[论文解读] Prosumage of solar electricity: tariff design, capacity investments, and power system effects

Claudia Günther, Wolf-Peter Schill+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 23, 2019

Smart Grid Energy Management被引用 4

一句话总结

本研究采用包含产消者代理的电力系统模型，分析德国到2030年零售电价与上网电价设计对居民光伏（PV）及储能电池投资的影响。研究发现，较低的上网电价会减少光伏投资，但对最优电池容量和自用率影响有限；而较高的固定电价部分则同时降低光伏与电池投资，增加家庭对非能源系统成本的贡献——凸显出需通过平衡的电价设计，以支持可再生能源扩张与成本分摊。

ABSTRACT

We analyze how tariff design incentivizes households to invest in residential photovoltaic and battery systems, and explore selected power sector effects. To this end, we apply an open-source power system model featuring prosumage agents to German 2030 scenarios. Results show that lower feed-in tariffs substantially reduce investments in photovoltaics, yet optimal battery sizing and self-generation are relatively robust. With increasing fixed parts of retail tariffs, optimal battery capacities and self-generation are smaller, and households contribute more to non-energy power sector costs. When choosing tariff designs, policy makers should not aim to (dis-)incentivize prosumage as such, but balance effects on renewable capacity expansion and system cost contribution.

研究动机与目标

• 考察零售电价与上网电价结构如何影响家庭投资住宅光伏（PV）与储能电池系统的决策。
• 评估此类政策对可再生能源装机容量扩张、光伏上网峰值水平以及家庭对非能源电力系统成本贡献的影响。
• 评估电价设计是否能在不扭曲产消者激励的前提下，同时支持脱碳目标与公平成本分摊。
• 探讨激励自发电、减轻电网压力与确保电力消费者间公平成本分摊之间的权衡。

提出的方法

• 构建德国电力系统的可计算一般均衡模型，明确将产消者家庭作为独立决策主体建模。
• 通过市场出清机制，将家庭投资决策与日前电力市场出清结果相互关联。
• 使用开源建模工具，模拟在不同上网电价（FIT）、零售电价结构（按量计价与固定部分）及技术成本假设组合下的2030年情景。
• 基于Schmidt等人（2017）的预测校准光伏与储能电池成本，并对保守成本下降路径进行敏感性分析。
• 在不同电价制度下模拟家庭优化行为，包括自用激励与电网接入约束。
• 分析系统层面的成果，如总可再生能源装机容量、峰值上网水平，以及产消者家庭承担的非能源系统成本占比。

实验结果

研究问题

• RQ1 不同上网电价水平如何影响居民光伏投资决策与最优电池容量？
• RQ2 零售电价中固定部分与按量计价部分的比例如何影响家庭自发电与储能电池投资的激励？
• RQ3 不同电价设计对产消者家庭在非能源系统成本（如电网基础设施、可再生能源支持基金）总贡献的影响如何？
• RQ4 能否通过电价设计有效控制光伏上网峰值，而不会显著削弱产消者激励或扭曲投资行为？
• RQ5 电价结构在多大程度上影响产消者行为与系统级需求（如削峰填谷）的一致性？

主要发现

• 较低的上网电价显著抑制光伏投资，因家庭面临系统规模与余电补偿之间的权衡。
• 最优电池容量与自用水平对上网电价变化相对稳健，因其主要受光伏发电与家庭用电时间错配的影响。
• 零售电价中较高的固定部分会降低最优电池容量与自用水平，导致家庭对能源消耗的贡献减少，但对非能源系统成本的贡献上升。
• 固定电价较高的家庭对非能源系统成本（如电网基础设施、可再生能源附加费）贡献更大，可能引发分配不公。
• 实施最高上网电价政策可有效缓解电网峰值拥堵，且不会显著削弱产消者激励，是一种可行的电网缓解机制。
• 高上网电价与提高固定电价部分的组合可同时促进高比例光伏部署，并确保产消者家庭公平分担系统成本，兼顾脱碳目标与财政可持续性。