新能源发电的经济利益刻画

5.2.1 基本假设与参数设置

1）基本假设

新能源上网会影响电力系统中的各类发电企业、电网企业、用户以及政府等主体的利益。各主体是理性人，追求自身的经济利益最大化。政府代表的是社会利益最大化。各主体的收益与市场上竞争者有关，为方便研究，假设市场上仅一家发电企业和电网企业。

分布式发电场及设备等运行维护由用户而非电网企业进行投资；DG 主要利用新能源发电，包括风力发电、光伏发电、地热及海洋发电等；所发电力优先自用，多余外售，符合并网的技术条件；入网后的整个生命周期都与电网企业进行电力交易。假设发电项目已完成，不考虑发电项目建设的时间。

电网企业负责新能源发电并网投资、设备安装及维护。

2）参数设置

为使各主体的收益具有可比性，本章以某一光伏发电项目作为研究对象，用整个经济寿命周期T来衡量。

设Q为新能源总发电量，每小时发电功率为P；A为新能源上网电量（A≤Q）；D为电能需求量， ep为新能源上网电价，为常规能源上网电价，p为终端零售电价，取终端分类电价的平均值。鉴于中国新能源尚未成为主要电源，其电力供给不影响终端用户效用，故设p、D均为常数。此外，考虑到常规能源发电技术相对成熟，且在电力系统中处于基础性地位，故设为常数，且<eP。

设光伏发电项目的经济寿命周期每一年的收益均相等，若无特别说明，本章中的收益、发电量等均以一年为时间段来确认和计量。

新能源发电成本主要包括机器设备投资费用、发电站运行维护费用、人工费用等。设发电成本函数为

B（Q）＝b0＋b1Q2

其中，b0、b1＞0，b0为固定成本，主要包括装机容量成本、建厂费用和及其设备成本；b1为边际成本变化率，边际成本主要包括机器设备运行及维护费、贷款本金利息、税费（包括所得税、城市建设税和教育税附加）。

新能源发电收入主要包括售电收入、经济补贴以及机会成本收益等。设政府投资以度电补贴方式进行补贴，因此设度电补贴额为Csubsidy。

5.2.2 发电企业经济利益刻画

发电商按照发电用途和规模差异分为分布式和集中型新能源发电，本章将分别对其经济利益进行衡量。

1）DG商净收益

DG 的主要特征是优先自用，多余上网。这里的自用主要是指发电用于满足用户本身的电能需求，并不是发电自身消耗的电能。发电商实际也是用户，设自用比例为，其收益主要包括以下两个方面。

（1）避免从大电网购电的电费支出，主要包括自用部分节约的电费支出，其公式为

ПDG1＝p·D·

（2）向大电网售电所得的收益。在中国，关于DG反向送电的电价p反的计算目前还在研究中，大电网售电所得收入因其发电量小且不稳定，入网交易产生的交易成本通常也较高，其公式为

ПDG2＝p反·D·(1－）

DG所产生的成本主要是设备购置、上网交易成本。因此，DG商的净收益表示为

ПDG＝p·D· p反·D（1－）－B（D）－C并 （5.1）

2）集中型发电商收益

集中型新能源发电是指新能源发电规模化集中开发、远距离外送。相比常规化石能源发电，这部分经济收益主要体现为发电企业投资新能源发电所节约的燃料费用、减排费用以及电源建设投资额等。具体计算模型如下。

（1）发电侧电源收益表示为

R集＝pe ×Q－B (Q) （5.2）

（2）新能源带给常规能源发电的收益。

常规发电企业采用新能源发电，如果新能源主要作为备用装机，按照机会成本收益的思想，则收益主要是减缓新电源建设、避免开停机损失、温室气体减排以及避免的燃料费用。收益Rc表示为

Rc＝R 1t＋R2t＋△Pt＋R3t

式中，R1t——第t年发电公司的电源建设差额效益；R2t——可避免的机组不正常起停费用；

△Pt——因减少温室气体排放而支出成本；R3t——可避免的燃料费用。

式中各参数具体计算模型如下。

①发电侧电源缓建效益表示为

R1t＝

式中，κ——单位机组造价；y——缓建电源经济使用周期。

其中

式中，Pit——第i个用户第t年降低的峰荷可避免峰荷容量；σ——用户同时系数；λ——系统配电损失率；β——厂用电率；α——系统备用容量系数；ι——用户总数。

②可避免开停机损失为

R23t＝fkt nt

式中，fkt——机组开停机损失费用； nt——实施方案后第t年可减少的机组开停机次数。

③温室气体（为简便起见，仅考虑CO2和SO2）减排效益模型为

△Pt＝Pv Aco2＋Pu Aso2

式中，Pv——排放单位CO2所征收的排放费；Pu——排放单位SO2所征收的排放费。

发电公司第t年CO2减排量为

△At,co2＝αcβco2λc b△Wt,b

式中，b——发电煤耗； △Wt,b——第t年减少的发电量，假设减少的发电量由新能源来替代，因此总量约等于新能源发电量，所以 △Wt,b＝Q。ac＝0.65 为煤炭含碳率；βco2＝3.677 为C-CO2转换系数；λc＝0.95为C释放率。同理，SO2排放量为

△At,So2＝αSβSo2λS b△Wt,b

式中，αs＝0.01——煤炭含碳率；βso2＝2——S-SO2转换系数；λs＝0.85——硫释放率（魏玲、杨明皓，2009）。

④可避免的燃料费用为

R3t＝γCcoal Q

式中，γ——标准煤折发电燃煤的折标煤系数；Ccoal——边际燃料的成本，主要包括煤价等。

5.2.3 电网企业经济利益刻画

随着不同形式不同种类的新能源发电并网，电网的收益会受影响。本章主要对集中式和分布式电源并网带给电网企业的收益进行刻画。

1）集中式电源并网

对于大规模集中新能源并网，与常规能源入网，对电网企业产生的收益构成基本相同，主要包括售电利润和输配售成本。可以表示为

Пgrid＝（p－pe＋τ）·Q－C（Q） （5.3）

式中，τ——度电补贴。新能源并网的接入成本函数为C（A）＝c1A2＋c0。其中，c1、c0＞0， c0为固定成本，c1为输配售可变成本系数。接入成本包括电网企业因输配售新能源电力产生的成本，主要包括接入建网成本（如变压器、变电站等一系列配套设施建设）以及电网改造维护和电力销售费用等。

2）分布式电源并网

分布式电源并网打破传统集中供电模式，电网企业的成本收益也发生变化。根据经济学的成本收益原理，电网企业的收益和成本可归纳为：①网损收益。分布式电源离负荷区域较近，接入配网后影响潮流分布，进而影响系统网损量。系统网损量减少能够降低电网企业购电成本。②购电收益。电力短缺时期，若分布式电源电价低于市场电价，电网企业接受 DG电力可避免高价购电成本。③延缓投资收益。分布式电源靠近负荷区域，可减少系统扩容投资支出。④售电收益损失。原先大电网向分布式发电用户供电，现由微网供电，因此电网企业将损失部分售电收益。⑤补贴支出。为鼓励分布式电源在供电不足时多出力，电网企业采取的补贴措施。⑥因接入新能源产生的运营成本。

分布式电源电力交易占电力市场总交易量的比例较小，因此暂不考虑对市场电价的影响。网损收益、高价购电收益、补贴支出与发电实时运行状况有关，以小时为单位来计量。延缓更新投资收益和售电损失收益相对稳定，以年来计算。

1）网损收益

设i时刻负荷端功率缺口为Pi，RE发电功率为P，则电网企业需购电Pi＋Ploss，其中常规电力批发市场购电价为 pe，线损分别为Ploss0i、Plosse。若从煤电批发市场购电需花费（Pi＋Ploss1i）×pe，从集中RE购电需花费（Pi＋Ploss2i）×pe；计算得到第t年电网企业从RE购电取代从批发市场购电产生的网损收益为

Пgrid＝A·（P－pe ）－A·（P－） （5.4）

2）购电收益

电网企业从RE购电获得的收益主要与售电量、批发市场购电价差、市场负荷需求有关，用新能源代替从批发市场购电，则购电带来的收益可表示为有功功率与价差（pe－）的乘积，即Rgrid2i=PDGi·（Pe－）。

将第t年中所有（pe- ）的Rgrid2t相加，则得到电网企业购新能源电力所得收益Rgrid2t。根据Thomas E Hoff、Howard J Wenger等（1996）及Hugo A. Gil、Geza Joos（2008）研究结果：每年pe-的小时数满足典型的电价持续曲线，如图5.1所示。经积分求解得到的第t年电网企业购新能源电所得收益可表示为

Rgrid2t＝PDG·μ·

图5.1 电价持续曲线

其中，Z、β均是待定常数，可通过该地区实时电价数据回归拟合求解得到。hopt为pe-pe的最高小时数，μ为容量系数。

3）延缓投资收益

延缓投资所得收益主要指输配电建设资金因推迟投资所产生的时间价值。延缓价值取决于输配电建设投资额、所需分布式装机容量和电网建设的资金成本。设Cf为（无分布式发电）配电网单位装机的年更新成本，d为电网企业的加权平均资金成本，n为延缓节点f的更新投资时间，因此DG项目整个寿命周期对节点f产生的延缓更新投资收益R3可表示为

TRgrid3t＝A·Cf·

在项目寿命周期内平均分摊，则年均延缓投资收益为

TRgrid3t＝A·Cf·

4）售电损失收益

售电损失程度与DG用户用电量、零售电价和电网企业售电成本有关。无DG时，此部分用户带给电网企业的收益为DDG·（p－pe）。假设DG完全能满足自用，则电网企业损失的收益为

Rgrid4＝Q·（C0－C3 ） （5.7）

5）补贴支出

为鼓励分布式电源多发电，电网企业给予峰荷时段出力的电源以一定的价格补贴。i时刻DG有功功率PDGi超过一定值时，度电补贴X（美元），则电网企业的补贴支出Wi表示为：当PDGi≥P 时，Wi＝（PDGi－P）·X；当PDGi＜P时，Wi＝0。

由于分布式发电有功功率不稳定，则第t年电网企业补贴支出表示为

这里κ为（0，1）二元变量。

6）因接入新能源产生的运营成本

新能源发电如风电、光伏发电具有间歇性、随机性等特点，将对系统潮流控制、辅助服务调用、短路电流控制、电能质量保证等产生负面作用，影响电网安全稳定运行。新能源接入配网，使得配网的某些设备闲置或成为备用。例如，配电变压器和电缆线路常因负荷小而轻载，成了备用设备，导致配电网的成本增加。电网企业需专为新电源入网而安装必要的设备，由此发生的输变电投资和运行维护费用，即接入费。参照国家发展和改革委员会《可再生能源电价附加收入调配暂行办法》中接网费用按线路长度制定的收费标准，设接入费为电网因接入DG发生的全部维护费用。度电接入成本为c，接入线长为s，则第t年投入资金It可表示为

It=A×c×s （5.9）

综上，入网后DG项目在剩余寿命周期内都会对电网企业产生经济效益影响，因此本文刻画DG剩余寿命周期内T带给电网企业的经济效益。将以上分析结果加总，得到电网企业获得的经济效益可表示为

Пgrid＝Rgrid1＋Rgrid2＋Rgrid3－Rgrid4－wgrid5－It （5.10）

式中，R1t——网损收益；R2t——避免高价购电收益；R3t——平均分摊的延缓更新投资收益；R4t——售电损失；Wt——补贴支出；It——因接入DG产生的运营成本。

5.2.4 用户经济利益刻画

电力用户用电行为直接影响电力发输配售，因电网技术、发电技术进步，用户参与新能源电力供给的地位发生变化。一部分用户被动接受新能源电力；一部分用户主动参与新能源发电；一部分用户主动选择使用新能源电力。相应地，本书将用户依次划分为被动接受型、参与发电型和主动使用型三类。

1）被动接受用户利益构成

一般用户无法直接选择所购电力的种类，属于被动接受型。如果终端销售电价不变，则一般用户效用不会发生变化；若终端销售电价分类定价，原先消费常规能源电力，每年电费支出R用11＝－ ×D；现在使用新能源电力R用12＝－ pe×D，则失去了使用常规能源电力的机会，利用边际机会成本理论，则用户的年收益为

R用1＝－（pe－）×D （5.11）

2）参与发电型用户利益构成

用户主动参与新能源发电，成为用户发电自用或外售，也就是用户分布式发电商。因此，收益同分布式发电商，这里不再赘述。

3）主动使用型用户利益

用户根据电源端信息，选择新能源电力作为主要耗能方式。以电动汽车用电为典型，此部分收益主要指汽车消耗汽油转而消耗电能带来的收益。设年出行里程数 Ds、耗油量Loil、油价poil、单位历程耗电量Lev、充电电价pev。

如果电动汽车，主动参与消纳RE，其单辆车利益可以表示为

获得利益为Rev＝Ds×Loil×poil－Ds×Lev×pev （5.12）