考慮碳交易和綠證交易制度的電力批發(fā)市場(chǎng)能源優(yōu)化
姚軍
1,2
, 何姣
3,4
, 吳永飛
1
, 嚴(yán)彩霞
3
（1. 長(zhǎng)沙理工大學(xué) 經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004; 2. 國(guó)家電網(wǎng)公司財(cái)務(wù)資產(chǎn)部，北京 100031; 3. 湖南理工學(xué)院 經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，湖南 岳陽 414000; 4. 湖南大學(xué) 工商管理學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410082）
摘要：
在分析碳市場(chǎng)和綠證市場(chǎng)區(qū)別及對(duì)電力批發(fā)市場(chǎng)影響機(jī)理的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了考慮碳交易和綠證交易制度的電力批發(fā)市場(chǎng)能源優(yōu)化模型，并進(jìn)行數(shù)值仿真分析。結(jié)果表明，碳交易與綠證交易制度協(xié)調(diào)對(duì)于優(yōu)化電源結(jié)構(gòu)、促進(jìn)電力行業(yè)碳減排具有積極作用。在碳排放總量目標(biāo)下存在一個(gè)滿足各發(fā)電商總利潤(rùn)最大化的最優(yōu)碳配額和綠證比例組合。
姚軍, 何姣, 吳永飛, 等. 考慮碳交易和綠證交易制度的電力批發(fā)市場(chǎng)能源優(yōu)化[J]. 中國(guó)電力, 2022, 55(8): 190-195.
YAO Jun, HE Jiao, WU Yongfei, et al. Energy optimization of electricity wholesale market considering carbon emissions trading and green power certificate trading mechanism[J]. Electric Power, 2022, 55(8): 190-195.
近年來，一些發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)針對(duì)電力行業(yè)制定了一系列碳減排組合機(jī)制
[1]
。其中，碳排放權(quán)交易（簡(jiǎn)稱碳交易）和綠色電力證書交易（簡(jiǎn)稱綠證交易）制度組合已經(jīng)在美國(guó)、加拿大、英國(guó)、日本以及歐盟等國(guó)家和地區(qū)廣泛應(yīng)用，并對(duì)推動(dòng)清潔低碳發(fā)揮了重要作用
[2]
。在碳交易和綠證交易制度雙重約束下，如何合理確定最優(yōu)碳配額系數(shù)和綠證比例組合，從而實(shí)現(xiàn)電力行業(yè)碳減排目標(biāo)，確保區(qū)域內(nèi)發(fā)電商利益，是亟待解決的問題。
目前，國(guó)內(nèi)外主要集中于單一碳交易或綠證交易制度下電力市場(chǎng)均衡問題研究。文獻(xiàn)[3-7]構(gòu)建了電力市場(chǎng)均衡模型，分析了發(fā)電商的策略性行為。文獻(xiàn)[8-9]采用可計(jì)算一般均衡模型（computable general equilibrium，CGE）、雙重差分模型（differences-in-differences，DID）、合成控制法（synthetic control method，SCM）等評(píng)估了碳交易政策。文獻(xiàn)[10-11]運(yùn)用電力市場(chǎng)均衡模型、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型等分析綠證交易制度對(duì)電力市場(chǎng)的影響。文獻(xiàn)[12]分析了碳交易機(jī)制與可再生能源支持政策相互作用對(duì)電力市場(chǎng)的影響。文獻(xiàn)[13]考慮了可再生能源補(bǔ)貼政策對(duì)電力市場(chǎng)的影響，構(gòu)建了發(fā)電商利潤(rùn)最大化為目標(biāo)的決策模型。文獻(xiàn)[14]分析了碳市場(chǎng)、綠證市場(chǎng)以及電力市場(chǎng)的相互作用關(guān)系，但僅定性說明了碳市場(chǎng)和綠色市場(chǎng)對(duì)發(fā)電企業(yè)發(fā)電決策的影響。文獻(xiàn)[15]將碳交易和綠色證書交易機(jī)制引入到發(fā)電權(quán)交易模型中，構(gòu)建了基于區(qū)域凈利潤(rùn)最大化的發(fā)電權(quán)交易模型，但沒有考慮不同電源之間的發(fā)電權(quán)交易。
綜上，本文構(gòu)建了考慮碳交易和綠證交易制度的電力批發(fā)市場(chǎng)能源優(yōu)化模型，分析了不同碳配額系數(shù)和綠證比例組合下發(fā)電機(jī)組發(fā)電量和碳排放量的敏感性變化，以及碳排放總量目標(biāo)下各發(fā)電機(jī)組發(fā)電量、碳配額系數(shù)和綠證比例，為實(shí)現(xiàn)碳減排目標(biāo)提供了有價(jià)值的參考。
從目前中國(guó)碳交易與綠證交易制度來看，碳市場(chǎng)及綠證市場(chǎng)制度的總體設(shè)計(jì)思路都是以總量控制為目標(biāo)，在一個(gè)設(shè)定好的總量目標(biāo)之下，再繼續(xù)向下細(xì)化碳配額或綠證比例。2種制度所形成的市場(chǎng)均有助于促進(jìn)電力行業(yè)的低碳減排。但是市場(chǎng)之間存在差異，具體區(qū)別如表1所示。
Table 1 Differences between the two markets
在碳市場(chǎng)中，管制機(jī)構(gòu)首先設(shè)定區(qū)域范圍內(nèi)的碳排放總量目標(biāo)，然后根據(jù)總量目標(biāo)采用基準(zhǔn)線法核定不同發(fā)電機(jī)組單位發(fā)電量的碳排放初始配額。在基準(zhǔn)線交易體系下，不同碳排放強(qiáng)度發(fā)電機(jī)組獲得的免費(fèi)碳配額總量會(huì)隨著自身發(fā)電量的變化而變化。在不考慮發(fā)電機(jī)組自身發(fā)電邊際成本的情況下，當(dāng)發(fā)電機(jī)組單位發(fā)電量的實(shí)際碳排放量大于管制機(jī)構(gòu)核定的配額基準(zhǔn)線時(shí)，該高排放機(jī)組需要在碳市場(chǎng)中買入對(duì)應(yīng)自身發(fā)電量的碳排放配額，以滿足管制機(jī)構(gòu)配額考核要求。相反，當(dāng)發(fā)電機(jī)組單位發(fā)電量的實(shí)際碳排放量小于管制機(jī)構(gòu)核定的碳排放初始配額上限時(shí)，低排放機(jī)組可將對(duì)應(yīng)自身電量的富余碳配額在碳市場(chǎng)中售出從而獲得收益。
在綠證市場(chǎng)中，管制機(jī)構(gòu)首先按照一定的規(guī)則核定出各地區(qū)需承擔(dān)的非水可再生能源電量消納比例。可再生能源發(fā)電商發(fā)出的全部為非水可再生能源電量，獲得綠證，可售出綠證從而獲得收益。
在發(fā)電行業(yè)同時(shí)實(shí)施碳交易和綠證交易制度后，不同類型發(fā)電機(jī)組既要參與電力市場(chǎng)交易，同時(shí)還要考慮管制機(jī)構(gòu)對(duì)碳配額系數(shù)和綠證比例的分配方案。在市場(chǎng)作用下，區(qū)域范圍內(nèi)不同類型發(fā)電機(jī)組需要根據(jù)管制機(jī)構(gòu)對(duì)碳市場(chǎng)和綠證市場(chǎng)的具體方案、發(fā)電類型、發(fā)電成本、碳排放強(qiáng)度等因素進(jìn)行綜合決策
[16-18]
。
2.1 基本假設(shè)
在構(gòu)建考慮碳交易和綠證交易制度的電力批發(fā)市場(chǎng)能源優(yōu)化模型時(shí)，提出5個(gè)基本假設(shè)。
（1）碳交易配額分配方式上執(zhí)行全部免費(fèi)分配，采用單位電量基準(zhǔn)線法
[19]
。綠證不考慮發(fā)電技術(shù)差異性，風(fēng)、光發(fā)電量所能兌換的綠證量相同。碳配額與綠證不能進(jìn)行轉(zhuǎn)換或抵消，并且不可以進(jìn)行跨期交易。
（2）電力市場(chǎng)中有
g
個(gè)發(fā)電商，包含火力發(fā)電商
m
個(gè)，可再生能源發(fā)電商
n
個(gè)。
q
h,
i
為火力發(fā)電商
i
的發(fā)電量，
q
r,
j
為可再生能源發(fā)電商
j
的發(fā)電量，則電力市場(chǎng)總發(fā)電量
Q
為
（3）各發(fā)電商的發(fā)電成本為二次函數(shù)，即
式中：
q
k
為第
k
個(gè)發(fā)電商的實(shí)際發(fā)電量；
α
k
、
β
k
、
γ
k
分別為第 k 個(gè)發(fā)電商的成本參數(shù)；
C
k
為第
k
個(gè)發(fā)電商的發(fā)電成本。
可再生能源發(fā)電具有強(qiáng)烈的間歇性和波動(dòng)性，其需要投入比火力發(fā)電更多的運(yùn)維和旋轉(zhuǎn)備用成本。本文假設(shè)不同技術(shù)類型常規(guī)火力發(fā)電機(jī)組的發(fā)電邊際成本始終要低于可再生能源發(fā)電邊際成本
[20]
。
（4）電力批發(fā)市場(chǎng)中電力供需始終處于平衡狀態(tài)，電力批發(fā)價(jià)格與電力總需求量之間滿足線性函數(shù)關(guān)系。電力批發(fā)價(jià)格
p
e
的逆需求函數(shù)可以表示為
式中：
A
、
B
分別為批發(fā)價(jià)格系數(shù)，且均大于0。
（5）碳交易價(jià)格由市場(chǎng)供求關(guān)系決定，滿足的線性函數(shù)關(guān)系為
[21]
式中：
為碳交易價(jià)格；
a
、
b
均為大于0的常量；
e
h,
i
為第
i
個(gè)火力發(fā)電商的實(shí)際碳排放量；
為管制機(jī)構(gòu)確定的區(qū)域范圍內(nèi)免費(fèi)碳配額上限。
同樣地，假設(shè)綠證交易價(jià)格由市場(chǎng)供求關(guān)系決定，并且滿足如下函數(shù)關(guān)系式
[22-23]
。
式中：
ρ
為綠證交易價(jià)格；
ξ
、
τ
分別為大于零的常量；
λ
為各發(fā)電商須義務(wù)完成的可再生能源發(fā)電量比例。
由于第
i
個(gè)火力發(fā)電商發(fā)出的是非可再生能源電量，故該發(fā)電商需購(gòu)買數(shù)量為
λ
的綠證以滿足政府配額考核要求。第
j
個(gè)可再生能源發(fā)電商將數(shù)量為 (1?
λ
)
q
r
,
j
的綠證在綠證市場(chǎng)上售出。
在綜合考慮碳交易和綠證交易制度后，由于火力發(fā)電商和可再生能源發(fā)電商發(fā)電成本、碳交易和綠證交易成本上存在差異，故不同類型發(fā)電商的凈收益函數(shù)并不相同。
火力發(fā)電商的凈收益主要包括發(fā)電凈收益、買入碳配額支付的成本或賣出碳配額獲得的收益、支持綠色電力發(fā)展的費(fèi)用。第
i
個(gè)火力發(fā)電商自身凈收益函數(shù)
R
h
,
i
為
式中：
為第
i
個(gè)火力發(fā)電商實(shí)際買入或賣出碳配額的數(shù)量；
C
h,
i
為第
i
個(gè)火力發(fā)電商的發(fā)電成本。
可再生能源發(fā)電商除了在電力市場(chǎng)中獲得一部分發(fā)電收益外，還能在綠證市場(chǎng)中售出一部分綠證獲得收益。第
j
個(gè)可再生能源發(fā)電商的凈收
益
R
r
,
j
為
式中：
為第
j
個(gè)可再生能源發(fā)電商實(shí)際賣出的綠證數(shù)量；
C
r
,
j
為第
j
個(gè)可再生能源發(fā)電商的發(fā)電成本。
從發(fā)電資源合理配置的角度，需要實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)各發(fā)電商總收益最大化來確定發(fā)電商的上網(wǎng)電量
[24-25]
。區(qū)域內(nèi)各發(fā)電商總收益
R
為
在考慮碳交易和綠證交易制度雙重約束下，各發(fā)電商總收益最大化函數(shù)受到5個(gè)約束條件，具體如下。
（1）火力發(fā)電商實(shí)際買入或賣出的碳配額量不超過自身需要買入或能夠賣出的碳配額量；
（2）各火力發(fā)電商實(shí)際碳排放總量不超過管制機(jī)構(gòu)規(guī)定的免費(fèi)碳配額上限；
（3）各火力發(fā)電商實(shí)際買入或賣出碳配額之和等于0；
（4）可再生能源發(fā)電商實(shí)際售出的綠證數(shù)量不超過自身可供售出的綠證數(shù)量上限；
（5）單位時(shí)間內(nèi)各發(fā)電機(jī)組自身發(fā)電量上、下限約束，min
q
h,
i
、 min
q
r,
j
、 max
q
h,
i
、 max
q
r,
j
分別為第
i
個(gè)火力發(fā)電商和第
j
個(gè)可再生能源發(fā)電商的最小和最大發(fā)電量。
假設(shè)電力批發(fā)市場(chǎng)中共有3家發(fā)電商并且各發(fā)電商僅有一個(gè)發(fā)電機(jī)組。發(fā)電機(jī)組1和2為火力發(fā)電機(jī)組。發(fā)電機(jī)組3為可再生能源發(fā)電機(jī)組。各發(fā)電機(jī)組的相關(guān)技術(shù)經(jīng)濟(jì)參數(shù)可以參考文獻(xiàn)[10]。另外，假設(shè)某時(shí)段電力批發(fā)市場(chǎng)逆需求函數(shù)的參數(shù)
A
=250，
B
=0.07。碳交易價(jià)格逆需求函數(shù)關(guān)系式中的參數(shù)
a
、
b
分別為40、0.05。綠證交易價(jià)格的函數(shù)關(guān)系式中的參數(shù)
ζ
、
τ
分別為300、0.02。單位時(shí)間內(nèi)用戶電力需求特性參數(shù)
Q
取2 000 MW·h。
碳配額系數(shù)與綠證比例變化對(duì)不同類型發(fā)電機(jī)組發(fā)電量影響的敏感性分析如表2所示。從2表中可以看出，在相同綠證比例下，隨著碳配額系數(shù)的縮緊，低排放機(jī)組1和可再生能源機(jī)組3的發(fā)電量逐步增加，而高排放機(jī)組2則逐步減少。在同一碳配額系數(shù)下，隨著綠證比例的增加，可再生能源機(jī)組3的發(fā)電量逐步增加，而機(jī)組1和機(jī)組2的發(fā)電量則逐步減少。
表2 各發(fā)電機(jī)組的發(fā)電量
Table 2 Generating capacity of each generating unit
碳配額系數(shù)和綠證比例組合下碳排放量變化情況如表3所示。從表3中可以看出，在相同綠證比例下，隨著碳配額系數(shù)縮緊即配額值減少，低排放機(jī)組1的碳排放量隨著發(fā)電量增加而增加，而高排放機(jī)組2的碳排放量則相應(yīng)減少，但是碳排放總量水平卻隨著碳配額系數(shù)的縮緊而不斷下降。在相同碳配額系數(shù)下，隨著綠證比例增加，碳排放總量不斷下降。因此，通過合理調(diào)節(jié)碳配額系數(shù)和綠證比例組合使得發(fā)電量由高排放機(jī)組向低排放機(jī)組轉(zhuǎn)移，火力發(fā)電機(jī)組向可再生能源發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)移，從而優(yōu)化電源結(jié)構(gòu)和減少碳排放。
表3 各發(fā)電機(jī)組碳排放量
Table 3 Carbon emissions of each generating unit
本文通過數(shù)值仿真分析了不同碳排放總量目標(biāo)下各發(fā)電機(jī)組的發(fā)電量變化以及碳排放系數(shù)與綠證比例最優(yōu)組合，如表4所示。從表4中可以看出，在不同碳排放總量目標(biāo)下，存在一個(gè)滿足區(qū)域發(fā)電商收益最大化的碳配額系數(shù)和綠證比例最優(yōu)組合。隨著碳排放總量目標(biāo)不斷縮緊，即由700 t逐步調(diào)整到300 t，可再生能源發(fā)電機(jī)組3的發(fā)電量不斷增加，而其他2個(gè)火電機(jī)組則逐步減少發(fā)電量。因此，管制機(jī)構(gòu)縮緊碳排放總量目標(biāo)能夠?qū)崿F(xiàn)電源結(jié)構(gòu)優(yōu)化。
表4 既定碳排放總量目標(biāo)下的發(fā)電量、碳配額系數(shù)和綠證比例
Table 4 Power generation, carbon allowance coefficient and green certificate ratio under the established total carbon emission target
本文構(gòu)建了一個(gè)考慮碳交易和綠證交易制度的電力批發(fā)市場(chǎng)能源優(yōu)化模型，可用于分析不同碳配額系數(shù)和綠證比例組合下不同類型發(fā)電機(jī)組的發(fā)電量和碳排放量變化，確定既定碳排放總量目標(biāo)下各發(fā)電機(jī)組發(fā)電量、配額系數(shù)和綠證比例。通過對(duì)模型進(jìn)行數(shù)值仿真分析得出如下結(jié)論。（1）碳交易與綠證交易制度的協(xié)調(diào)對(duì)實(shí)現(xiàn)區(qū)域范圍內(nèi)電源結(jié)構(gòu)優(yōu)化和實(shí)現(xiàn)電力行業(yè)碳減排具有促進(jìn)作用。（2）在既定碳排放總量目標(biāo)下，存在一個(gè)滿足區(qū)域發(fā)電商收益最大化的碳配額系數(shù)和綠證比例最優(yōu)組合，可指導(dǎo)管制機(jī)構(gòu)進(jìn)行碳配額和綠證比例分配方案的科學(xué)制定。
本文提出的優(yōu)化模型可以在以下2個(gè)方面進(jìn)一步拓展。（1）本文重點(diǎn)從區(qū)域發(fā)電資源配置優(yōu)化的視角構(gòu)建了各發(fā)電商總收益最大化的單目標(biāo)函數(shù)，但隨著電力市場(chǎng)化程度的提高，需要構(gòu)建各發(fā)電商自身利益最大化的多目標(biāo)函數(shù)；（2）本文假設(shè)一定時(shí)間內(nèi)電力總需求是一定的，需要考慮電力需求量在一定時(shí)間內(nèi)隨機(jī)變化的情況。
姚軍（1980—），男，博士，高級(jí)工程師，從事電力經(jīng)濟(jì)研究，E-mail：;
何姣（1986—），男，通信作者，博士，從事電力市場(chǎng)研究，E-mail：.
