分布式光伏儲能系統投資收益分析模型的研究

陳 勇 楊 彪 李志斌 龍 濤

（1．湖南紅太陽新能源科技有限公司，湖南 長沙 410205；2．湖南紅太陽光電科技有限公司，湖南 長沙 410205）

0 引言

目前，分布式光伏儲能系統的需求越來越大，但一直沒有合適的方法來測算系統的收益率，因而無法確定企業用電的峰谷價差為多少才能使光伏儲能系統滿足投資收益率要求，同時也無法確定儲能系統的最優配置比例。

分布式光伏系統增加儲能對項目的收益率到底有什么影響？項目配備多大容量的儲能才能使光伏儲能系統投資收益最大化？業主企業用電的峰谷價差為多少才能使光伏儲能系統滿足投資收益率要求？該文通過建立一個投資收益分析模型，將光伏儲能系統投資、系統發電量、企業用電負荷曲線及電價情況、儲能系統的充放電量等收益影響因素通過數學公式表達，計算光伏儲能系統全生命周期的現金流量，運用財務分析理論和測算軟件，得出不同儲能配比下的財務內部收益率（IRR）和財務凈現值（NPV），進而繪制儲能系統容量與收益率、凈現值之間的變化關系曲線，在曲線上可以得到分布式儲能系統的最優配置比例和系統最大收益率，為項目的投資決策提供數據支撐，指導項目投資決策。

1 分布式光伏儲能系統的結構

分布式光伏電站中配備儲能系統，能夠提高系統的穩定性，補償分布式光伏發電的間歇性和隨機性，為用戶提供更穩定可靠的綠色電能。隨著儲能技術的不斷進步和成本逐漸下降，儲能系統在分布式光伏項目中將發揮越來越重要的作用，也是未來能源發展的重要方向。

分布式光伏儲能系統一般由光伏方陣、太陽能逆變器、并網設備、蓄電池組及電池管理裝置BMS、監控及能量管理系統EMS、儲能變流設備和用戶負載等構成[1]。典型分布式光伏儲能系統的結構拓撲如圖1所示。

圖1 分布式光伏儲能系統拓撲圖

2 分布式光伏儲能系統投資收益模型的建立

2.1 儲能系統投資收益的影響因素

影響儲能系統投資收益的影響因素有儲能系統總投資FC、儲能系統充放電容量Q（磷酸鐵鋰電池充放電效率取90%），企業用電電價（尖峰電價PJ、峰值電價PF、平段電價PP和谷段電價PG）、企業尖峰段用電量為QJ、峰值段用電量為QF、平段用電量QP、谷段用電量QG、儲能系統每次更換電芯投資0.25FC，全年儲能有效使用天數為T（取300）。

大工業用電價格一般是PG＜PT＜PP＜PF＜PJ，因此儲能系統設定在谷段充電，尖峰和高峰時段放電，其收益主要來源于峰谷價差。

儲能系統現金流入如下。

式中：CIC為儲能系統現金流入；當0.9Q≤QJ時，儲能系統收益為尖峰段與谷段電價差收益；CIC=0.9Q×PJ×T/1.13。

當QJ＜0.9Q≤QJ+QF時，儲能系統收益為尖峰段和高峰段與谷段電價差收益；CIC=[0.9Q×PJ+（0.9Q-QJ）×PF]×T/1.13。

當QJ+QF＜0.9Q≤QJ+QF+QP時，儲能系統收益為尖峰段、峰段以及平段與谷段電價差收益；CIC=[0.9QJ×PJ+0.9QF×PF+（0.9Q-QJ-QF）×PP]×T/1.13儲能系統現金流出如公式（2）所示。

式中：COC為光伏系統現金流出；儲能系統建設投資可近似計為總投資FC；經營成本主要體現為運維成本=FC×CY；更換電芯成本，分布式儲能主要使用磷酸鐵鋰電池，其充放電次數3000次～5000次計算，更換周期約為6年，每次更換電芯成本費用約為0.25FC。

綜上可得，COC=FC+FC×CY+0.25FC（第6、12、18、24年）。

2.2 分布式光伏儲能系統投資收益分析模型

分布式光伏系統的投資收益分析是以系統建設所需的總投資作為計算基礎，反映系統在整個計算期（建設期和生產運營期）內現金的流入和流出，同時考慮各種稅費后，得出項目稅后凈現金流量及累計凈現金流量，進而通過項目投資現金流量表計算出系統的財務內部收益率（IRR）、財務凈現值（NPV）。

分布式光伏儲能系統是在光伏系統的基礎上增加了儲能系統，用于企業用電的峰谷調節，同時可以補償光伏發電的間歇性和隨機性，使光伏發電曲線與企業用電負荷曲線更好地協同匹配，從而提高整個系統的整體收益[2]。分布式光伏儲能系統既要考慮光伏系統的投資和發電收益，也要考慮儲能系統的峰谷調節收益，根據2.1、2.2節的分析，結合項目投資收益財務測算理論，建立分布式光伏儲能系統的投資收益分析模型如下。

現金流入見公式（3）。

當0.9Q≤QJ時，CI=[An×（1-λ）×PT+An×λ×PZ]/1.13+FG×η+0.9Q×PJ×T/1.13。

當QJ＜0.9Q≤QJ+QF時，CI=[An×（1-λ）×PT+An×λ×PZ]/1.13+FG×η+0.9QJ×PJ+（0.9Q-QJ）×PF]×T/1.13

當QJ+QF＜0.9Q≤QJ+QF+QP時，CI=[An×（1-λ）×PT+An×λ×PZ]/1.13+FG×η+0.9QJ×PJ+（0.9Q-QJ-QF）×PP]×T/1.13

式中：CI為分布式光伏儲能系統現金流入，FG×η為折舊最后一年發生；其余各參數參照2.1、2.2節。

現金流出如公式（4）所示。

式中：CO為光伏儲能系統現金流出；經營成本主要體現為運維成本=（FG+FC）×CY；增值稅（An×（1-λ）×PT+An×λ×PZ）×（1-1/1.13）；0.25分別為儲能系統第6、12、18、24年發生的電芯更換FC費用；銷售稅金及附加=RZ×（城建稅5%+教育附加3%+地方附加2%）；其余各參數參照2.1、2.2節。

根據分布式光伏儲能系統的現金流入和流出，考慮項目的經營成本、折舊和附加稅等因素后，可以對分布式光伏儲能系統的投資收益指標進行測算。

財務內部收益率IRR的表達式見式（5）。

財務凈現值計算公式見式（6）。

動態投資回收期Pt′的表達式見式（7）。

式中：NPV（ic）為在基準收益率時的財務凈現值，t為測算的年限，n為計算期期數（光伏系統一般取25）；ic為設定折現率（一般取行業基準收益率6%）；（CI-CO）t光伏系統第t年現金流量。

綜合上述分析，式（1）～式（5）共同構成了分布式光伏儲能系統的投資收益分析模型，模型的輸入為光伏儲能系統的投資概算、企業用電負荷曲線及用電量統計數據、財務測算相關參數，根據這些輸入數據，可以得出分布式光伏儲能系統投資現金流量表，進而利用財務分析軟件可以很方便地求出系統財務內部收益率（IRR）、財務凈現值（NPV）等財務測算指標，用于指導項目投資決策。

3 案例分析

該文以廣東某分布式光伏儲能項目為例，采用建立的分布式光伏儲能系統投資收益分析模型對其進行投資收益測算，得出其投資決策需要參考的關鍵測算指標，分析各項指標數據與投資規模的關系曲線，從而得出最佳的投資方案。

該項目屋頂可建設2.2 MW分布式光伏系統，光伏系統投資單價為4.0元/Wp，項目地年日照等效小時數為1228h。光伏用電與企業協議電價為0.64元/kWh，當地脫硫煤電價為0.453元/kWh，自發自用比例為85%。

根據用電企業負荷曲線，統計其尖、峰、平、谷用電量和分時段電價，見表1。

表1 企業用電量與電價統計表

項目擬在建設光伏電站的同時，配套建設一定比例的儲能系統，用于企業用電的峰谷調節和電網限電時的用電補充。根據市場詢價，當地儲能系統建設投資約1.6元/Wh，使用磷酸鐵鋰電池，充放電次數約5000次，每6年更換部分電芯，運維費率與光伏系統一致，儲能電池充放電效率按90%計算，尖峰段優先考慮由儲能系統供電，高峰段由光伏系統和儲能系統同時供電，設置儲能在高峰段最大供應1500kWh。

利用上述投資收益測算模型對該項目進行測算，得出儲能系統的容量比例與系統財務凈現值及投資收益率之間的關系曲線如圖2所示。

從圖2可以看出，該項目的儲能配置為0 MWh～0.87 MWh，投資收益率增大，財務凈現值快速上升；在0.87 MWh～2.54 MWh時，收益率隨儲能比例的增大而下降，但財務凈現值繼續上升；超過2.54 MWh時，系統收益率急劇下降，財務凈現值也急劇下降。其原因是儲能系統放電容量（0.9Q）與用戶尖、峰、平的用電量匹配引起的，當儲能系統放電量小于用戶尖峰段用電量時，儲能系統放電量的峰谷差價全是尖峰段與谷段的差價，差價最大，收益高于光伏系統收益率，財務凈現值較快增長；當儲能系統放電量大于尖峰段需電量時，有部分儲能放電量的差價為高峰段與谷段的差價，收益相對低一些，但此時收益率仍然超過行業基準收益率6%，因此財務凈現值繼續增長，但增長速度放緩。同樣，如果儲能系統的放電量超過尖峰段和高峰段，則有部分放電量以平段和谷段差價計算，收益更低。

圖2 全投資收益率與儲能容量關系曲線圖

因此，分布式光伏儲能系統的儲能配置比例應以企業用電負荷曲線和峰谷價差為基礎進行分析測算，得出一個最佳容量配置。如果投資企業資金有限，追求項目投資的最大收益率，該項目應選擇配置0.87 MWh容量的儲能系統，此時系統最大投資收益率為10.51%，對應財務凈現值379萬元（ic=6%）；如果投資企業資金充足，從追求項目獲取最大投資收益的角度，該項目配置2.54 MWh的儲能系統，此時，項目財務凈現值最大為394萬元（ic=6%），對應光伏儲能系統全投資收益率為9.78%。

4 結論

該文對分布式光伏儲能系統建模和數據進行分析，繪制了儲能系統的配置比例與投資收益率及財務凈現值之間的關系曲線，得出了使光伏儲能系統投資收益最大化的儲能配置比例和滿足收益率要求的業主企業用電的最低峰谷價差。然后以廣東某分布式光伏儲能系統為例，采用該文分布式光伏儲能系統投資收益分析模型進行測算，得出了配置0.87 MWh時，系統獲得最大投資收益率10.51%，配置2.54 MWh時，系統獲得最大財務凈現值為394萬元（ic=6%），為項目配置最優的儲能容量提供了數據支撐。

由于全國各地的用電政策和分時段電價各不相同，項目實施企業的用電負荷曲線也各有差異，因此，在采用分布式光伏儲能系統投資收益分析模型前，需要重點分析企業用電負荷曲線，獲取企業日常用電規律和用電電價，為模型輸入相對準確的測算基礎數據，進而利用測算模型，繪制儲能配置比例與投資收益率和財務凈現值的關系曲線，從而得到最佳的儲能配置比例，獲取系統投資的最大收益。