方法，確定每年的全電量補貼按照55%的下調(diào)比例，得到2019年至2021年的全電量補貼分別為0.17元/kWh、0.08元/kWh、0.03元/kWh。對比2018年至2021年出臺的光伏補貼政策，本文所確定的模擬價格與實際值相接近，比較結(jié)果見表1。

表1 實際標桿電價、補貼電價及其模擬值Table 1 Actual benchmark electricity price、subsidy electricity price and the simulation value元/kWh

（2）平價上網(wǎng)階段

按照所模擬的補貼退坡的趨勢，結(jié)合2021年5月國家能源局出臺的戶用光伏平價上網(wǎng)政策，設(shè)定從2022年起戶用光伏發(fā)電進入平價上網(wǎng)時代，補貼為0，對2022年至2028年戶用光伏發(fā)電的發(fā)展趨勢進行模擬。

2.2 模型參數(shù)設(shè)置及模擬檢驗

本文以2018年為基準年，戶用光伏累計裝機量采用國家能源局發(fā)布的2017年4 GW、2018年6.2 GW、2019年12 GW；脫硫煤電價由2018年我國各省脫硫煤電價求平均值得到為0.376元/kWh；居民零售電價為全國平均電價0.518元/kWh；戶用光伏單位裝機年發(fā)電量根據(jù)2018年全國光伏發(fā)電量和戶用光伏裝機容量占光伏累計裝機容量的比例計算得出，為1 020 kWh/kW；單位裝機成本初值設(shè)為2018年市場平均價格6.5元/W;年運維費率設(shè)定為裝機成本的2%；居民自用電比例初設(shè)為70%；戶用光伏選擇“全額上網(wǎng)”的用戶占比較小，設(shè)為15%；光伏裝機成本降低的學習率介于10%～30%，本文取15%；戶用光伏用戶的期望投資回報率設(shè)為10%［2］［10］，具體模型參數(shù)如表2所示。

表2 模型參數(shù)設(shè)置Table 2 Model parameter setting

將初始參數(shù)值輸入模型進行仿真測試，得到2019年的累計裝機量為11.22 GW，與實際偏差為6.5%；2020年的累計裝機量為16.8 GW，比中國光伏行業(yè)協(xié)會預計的多6 GW左右，偏差也在7%的范圍內(nèi)；并且2019年、2020年的預測單位裝機成本分別為5.65元/W、5.14元/W，與市場平均價格相接近，模型的測試數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)的偏差在可接受的范圍內(nèi)，因此可用于進一步的預測仿真。

3 戶用光伏發(fā)電的兩階段仿真預測

從戶用光伏裝機量預測的總體趨勢如圖3所示，戶用光伏的總裝機量在2020年至2028年呈現(xiàn)穩(wěn)定的增長趨勢，在補貼完全退出時我國戶用光伏裝機總量約為29 GW；進入平價上網(wǎng)階段后，截止到2028年底，累計裝機量預計可達到76 GW左右。

圖3 戶用光伏的累計裝機量預測Fig.3 Prediction of cumulative installed capacity of residential photovoltaic

戶用光伏的年新增裝機量預測如圖4所示，在補貼退坡階段，由于補貼不斷降低，年新增裝機量的增長率也逐漸減小；在進入平價上網(wǎng)階段后，起初2年的年新增裝機量還維持在補貼退坡至平價上網(wǎng)過渡階段6.3 GW左右，而從2025年開始，每年的年新增裝機量分別為7.8 GW、9.2 GW、11.2 GW、14.2 GW，裝機量呈現(xiàn)加速擴張的趨勢，預示著戶用光伏發(fā)電已可以跳脫補貼政策的支撐，由平價上網(wǎng)的適應(yīng)階段過渡至勢頭良好的發(fā)展階段。

圖4 戶用光伏的年新增裝機量預測Fig.4 Prediction of annual new installed capacity of residential photovoltaic

用戶投資意愿曲線如圖5所示，可以看出，補貼退坡階段由于全電量補貼呈現(xiàn)加速遞減狀態(tài)，用戶每年的補貼收益接近減半，其投資意愿呈急劇下滑趨勢。但2020年至2022年用戶光伏的投資意愿分別為1.047、1.028、1.032，從2022年開始，戶用光伏的投資意愿已轉(zhuǎn)入上升狀態(tài)，這是由于2022年單位光伏裝機成本已從2020年的5.14元/W下降到4.53元/W，補貼已遞減到0.02元/kWh，裝機成本的大幅降低足以平抑接近于0的補貼電價，較低的投資成本使用戶僅靠節(jié)電收益與售電收益就可在較短的投資回收期內(nèi)收回成本。用戶的投資意愿在步入平價上網(wǎng)階段后基本呈線性增長的趨勢，2028年底的預測結(jié)果1.265已高于2020年還具有補貼優(yōu)勢時1.047的水平。

圖5 戶用光伏用戶的投資意愿預測Fig.5 Prediction of investment willingness of residential photovoltaic

另外，從光儲發(fā)展的角度看，在現(xiàn)有儲能技術(shù)成本的條件下，峰谷價差在0.75元/kWh以上的地區(qū)才具有開發(fā)此類項目的經(jīng)濟性，當前我國各省居民用電的峰谷價差基本在0.2元/kWh，光儲設(shè)備還不具備投資價值。而國家發(fā)改委在《關(guān)于創(chuàng)新和完善促進綠色發(fā)展價格機制的意見》中已明確要擴大高峰、低谷電價差［11］，并且隨著儲能成本的不斷下降，“十四五”期間將迎來由商業(yè)化初期向規(guī)模化發(fā)展的轉(zhuǎn)變。因此，峰谷價差擴大和儲能成本降低的雙管齊下，將提升居民使用光儲設(shè)備的意愿，在保障電能質(zhì)量的同時規(guī)避峰時高電價。光儲模式的發(fā)展將為戶用光伏帶來巨大的市場［12］。

單位裝機成本的預測結(jié)果如圖6所示，其中B為109，單位裝機成本持續(xù)下降，但降低幅度不同。從2020年至2023年底，計算得到每年裝機成本的下降率分別為9.4%、6.8%、5.4%、4.4%，呈現(xiàn)降低趨勢；而從2024年至2028年底，單位裝機成本的下降率基本維持在每年4%左右。分析其原因，在補貼退坡之前，一方面由于規(guī)模效應(yīng)促使光伏成本逐年降低，另一方面，由于補貼政策對光伏發(fā)電的扶持也對裝機成本的降低有一定的貢獻。因此，二者結(jié)合的作用效果要遠高于在平價上網(wǎng)階段僅靠規(guī)模擴張帶來的單位裝機成本下降的幅度。所以在進入平價上網(wǎng)階段后，單位裝機成本的下降率將逐漸趨于穩(wěn)定。由于本文設(shè)定每年55%的全電量補貼下調(diào)比例，2023年初還應(yīng)存在0.006 8元/kWh的全電量補貼，但平價上網(wǎng)階段中2023年初按照0補貼計算，因此兩階段的曲線銜接處略有偏差。

圖6 戶用光伏單位裝機成本的預測Fig.6 Prediction of unit installed cost of residential photovoltaic

4 結(jié)束語

通過對2020年至2028年戶用光伏發(fā)電補貼退坡階段和平價上網(wǎng)階段裝機量、用戶投資意愿及單位裝機成本的模擬預測，得到以下結(jié)果：

（1）從2025年起，戶用光伏的年新增裝機量將呈現(xiàn)加速擴張態(tài)勢，戶用光伏將正式從平價上網(wǎng)的適應(yīng)階段過渡至發(fā)展階段。

（2）戶用光伏投資意愿在2021年底前不斷下降但變化率逐步減小，且從2022年起基本呈線性增長的發(fā)展趨勢。在步入平價上網(wǎng)階段后，2028年居民用戶的投資意愿將高于2020年存在電價補貼時。

（3）戶用光伏的單位裝機成本在2023年之前將減速下降，但從2024年起，每年的下降率基本維持在4%左右。D