光伏發(fā)電工程多目標(biāo)決策分析研究

王懷斌，胡 芳，劉伊雯

(1.龍?jiān)?北京)太陽能技術(shù)有限公司，北京 100034；2.中央財(cái)經(jīng)大學(xué)管理科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100081)

0 引 言

工程項(xiàng)目方案比選是項(xiàng)目前期決策分析的重要任務(wù)之一，往往通過建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析選出最優(yōu)方案。方案比選決策方法包括單目標(biāo)決策及多目標(biāo)決策[1]。單目標(biāo)決策只為解決1個(gè)問題或追求單一指標(biāo)最優(yōu)，決策科學(xué)中各種決策方法基本上都適用于單目標(biāo)決策。多目標(biāo)決策通常具有2個(gè)以上決策目標(biāo)，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)也具有多樣性，是系統(tǒng)性綜合優(yōu)選方案的決策，決策方法包括主成分分析法[2]、德爾菲法、目標(biāo)規(guī)劃法、多目標(biāo)模糊決策法[3]、TOPSIS法[4]、層次分析法[5- 6]、熵權(quán)法[7- 8]，以及將以上方法與其他方法相結(jié)合而衍生出的方法，如層次分析-熵權(quán)法[9]、AHP-TOPSIS法[10]、TOPSIS-RSR法[11]等。

光伏發(fā)電工程的決策目標(biāo)包括裝機(jī)規(guī)模、成本費(fèi)用、經(jīng)濟(jì)效益等，決策者通常僅進(jìn)行單目標(biāo)決策，選擇單目標(biāo)最優(yōu)方案，如追求最大裝機(jī)量、收益率最高、度電成本最低等，無法達(dá)到方案綜合最優(yōu)。為此，本文通過建立光伏發(fā)電工程多維決策指標(biāo)體系，分別采用層次分析法、熵權(quán)法、層次分析-熵權(quán)法，對(duì)光伏發(fā)電工程進(jìn)行多目標(biāo)決策分析，為投資人進(jìn)行光伏發(fā)電工程多目標(biāo)決策，綜合比選最優(yōu)方案提供參考。

1 光伏發(fā)電工程決策指標(biāo)體系建立

將光伏發(fā)電工程評(píng)價(jià)指標(biāo)體系分為規(guī)模型指標(biāo)、成本型指標(biāo)、效益型指標(biāo)3類。規(guī)模型指標(biāo)包括裝機(jī)容量、發(fā)電小時(shí)數(shù)、發(fā)電量；成本型指標(biāo)包括平準(zhǔn)化度電成本、度電投資、投資回收期；效益型指標(biāo)包括內(nèi)部收益率、凈現(xiàn)值。光伏發(fā)電工程評(píng)價(jià)指標(biāo)體系見圖1。

1.1 規(guī)模型指標(biāo)

規(guī)模型指標(biāo)主要包括裝機(jī)容量、發(fā)電小時(shí)數(shù)、發(fā)電量。①裝機(jī)容量。包括直流側(cè)裝機(jī)容量和交流側(cè)裝機(jī)容量，本文采用的是直流側(cè)裝機(jī)容量。②發(fā)電小時(shí)數(shù)。為光伏發(fā)電工程年等效利用小時(shí)數(shù)，通常與太陽能輻射量、光伏組件轉(zhuǎn)換效率、光伏組件傾角及支架間距、系統(tǒng)效率等因素有關(guān)。③發(fā)電量。為裝機(jī)容量與發(fā)電小時(shí)數(shù)的乘積，由于光伏組件衰減導(dǎo)致發(fā)電量逐年下降，故而本文采用的是首年發(fā)電量。

1.2 成本型指標(biāo)

成本型指標(biāo)包括平準(zhǔn)化度電成本、度電投資及投資回收期。①平準(zhǔn)化度電成本(LCOE)。將項(xiàng)目從建設(shè)、投產(chǎn)、棄置全生命周期內(nèi)的成本和發(fā)電量分別逐年折現(xiàn)求和，再計(jì)算得出度電成本(即生命周期內(nèi)的成本現(xiàn)值/生命周期內(nèi)發(fā)電量現(xiàn)值)。②度電投資。為項(xiàng)目總投資除以總發(fā)電量，表示單位電量所耗費(fèi)的投資。③投資回收期。指收回初始投資的年限，是從項(xiàng)目自投資建設(shè)開始，至累計(jì)凈現(xiàn)金流為0所需的時(shí)間。

1.3 效益型指標(biāo)

效益型指標(biāo)包括內(nèi)部收益率及凈現(xiàn)值。①內(nèi)部收益率(IRR)。是凈現(xiàn)值等于0時(shí)的折現(xiàn)率，此時(shí)項(xiàng)目全生命期資金流入現(xiàn)值總額與資金流出現(xiàn)值總額相等。②凈現(xiàn)值(NPV)。是項(xiàng)目評(píng)估中凈現(xiàn)值法的基本指標(biāo)，等于全生命期內(nèi)每年凈現(xiàn)金流的累加現(xiàn)值。

2 決策方法

2.1 層次分析法

層次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)是一種層次權(quán)重決策分析方法，將決策問題的有關(guān)元素分解成目標(biāo)、準(zhǔn)則、方案等層次，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行定性和定量分析[12]。主要步驟如下：

(1)建立層次結(jié)構(gòu)。將決策目標(biāo)、評(píng)價(jià)準(zhǔn)則、行動(dòng)方案按相互關(guān)系分為最高層、中間層和最底層，據(jù)此繪出層次結(jié)構(gòu)模型。

(2)構(gòu)造比較判別矩陣。評(píng)價(jià)者根據(jù)自身知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)，兩兩比較，構(gòu)造出各層次相對(duì)于上一層次的比較判別矩陣。

(3)單層次排序。根據(jù)比較判別矩陣，通過歸一化計(jì)算得出各層次相對(duì)于上一層次的排序權(quán)重。

(4)層次總排序。自上而下將對(duì)應(yīng)各層次權(quán)重相乘，得到最底層(方案層)對(duì)于最高層(目標(biāo)層)的排序權(quán)重。

層次分析法是一種簡潔實(shí)用的、系統(tǒng)性的主觀決策分析方法，僅需少量甚至無需定量數(shù)據(jù)即可。但在指標(biāo)過多時(shí)，一致性檢驗(yàn)可能無法通過，權(quán)重難以確定。

2.2 熵權(quán)法

熵權(quán)法(Entropy Weight Method，EWM)依據(jù)各方案的真實(shí)指標(biāo)值計(jì)算，是一種客觀賦權(quán)方法。在信息論中，熵表示不確定性的量度[13]。熵權(quán)法根據(jù)熵值判斷某個(gè)指標(biāo)的離散程度，信息熵值越小，指標(biāo)的離散程度越大，該指標(biāo)對(duì)綜合評(píng)價(jià)的影響(即權(quán)重)就越大；反之，信息熵值越大，指標(biāo)的離散程度越小，該指標(biāo)對(duì)綜合評(píng)價(jià)的影響(即權(quán)重)就越小。極端情況是某項(xiàng)指標(biāo)的值全部相等，則該指標(biāo)在綜合評(píng)價(jià)中不起作用(權(quán)重為0)[14-15]。主要步驟如下：

(1)根據(jù)各指標(biāo)不同方案的指標(biāo)值建立評(píng)價(jià)指標(biāo)矩陣，分別對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)值進(jìn)行數(shù)歸一化，得到歸一化的評(píng)價(jià)指標(biāo)矩陣。對(duì)于不同指標(biāo)，單位可能不盡相同，可以通過數(shù)據(jù)變換進(jìn)行無量綱化處理，改進(jìn)評(píng)價(jià)指標(biāo)矩陣[8]。針對(duì)異常數(shù)據(jù)(如負(fù)值)，則可通過功效變換法或?qū)＜掖蚍址▽?duì)指標(biāo)值進(jìn)行變換調(diào)整。

(2)采用和法計(jì)算各指標(biāo)下不同方案的比重。

(3)計(jì)算各指標(biāo)的熵值。

(4)計(jì)算各指標(biāo)的熵權(quán)。

2.3 層次分析-熵權(quán)法

層次分析法深入分析復(fù)雜決策問題的本質(zhì)、內(nèi)在關(guān)系及影響因素，將決策思維過程數(shù)學(xué)化，使決策者能夠系統(tǒng)靈活地解決多目標(biāo)決策問題。但由于比較判別矩陣完全是由評(píng)價(jià)者根據(jù)自身知識(shí)經(jīng)驗(yàn)決定的，分析結(jié)果主要受主觀因素的影響，整體過程較為粗糙，定量程度不夠，精度較低[16]。熵權(quán)法則完全基于評(píng)價(jià)指標(biāo)值，根據(jù)客觀數(shù)據(jù)之間的差異程度，確定指標(biāo)權(quán)重，但可能存在重要指標(biāo)值差異程度較小，而獲得較低權(quán)重；不重要指標(biāo)值差異程度較大，而獲得較高權(quán)重的不合理情況。

層次分析-熵權(quán)法(AHP-EWM法)將層次分析法得到的主觀權(quán)重與熵權(quán)法得到的客觀權(quán)重相結(jié)合，得到均衡權(quán)重，突破了層次分析法和熵權(quán)法各自的局限性，是一種主客觀結(jié)合的系統(tǒng)性決策分析方法。通常采用如下公式求解均衡權(quán)重[17]：

(1)

式中，ωi為均衡指標(biāo)權(quán)重；θi為層次分析法計(jì)算求得的指標(biāo)權(quán)重；αi為熵權(quán)法計(jì)算求得的指標(biāo)權(quán)重。

3 實(shí)例分析

選取武漢地區(qū)某光伏項(xiàng)目進(jìn)行實(shí)例分析，該項(xiàng)目場(chǎng)區(qū)土地面積133.33 hm2，按光伏陣列前后排間距7～14 m，步長1 m，分別設(shè)計(jì)了8種方案。各方案指標(biāo)值見表1。分別以單目標(biāo)決策、層次分析法、熵權(quán)法、層次分析-熵權(quán)法，對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行決策分析，確定最優(yōu)方案。

表1 各方案指標(biāo)

3.1 單目標(biāo)決策分析

從單目標(biāo)決策角度出發(fā)，選擇方案1可使裝機(jī)容量、首年發(fā)電量及NPV均為最優(yōu)值，但其他指標(biāo)均為最差值，對(duì)于僅追求規(guī)模的投資人可以選擇此方案。選擇方案5可使IRR、LCOE及投資回收期達(dá)到最優(yōu)值，其他指標(biāo)位于最優(yōu)值與最差值之間，對(duì)于追求高收益率、低度電成本、盡快收回投資的投資人可以選擇此方案。選擇方案8可使首年發(fā)電小時(shí)數(shù)及度電投資最優(yōu)，而裝機(jī)容量、首年發(fā)電量及NPV均為最差值，對(duì)于追求高發(fā)電小時(shí)數(shù)的投資人可以選擇此方案。從以上分析可知，投資人基于單目標(biāo)決策，僅能根據(jù)個(gè)別指標(biāo)最優(yōu)值選擇方案，往往顧此失彼，難以確定綜合最優(yōu)方案。

3.2 多目標(biāo)決策分析

3.2.1 層次分析法計(jì)算權(quán)重

對(duì)準(zhǔn)則層和方案層分別構(gòu)造比較判別矩陣，求得各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重，結(jié)果見表2。

表2 基于層次分析法的指標(biāo)權(quán)重

3.2.2 熵權(quán)法計(jì)算權(quán)重

由于指標(biāo)中存在正向指標(biāo)(效益型指標(biāo)，越大越好)和負(fù)向指標(biāo)(成本型指標(biāo)，越小越好)，對(duì)正向指標(biāo)無需處理；對(duì)于負(fù)向指標(biāo)，取其倒數(shù)將其轉(zhuǎn)換為正向指標(biāo)，修正后的結(jié)果見表3。

表3 修正后的指標(biāo)值

由于各指標(biāo)單位不同，還需對(duì)指標(biāo)值進(jìn)行無量綱化處理，修正后的結(jié)果見表4。

根據(jù)表4計(jì)算得出各指標(biāo)在不同方案的權(quán)重、熵值、熵權(quán)，結(jié)果見表5。

表4 無量綱化指標(biāo)

表5 基于熵權(quán)法的計(jì)算結(jié)果

3.2.3 層次分析-熵權(quán)法計(jì)算權(quán)重

將層次分析法與熵權(quán)法確定的權(quán)重進(jìn)行結(jié)合，得到均衡權(quán)重，見表6。

表6 基于層次分析-熵權(quán)法的指標(biāo)權(quán)重

3.2.4 計(jì)算各方案綜合得分

將歸一化指標(biāo)值矩陣與各方法得到的權(quán)重矩陣相乘，最終得到不同決策方法各方案的綜合得分，見表7。

表7 不同決策方法各方案的綜合得分

各方案在不同方法下的排序結(jié)果，見表8。從表8可知，采用層次分析法和熵權(quán)法的最優(yōu)方案均是方案3；而在單個(gè)指標(biāo)層面，方案3任一指標(biāo)均不是最優(yōu)值；采用層次分析-熵權(quán)法的最優(yōu)方案是方案2。同樣的，在單個(gè)指標(biāo)層面，方案2任一指標(biāo)均不是最優(yōu)值；采用多目標(biāo)決策分析方法，雖然不同方法得到的方案排序結(jié)果不盡相同，但均可以綜合考慮多個(gè)決策目標(biāo)，獲得綜合最優(yōu)方案。

表8 不同決策方法各方案的綜合排序

4 結(jié) 語

為實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏發(fā)電工程方案的綜合比選，本文提出一種包含目標(biāo)層、中間層、基礎(chǔ)指標(biāo)層的光伏發(fā)電工程決策指標(biāo)體系，將評(píng)價(jià)指標(biāo)分為規(guī)模型指標(biāo)、成本型指標(biāo)、效益型指標(biāo)3類，分別以層次分析法、熵權(quán)法、層次分析-熵權(quán)法確定評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重，結(jié)合方案指標(biāo)值，求得各方案綜合得分及排序，得出以下結(jié)論：

(1)投資人基于單目標(biāo)決策，以不同指標(biāo)作為決策標(biāo)準(zhǔn)，可能出現(xiàn)不同的最優(yōu)方案，且僅能根據(jù)個(gè)別指標(biāo)最優(yōu)值選擇方案，往往顧此失彼，難以綜合確定最優(yōu)方案。

(2)層次分析法、熵權(quán)法、層次分析-熵權(quán)法得到的方案排序結(jié)果不盡相同，但均可以綜合考慮多個(gè)決策目標(biāo)，獲得綜合最優(yōu)方案。

(3)層次分析法受主觀因素影響較大，熵權(quán)法則可能存在重要性指標(biāo)權(quán)重過低的情況，而層次分析-熵權(quán)法中和了前面2種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，綜合考慮了主客觀因素，是一種較為合理的方法。

(4)多目標(biāo)決策方法有效克服了單目標(biāo)決策方法的片面性，投資人可結(jié)合自身需求，靈活地調(diào)整并實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電工程多目標(biāo)綜合決策分析。