分布式光伏的共享價(jià)值及其對(duì)配電網(wǎng)影響的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真

張汀薈，謝明成，王蓓蓓，雪田和人

（1.東南大學(xué)電氣工程學(xué)院，江蘇省南京市 210096；2.愛(ài)知工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，愛(ài)知縣豐田市 4700392，日本）

0 引言

隨著能源結(jié)構(gòu)向清潔能源方向不斷發(fā)展，如何更加高效地開發(fā)和利用清潔能源成為了世界各國(guó)關(guān)注的重點(diǎn)。中國(guó)以分布式光伏（photovoltaic，PV）為代表的分布式能源（distributed energy resource，DER）由于具有安裝靈活、資源占用率低、靠近負(fù)荷易于就地消納、清潔環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)［1］，得到快速發(fā)展。

在此背景下，DER的擁有者將不僅是電能生產(chǎn)者也是消費(fèi)者，從而向“產(chǎn)消者（Prosumer）”的身份轉(zhuǎn)變［2］。與此同時(shí)，近幾年上網(wǎng)電價(jià)補(bǔ)貼政策退坡力度逐漸加大，加上大量分布式電源（distributed generator，DG）并網(wǎng)后對(duì)電力系統(tǒng)電能質(zhì)量、電網(wǎng)安全和供電可靠性等方面產(chǎn)生的影響不容忽視，甚至可能產(chǎn)生功率倒送的問(wèn)題［3］，在這種情況下，對(duì)分布式電能采用就地消納的方式更加合適，因此，大量學(xué)者對(duì)電能共享的合理性和有效性進(jìn)行了研究，主要包括電能共享機(jī)制效用評(píng)估［4］、考慮電能共享的優(yōu)化運(yùn)行與調(diào)度［5-6］、社區(qū)微電網(wǎng)的電能共享管理［7-8］、智能建筑群的電能優(yōu)化共享［9］，電能共享的模式逐漸被認(rèn)可和采納。其中，針對(duì)分布式電能的共享問(wèn)題，文獻(xiàn)［1］提出了一種社區(qū)清潔電能的共享機(jī)制，同時(shí)考慮了社區(qū)居民用電經(jīng)濟(jì)性和可再生能源電力消納量。文獻(xiàn)［4］基于多智能體仿真框架研究了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（peer to peer，P2P）電能共享模式，指出電能共享是管理日益增長(zhǎng)的DER接入的有效手段，并且英國(guó)、美國(guó)等國(guó)家也開展了大量的商業(yè)或試點(diǎn)項(xiàng)目。文獻(xiàn)［8］以最小化總用電成本為目標(biāo)函數(shù)，研究了社區(qū)微電網(wǎng)的最優(yōu)電能共享管理方法。文獻(xiàn)［9］以包含風(fēng)電、PV、儲(chǔ)能、電動(dòng)汽車和可控負(fù)荷等多設(shè)備的智能建筑群為研究對(duì)象，考慮了群間和群內(nèi)的電能日前優(yōu)化共享。但是，電能的共享涉及眾多的利益相關(guān)方。DER的擁有者、參與共享的電能供給者和使用者都是直接參與方，同時(shí)可能會(huì)有負(fù)荷聚合商、協(xié)調(diào)管理員這類第三方角色促進(jìn)共享交易。此外，從長(zhǎng)遠(yuǎn)的角度來(lái)看電能的共享最終還可能影響其他用戶從電網(wǎng)中的購(gòu)電，所以配電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商也是DER共享工作的間接利益相關(guān)方。如何在這些參與主體之間進(jìn)行協(xié)調(diào)，從而更好地發(fā)揮共享的價(jià)值，將值得深入研究。為此，本文采用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)（system dynamics，SD）方法構(gòu)建了分布式PV電能共享模型。對(duì)某一工業(yè)園區(qū)進(jìn)行算例分析，從中長(zhǎng)期時(shí)間尺度，對(duì)不同分布式PV安裝率和PV補(bǔ)貼政策退坡背景下進(jìn)行共享的價(jià)值進(jìn)行了模擬仿真；進(jìn)一步探討了以分布式PV為代表的DER大量接入情況下對(duì)配電公司利益的影響，并對(duì)反映在輸配電價(jià)上可能的變化進(jìn)行前瞻性分析。通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果的分析，對(duì)促進(jìn)分布式PV共享模式發(fā)揮最大價(jià)值以及分布式PV合理接入水平等方面提出了參考建議。

1 SD建模原理

SD于1956年由美國(guó)麻省理工學(xué)院的J.W.Forrester教授創(chuàng)立，初期應(yīng)用于工業(yè)企業(yè)管理，如處理生產(chǎn)與員工情況的波動(dòng)、股票和市場(chǎng)增長(zhǎng)的不穩(wěn)定性等問(wèn)題。SD是一種研究多信息和多反饋系統(tǒng)的仿真方法，可以從系統(tǒng)的微觀結(jié)構(gòu)角度分析各因素之間的因果關(guān)系和反饋機(jī)制，模擬預(yù)測(cè)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)變化［10］。一般通過(guò)構(gòu)建內(nèi)部結(jié)構(gòu)流圖并將圖中各種關(guān)系用數(shù)學(xué)模型表示，從而研究復(fù)雜系統(tǒng)隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)演化［11］。

SD是研究處理復(fù)雜系統(tǒng)問(wèn)題的方法。該方法是定性與定量、系統(tǒng)整體思考與分析、綜合與推理相結(jié)合的方法［12］，在解決定性問(wèn)題的效益評(píng)估［13］、復(fù)雜系統(tǒng)形象化分析［14-15］和系統(tǒng)動(dòng)態(tài)效果評(píng)估［16-17］等方面有著一定的成熟運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)。推廣到電力系統(tǒng)領(lǐng)域，SD方法也在需求響應(yīng)資源效益評(píng)估［18］、保底服務(wù)運(yùn)營(yíng)［19］、可再生能源激勵(lì)機(jī)制分析［20］、配電網(wǎng)可持續(xù)發(fā)展能力評(píng)估［21］等方面得到應(yīng)用。

進(jìn)一步分析分布式PV電能共享系統(tǒng)的特點(diǎn)，由于共享價(jià)值受到補(bǔ)貼政策變化、分布式PV安裝率變化等影響，且與各個(gè)因素之間存在較為復(fù)雜的關(guān)系，因此所構(gòu)成的系統(tǒng)是一個(gè)包含多主體的復(fù)雜系統(tǒng)。同時(shí)，分布式PV的接入對(duì)配電網(wǎng)層面影響的傳導(dǎo)機(jī)制是一個(gè)動(dòng)態(tài)的長(zhǎng)期積累和調(diào)整的過(guò)程，其效應(yīng)跟隨時(shí)間而變化。由于SD適合分析政策等影響下的復(fù)雜系統(tǒng)隨時(shí)間的變化趨勢(shì)［22］，既能形象化地展現(xiàn)各復(fù)雜要素的交互關(guān)系，又能采用定性與定量相結(jié)合的方法，對(duì)有多重信息和因果反饋的系統(tǒng)進(jìn)行建模和仿真，并且在處理周期性和長(zhǎng)期性問(wèn)題上具有優(yōu)勢(shì)，因此本文采用SD方法對(duì)分布式PV接入對(duì)配電公司利益、協(xié)調(diào)管理員共享價(jià)值、輸配電價(jià)等方面帶來(lái)的影響進(jìn)行了模擬分析。

2 SD模型構(gòu)建

2.1 因果回路圖

基于SD的建模原理，給出了分布式PV電能共享與配電網(wǎng)層面交互模型的因果回路圖，主要包括園區(qū)用戶模塊、協(xié)調(diào)管理員模塊和輸配電網(wǎng)模塊3個(gè)部分，如圖1所示。

圖1 因果回路圖Fig.1 Causal loop diagram

模型有3條主要的關(guān)系鏈：①分布式PV的安裝率直接關(guān)系著園區(qū)內(nèi)用戶的用電成本，在上網(wǎng)電價(jià)和補(bǔ)貼價(jià)格因素的作用下進(jìn)一步影響著協(xié)調(diào)管理員對(duì)分布式電能共享的價(jià)值作用；②分布式PV的大量并網(wǎng)也會(huì)對(duì)配電網(wǎng)層面的緩建作用、可靠性、電源備用、線損和電網(wǎng)售電量造成影響，進(jìn)而影響配電公司利益；③當(dāng)前階段配電公司的效益會(huì)影響下一階段的輸配電價(jià)水平，最終影響其他用戶的購(gòu)電行為和下一階段決策階段的電網(wǎng)收入。因此，各相關(guān)因素之間存在明顯的因果關(guān)聯(lián)，3條主關(guān)系鏈構(gòu)成的反饋環(huán)路是SD模型的直接呈現(xiàn)方式，SD模型的流程圖如附錄A圖A1所示。

2.2 用戶側(cè)分布式PV擴(kuò)散模型

對(duì)于某一工業(yè)園區(qū)形成的增量配電區(qū)，可以認(rèn)為分布式PV技術(shù)從無(wú)到有的動(dòng)態(tài)普及過(guò)程符合Bass擴(kuò)散模型［23］，與其他新興技術(shù)的發(fā)展過(guò)程相類似，必然會(huì)經(jīng)歷初始期、發(fā)展期和成熟期這3個(gè)發(fā)展階段，呈現(xiàn)S形的增長(zhǎng)趨勢(shì)。在Bass擴(kuò)散模型中有3個(gè)主要變量，即市場(chǎng)潛力、創(chuàng)新系數(shù)和模仿系數(shù)，分別模擬采用者潛量、創(chuàng)新者行為和模仿者追隨行為。文中采用的Bass擴(kuò)散模型有2個(gè)假設(shè)前提：一是不考慮PV重復(fù)安裝的問(wèn)題；二是假設(shè)市場(chǎng)的潛力不隨時(shí)間推移而改變。其Bass擴(kuò)散模型如式（1）所示。

式中：Nadopt為安裝分布式PV的用戶數(shù)；M為市場(chǎng)極限，表示園區(qū)內(nèi)潛在的安裝用戶數(shù)量；p為創(chuàng)新系數(shù)，表示未安裝PV的用戶受設(shè)備普及商的安裝宣傳推廣、政府政策鼓勵(lì)等其他外部因素影響選擇安裝分布式PV的可能性；q為模仿系數(shù)，表示未安裝分布式PV的用戶受到其他使用者影響，選擇安裝分布式PV的可能性；t為時(shí)間變量。

p和q的取值均為0～1，標(biāo)準(zhǔn)Bass曲線的p和q分別取0.03和0.38。園區(qū)內(nèi)分布式PV安裝率f如式（2）所示。

式中：Ntotal為園區(qū)內(nèi)總用戶數(shù)。

2.3 協(xié)調(diào)管理員共享模型

借鑒國(guó)外分布式電能共享的運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)［24］，協(xié)調(diào)管理員作為協(xié)調(diào)用戶之間進(jìn)行電能共享的第三方角色，可以掌握?qǐng)@區(qū)或社區(qū)內(nèi)參與共享的用戶負(fù)荷數(shù)據(jù)、PV安裝量數(shù)據(jù)與PV發(fā)電量數(shù)據(jù)，并通過(guò)將PV擁有者自發(fā)自用后的余量發(fā)電量實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)移給園區(qū)其他用戶使用，以達(dá)到最小化用戶總用電成本的目的。本質(zhì)上，協(xié)調(diào)管理員是將所有用戶及其擁有的分布式PV資源當(dāng)做一個(gè)擁有大型分布式PV的大用戶進(jìn)行管理。協(xié)調(diào)管理員的收入來(lái)源于進(jìn)行電能共享所節(jié)省的電費(fèi)，同時(shí)協(xié)調(diào)管理員可以將這筆費(fèi)用的部分用于激勵(lì)或補(bǔ)償參與者，從而促進(jìn)共享的達(dá)成。

在共享模式下，協(xié)調(diào)管理員對(duì)工業(yè)園區(qū)用戶之間的分布式PV進(jìn)行共享所帶來(lái)的潛在價(jià)值是本文研究的主要內(nèi)容。本文將協(xié)調(diào)管理員的價(jià)值定義為，通過(guò)共享用戶群間多余的PV電能所能實(shí)現(xiàn)的額外電費(fèi)節(jié)省，而不僅僅是用戶通過(guò)安裝分布式PV節(jié)省電費(fèi)。本研究不考慮用戶側(cè)安裝儲(chǔ)能，并且由于PV出力集中在08：00—19：00峰時(shí)段和平時(shí)段，谷時(shí)段幾乎沒(méi)有太陽(yáng)輻射，因此僅考慮峰時(shí)段和平時(shí)段PV的實(shí)時(shí)共享，所有PV的發(fā)電量在滿足自身使用的條件下必須進(jìn)行實(shí)時(shí)共享，如果不進(jìn)行共享就必須上網(wǎng)，即保證實(shí)時(shí)的功率平衡約束。同時(shí)，以PV發(fā)電量和用戶的用電量為依據(jù)將用戶劃分為2類，其中A類用戶負(fù)荷較輕，用電量低于PV發(fā)電量，即負(fù)荷曲線位于PV出力曲線之下，可以滿足“自發(fā)自用、余量上網(wǎng)”的要求；而B類用戶負(fù)荷較重，用電量高于發(fā)電量，除了“自發(fā)自用”外仍然需要從電網(wǎng)購(gòu)電。

此外，本文假設(shè)園區(qū)內(nèi)用戶以零售價(jià)格購(gòu)買到的分布式PV電能和從電網(wǎng)中購(gòu)買的電能是同質(zhì)同價(jià)的。以峰時(shí)段為例，A類用戶和B類用戶在峰時(shí)段電費(fèi)的計(jì)算公式分別如式（3）和式（6）所示。

兩類用戶不共享時(shí)在平時(shí)段的電費(fèi)計(jì)算與峰時(shí)段電費(fèi)的計(jì)算相類似，由此可以計(jì)算得到不采用共享模式時(shí)所有用戶總的電費(fèi)，如式（10）所示，其存量流量圖如附錄A圖A2所示。

假設(shè)工業(yè)園區(qū)中A類用戶比例βA大于0.5，采用共享模式之后，協(xié)調(diào)管理員會(huì)將A類用戶在滿足自發(fā)自用前提下剩余的PV電能實(shí)時(shí)地優(yōu)先供給園區(qū)內(nèi)其他用戶。隨著PV技術(shù)的擴(kuò)散，當(dāng)某一時(shí)刻園區(qū)內(nèi)的PV安裝率為f*時(shí)，所有安裝者的PV發(fā)電量與用電量相等。當(dāng)安裝率繼續(xù)增加至超過(guò)f*時(shí)，用戶群總PV發(fā)電量將超過(guò)總負(fù)荷，共享之后多余的電能將向電網(wǎng)銷售，因此，共享模式下用戶的總用電成本Cshare計(jì)算公式如式（11）所示。

2.4 PV滲透率模型

PV滲透率衡量了園區(qū)內(nèi)用戶安裝分布式PV的發(fā)電量在總用電量中的比重，本文中，系統(tǒng)中某一時(shí)刻滲透率概念定義為：

2.5 配電公司利益模塊

從配電網(wǎng)層面來(lái)看，分布式PV大量接入帶來(lái)的影響有利有弊。本文主要考慮易于量化的5個(gè)指標(biāo)：電網(wǎng)緩建效益、可靠性提高收入、線損減少收益、電源備用增加支出和售電損失。具體的指標(biāo)及考慮因素如表1所示，主要考慮這5個(gè)指標(biāo)對(duì)于配電網(wǎng)新增準(zhǔn)許收入變化的影響，其存量流量圖如附錄A圖A4所示。其中，線損減少收益Rlineloss的計(jì)算公式參考文獻(xiàn)［20］設(shè)置為：

式中：ks/d為分布式PV發(fā)電量與用電量的比值；Kdis為DER等效分布系數(shù)；Q′total為總用電量；ΔPloss為線路損耗。

配電網(wǎng)新增準(zhǔn)許收入變化ΔRtrans的計(jì)算公式如式（22）所示。

式中：Rrel為可靠性提高收益；Rpp為緩建收益；Rca為電源備用支出；Rsale為售電損失。

2.6 輸配電價(jià)計(jì)算模型

本文考慮工業(yè)園區(qū)處于一個(gè)增量配電區(qū)，分布式PV的大量安裝使得用戶從電網(wǎng)中的購(gòu)電量有所下降，因此會(huì)對(duì)輸配電價(jià)造成影響。本文參考文獻(xiàn)［25］構(gòu)建輸配電價(jià)計(jì)算模型，采用準(zhǔn)許收入除以核價(jià)電量的方法核定輸配電價(jià)水平，其中準(zhǔn)許收入包括準(zhǔn)許成本、準(zhǔn)許收益和稅金3個(gè)部分。

式中：λtrans為輸配電價(jià)；Ctransall為準(zhǔn)許收入；Qtotal為核價(jià) 電 量；Ctrans，cost為 準(zhǔn) 許 成 本；Ctrans，income為 準(zhǔn) 許 收 益；Ctrans，tax為稅金；βuse為自發(fā)自用比例。

輸配電價(jià)模塊的存量流量圖如附錄A圖A5所示，主要模擬了DER接入容量增長(zhǎng)、發(fā)電量滲透率提高對(duì)輸配電價(jià)的影響。

SD存量模型如附錄A圖A6所示。各個(gè)模塊中具體變量的含義、方程以及取值參見附錄A表A1至表A7。

3 算例分析

3.1 初始數(shù)據(jù)及參數(shù)設(shè)置

1）用電價(jià)格與PV上網(wǎng)電價(jià)

本算例中設(shè)置的電價(jià)機(jī)制采用廣州市現(xiàn)行的工商業(yè)峰谷電價(jià)［26］，具體的時(shí)段劃分及電價(jià)如附錄A表A8所示，燃煤機(jī)組標(biāo)桿上網(wǎng)電價(jià)設(shè)置為0.453元/（kW·h）。

2）用戶負(fù)荷與PV發(fā)電量數(shù)據(jù)

本算例中，設(shè)置工業(yè)園區(qū)總用戶總數(shù)Ntotal為100，A類用戶比例βA為0.7，B類用戶比例βB為0.3。根據(jù)峰谷電價(jià)時(shí)段的劃分與日負(fù)荷率、日峰谷差率、峰平谷時(shí)段負(fù)載率等負(fù)荷特性指標(biāo)的劃分，其中，A類用戶為某工業(yè)園區(qū)一類迎峰型工業(yè)用戶，在白天呈現(xiàn)出較為明顯的負(fù)荷高峰；B類用戶為一類連續(xù)型工業(yè)用戶，負(fù)荷較為連續(xù)，夜間也保持生產(chǎn)，負(fù)荷較重。A、B類用戶的負(fù)荷數(shù)據(jù)作為已知的輸入數(shù)據(jù)給出，其工作日典型負(fù)荷曲線如附錄A圖A7所示。

對(duì)于園區(qū)內(nèi)用戶所安裝的分布式PV，其單機(jī)容量均假設(shè)為250 kW，基于廣州市峰谷電價(jià)時(shí)段的劃分，分布式PV峰時(shí)段和平時(shí)段的日平均發(fā)電量以及A類、B類用戶峰時(shí)段和平時(shí)段的日平均用電量如表2所示。

表2 分布式PV日平均發(fā)電量以及不同用戶的日平均用電量Table 2 Average daily electricity generation of distributed PVs and average daily electricity consumption of different users

此外，本文使用SD仿真軟件Vensim PLE進(jìn)行模擬仿真，本算例設(shè)置仿真總時(shí)長(zhǎng)為60個(gè)月（5年），仿真步長(zhǎng)為1個(gè)月。

3.2 結(jié)果分析

3.2.1 園區(qū)內(nèi)用戶用電成本與收益變化

圖2給出了5年間園區(qū)內(nèi)用戶用電費(fèi)用以及分布式PV安裝率的變化情況。同時(shí)對(duì)每一年不同安裝率水平下A、B這2類用戶峰時(shí)段和平時(shí)段有無(wú)共享情況下的日總用電費(fèi)用進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果顯示基準(zhǔn)年（對(duì)應(yīng)分布式PV安裝率為0）平時(shí)段的日用電費(fèi)用為5.4萬(wàn)元，用電量較多，故明顯高于峰時(shí)段的用電費(fèi)用（3.2萬(wàn)元）。從第1年開始，隨著分布式PV安裝率的增加，對(duì)比無(wú)共享的情況，進(jìn)行分布式電能的共享均降低了用電成本。第3年時(shí)，由于安裝率已接近70%，園區(qū)內(nèi)總發(fā)電量已大于用電量，共享后的多余電量銷售給電網(wǎng)使得用戶獲得一定收益。

圖2 園區(qū)內(nèi)用戶用電費(fèi)用和分布式PV安裝率Fig.2 Electricity consumption cost of users and installation ratio of distributed PVs in a park

由圖2可以看出，無(wú)共享情況下A類用戶在峰時(shí)段和平時(shí)段會(huì)隨著時(shí)間增加獲得正收入，而B類用戶在峰時(shí)段和平時(shí)段的用電成本雖然一直為正值，但降低的程度大，相對(duì)基準(zhǔn)年分別減少了71.33%和69.49%。這是因?yàn)橄啾菳類用戶，A類用戶呈現(xiàn)出明顯的迎峰特性，08：00—13：00為一個(gè)負(fù)荷高峰期（見附錄A圖A7），所以分布式PV安裝率的提高對(duì)降低峰時(shí)段電費(fèi)作用的效果明顯。但A類用戶的用電量基數(shù)小，所以通過(guò)安裝PV進(jìn)行用電抵償?shù)目臻g有限；而B類用戶用電基數(shù)大，且08：00—19：00間 的 負(fù) 荷 連 續(xù) 性 高（見 附 錄A圖A7），所以PV發(fā)電量將全部用于抵消自身用電需求，這一負(fù)荷的差異性同時(shí)也會(huì)體現(xiàn)在共享模式中。

此外，由于分布式PV的安裝數(shù)量呈現(xiàn)S形的Bass擴(kuò)散趨勢(shì)，初期安裝數(shù)量激增變化明顯，從圖2可以看出第3年園區(qū)內(nèi)的安裝率已達(dá)到82.2%，但后期安裝數(shù)量趨于飽和，基本維持在90%左右。

圖3給出了不同上網(wǎng)補(bǔ)貼價(jià)格下?lián)碛蟹植际絇V的A類用戶進(jìn)行全電量上網(wǎng)（不共享）、自發(fā)自用和余量上網(wǎng)（不共享）以及共享這3種模式的日用電成本和收益對(duì)比，結(jié)果顯示由于PV補(bǔ)貼價(jià)格從0.1元/（kW·h）減少至0元/（kW·h），使得用電與上網(wǎng)的價(jià)差拉大，全電量上網(wǎng)模式下的收益最低（小于315元），在這種情況下用戶更傾向于進(jìn)行自發(fā)自用的補(bǔ)償性消費(fèi)，而不是將PV生產(chǎn)的電能賣給電網(wǎng)，對(duì)比圖3中自發(fā)自用、余量上網(wǎng)和共享這2種模式，可以看出前者的日均收益低于500元，且平價(jià)上網(wǎng)時(shí)的收益銳減至199.67元。而共享后的日均收益高達(dá)705.80元，因此這也驅(qū)動(dòng)了多余電能在用戶間的共享，顯著提高了共享的價(jià)值。

圖3 不同補(bǔ)貼價(jià)格和模式下A類用戶日用電費(fèi)用Fig.3 Daily electricity consumption cost of type A users with different subsidy prices and models

3.2.2 不同上網(wǎng)電價(jià)下協(xié)調(diào)管理員的價(jià)值

通過(guò)分析可知，負(fù)荷水平的差異性以及用電價(jià)格與PV上網(wǎng)電價(jià)的價(jià)差都是影響共享效益的要素。一方面，由于用戶負(fù)荷水平的不同導(dǎo)致安裝分布式PV的效益不同；另一方面，用電價(jià)格與上網(wǎng)電價(jià)的價(jià)差也成為了驅(qū)動(dòng)用戶間共享的一個(gè)重要原因。圖4為共享模式下協(xié)調(diào)管理員價(jià)值變化，可以發(fā)現(xiàn)隨著分布式PV上網(wǎng)補(bǔ)貼價(jià)格逐漸降低，全時(shí)段協(xié)調(diào)管理員價(jià)值、峰時(shí)段協(xié)調(diào)管理員價(jià)值、平時(shí)段協(xié)調(diào)管理員價(jià)值呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)。

圖4 共享模式下協(xié)調(diào)管理員價(jià)值Fig.4 Value of coordination manager in sharing mode

此外，可以發(fā)現(xiàn)共享模式下協(xié)調(diào)管理員價(jià)值的變化呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢(shì)，即存在一個(gè)峰值。從圖4中可以看出，在第25個(gè)月時(shí)（此時(shí)安裝率為44.3%）協(xié)調(diào)管理員價(jià)值達(dá)到最大值，為初始基準(zhǔn)用電成本的16.63%，并且在此安裝率下，協(xié)調(diào)管理員價(jià)值也達(dá)到最高（521萬(wàn)元）。同時(shí)，在用電價(jià)格較高的峰時(shí)段進(jìn)行共享的價(jià)值高達(dá)22%，高于平時(shí)段（見附錄A圖A8）。這也印證了前文所述的第2個(gè)共享驅(qū)動(dòng)要素——價(jià)差，即與平時(shí)段相比，峰時(shí)段的價(jià)差更高，這也使得峰時(shí)段共享的協(xié)調(diào)管理員價(jià)值顯著高于平時(shí)段，共享模式所能發(fā)揮的價(jià)值空間更大。

圖5為園區(qū)內(nèi)總發(fā)電量與需求量及供需差值，可以看出當(dāng)安裝率較低（小于f*）時(shí)，發(fā)電量小于需求量，用電需求很大，此時(shí)協(xié)調(diào)管理員可以協(xié)調(diào)安裝分布式PV的用戶將多余的電能共享給其他用戶來(lái)抵消負(fù)荷高峰時(shí)的消費(fèi)。但是，當(dāng)安裝率較高（大于f*）時(shí)，用戶普遍通過(guò)擁有PV進(jìn)行抵償性消費(fèi)，此時(shí)總發(fā)電量超過(guò)需求量，且供需差值較小，基本維持在36 MW·h，協(xié)調(diào)管理發(fā)揮協(xié)調(diào)共享的空間并不大，因此在總發(fā)電量等于總用電量對(duì)應(yīng)的安裝率f*下，共享的效益最優(yōu)，這也進(jìn)一步解釋了圖4中協(xié)調(diào)管理員價(jià)值存在峰值的原因。

圖5 園區(qū)總發(fā)電量與需求量及供需差值Fig.5 Total power generation and demand in the park and the difference between supply and demand

3.2.3 分布式PV接入對(duì)配電網(wǎng)的影響分析

本算例中設(shè)置平均線損率為6.27%，其他影響數(shù)據(jù)借用文獻(xiàn)［27］數(shù)據(jù)。其中配電公司因減少或延緩電網(wǎng)投資建設(shè)而減少的成本為0.308元/（kW·h），因可靠性提高而減少的成本為0.004元/（kW·h），因 電 源 備 用 費(fèi) 用 增 加 而產(chǎn)生的成本為0.252 1元/（kW·h）。圖6給出了不同影響因素下配電公司新增收入。

圖6 配電公司新增收入Fig.6 New revenue of distribution companies

從圖6可以看出，配電公司在初期享有分布式PV普及帶來(lái)的福利，分布式PV的接入一方面減緩了用戶負(fù)荷對(duì)電網(wǎng)的沖擊，另一方面也實(shí)現(xiàn)了就地消納新能源的目的，此時(shí)網(wǎng)損降低收益、供電可靠性提高收益體現(xiàn)較為明顯，但隨著分布式PV安裝率的提高（如圖6中第25個(gè)月時(shí)），電源備用費(fèi)用的增加（平均斜率為-0.173萬(wàn)元/月）和售電損失（平均斜率為-2.44萬(wàn)元/月）導(dǎo)致配電公司利潤(rùn)流失明顯加快，如從圖6中第12個(gè)月的最高25.2萬(wàn)元，降低至-17.38萬(wàn)元，降低了169%。

同時(shí)，分布式PV接入對(duì)配電網(wǎng)的影響也體現(xiàn)在輸配電價(jià)上，圖7為輸配電價(jià)的變化情況。輸配電價(jià)核算公式中的相關(guān)參數(shù)設(shè)置參照文獻(xiàn)［25］以及某增量配電區(qū)實(shí)際情況按一定比例進(jìn)行折算，具體數(shù)據(jù)見附錄A表A7。分布式PV單位容量月平均發(fā)電量為144.7 kW·h，初始輸電量設(shè)置為810 GW·h，預(yù)測(cè)年用電量增長(zhǎng)率為3.8%。初始輸配電價(jià)為0.195元/（kW·h），以無(wú)分布式PV接入的輸配電價(jià)（見圖7中漸變色平面）作為對(duì)比，可以看出，在初期由于分布式PV的接入給配電網(wǎng)帶來(lái)了正收入（由圖6可見，主要是由于線損和建設(shè)投資的減少），輸配電價(jià)會(huì)有所降低。

圖7 輸配電價(jià)Fig.7 Transmission and distribution tariff

當(dāng)分布式PV的滲透率高于35.35%時(shí)，輸配電價(jià)會(huì)有大幅上升，在第60個(gè)月時(shí)維持在0.47元/（kW·h）的水平，約為初始輸配電價(jià)的22.4倍（由圖7分析可見，主要是由于網(wǎng)損、電源備用支出和售電損失增加），而無(wú)分布式PV接入的情況下輸配電價(jià)將穩(wěn)定在0.2元/（kW·h）左右，平均年增長(zhǎng)率約為3.5%，處于比較合理的區(qū)間。由此可見，分布式PV的大量接入在后期會(huì)對(duì)配電公司造成利益損失，很大一部分用戶會(huì)選擇自主發(fā)電而不購(gòu)買電網(wǎng)供電，由此帶來(lái)輸配電資源利用率的降低，由于輸配電公司屬于公共事業(yè)公司，其監(jiān)管運(yùn)營(yíng)模式迫使其不得不在后續(xù)監(jiān)管周期提出上漲輸配價(jià)格以覆蓋固定資產(chǎn)投資，輸配電價(jià)可能出現(xiàn)報(bào)復(fù)性增長(zhǎng)，因此使得更多用戶減少購(gòu)電而安裝PV，再度導(dǎo)致更多的利益流失和電價(jià)升高，進(jìn)入新一輪的惡性循環(huán)，最終可能導(dǎo)致壟斷的公用事業(yè)公司進(jìn)入死亡螺旋［28-29］。

綜上，PV的安裝者和共享電能者隨著安裝率的提高，其收益呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)，且上網(wǎng)電價(jià)的降低更加有利于提高共享收益；另外2個(gè)利益相關(guān)方，共享協(xié)調(diào)管理員和輸配電公司的收益則不然，會(huì)因?yàn)榘惭b率的變化帶來(lái)收益的很大變化，為保持共享協(xié)調(diào)管理員價(jià)值最大化，以及配電公司利益，建議分布式PV的安裝率保持在35%～45%。

4 結(jié)語(yǔ)

本文搭建了基于分布式PV電能共享的SD模型，從中長(zhǎng)期時(shí)間尺度以及整體協(xié)調(diào)的角度對(duì)PV的接入給協(xié)調(diào)管理員共享價(jià)值和配電公司等利益耦合相關(guān)方，以及輸配電價(jià)帶來(lái)的聯(lián)動(dòng)變化進(jìn)行了模擬仿真，得到了以下結(jié)論。

1）進(jìn)行分布式電能共享所發(fā)揮的價(jià)值受到DER的接入比例、用電價(jià)格、上網(wǎng)電價(jià)與上網(wǎng)補(bǔ)貼價(jià)格等多方面因素影響。

2）對(duì)于PV安裝者和共享電能的使用者而言，其收益與分布式PV安裝率呈正相關(guān)，但對(duì)于其他利益相關(guān)者而言，并不是PV接入越多，共享價(jià)值就越大。如協(xié)調(diào)管理員價(jià)值的峰值出現(xiàn)在園區(qū)（社區(qū)）內(nèi)部剛好滿足總發(fā)電量等于總用電量的分布式PV安裝率下，即存在一個(gè)峰值。

3）從配電公司角度來(lái)看，較低的DG發(fā)電量滲透率下會(huì)有一定的利益增加，由此帶來(lái)輸配電價(jià)會(huì)有小幅降低，但滲透率超過(guò)一定閾值則會(huì)造成輸配電網(wǎng)資產(chǎn)利用率不高帶來(lái)的利益流失和輸配電價(jià)報(bào)復(fù)性大幅增長(zhǎng)，甚至可能陷入死亡螺旋的惡性循環(huán)。

綜上，考慮第三方協(xié)調(diào)管理員的共享促進(jìn)作用，同時(shí)保持輸配電價(jià)平穩(wěn)，避免出現(xiàn)極端高價(jià)，以及保證分布式PV發(fā)電量的滲透率能給配電公司帶來(lái)一定正收入，需要將分布式PV的安裝比例控制在一定的合理區(qū)間，以保證各參與主體的利益平衡，促進(jìn)DER電能共享的可持續(xù)發(fā)展。此外，考慮到協(xié)調(diào)管理員的收益不僅與價(jià)值大小相關(guān)，也受到收益或成本分?jǐn)偟挠绊懀虼嗽诤罄m(xù)的研究中可進(jìn)一步考慮補(bǔ)貼政策退坡下的共享效益分享機(jī)制，以促進(jìn)DER發(fā)展的良性循環(huán)。

附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版（http：//www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx），掃英文摘要后二維碼可以閱讀網(wǎng)絡(luò)全文。