黃守軍，楊 俊，2，陳其安，2，孫 睿，2

(1.重慶大學(xué)經(jīng)濟(jì)與工商管理學(xué)院，重慶 400044；2.重慶大學(xué)能源技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究院，重慶 400044)

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基于風(fēng)險(xiǎn)效益均衡的發(fā)電側(cè)碳排放權(quán)交易差價(jià)合約談判模型

黃守軍1，楊 俊1，2，陳其安1，2，孫 睿1，2

(1.重慶大學(xué)經(jīng)濟(jì)與工商管理學(xué)院，重慶 400044；2.重慶大學(xué)能源技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究院，重慶 400044)

在由排放配額價(jià)格所引發(fā)的發(fā)電側(cè)碳交易所和獨(dú)立發(fā)電企業(yè)之間的排放權(quán)交易矛盾仍未解決的情況下，從理論方面引入排放權(quán)交易差價(jià)合約來規(guī)避發(fā)電企業(yè)的市場(chǎng)力并穩(wěn)定排放配額價(jià)格。在此背景下，對(duì)考慮差價(jià)合約的排放權(quán)交易模式下碳交易所與發(fā)電企業(yè)的利潤(rùn)風(fēng)險(xiǎn)、經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行了測(cè)度，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了二者之間合約談判風(fēng)險(xiǎn)效益均衡模型，并給出了模型最優(yōu)參數(shù)的求解程序，從而促進(jìn)排放權(quán)供應(yīng)與電能生產(chǎn)之間的協(xié)調(diào)與競(jìng)爭(zhēng)型交易機(jī)制的形成。數(shù)值仿真與分析結(jié)果表明，本文所提出的模型可以有效規(guī)避發(fā)電側(cè)排放權(quán)交易價(jià)格波動(dòng)所帶來的風(fēng)險(xiǎn)，且談判雙方面臨的交易風(fēng)險(xiǎn)均與差價(jià)合約初始有效報(bào)價(jià)區(qū)間長(zhǎng)度負(fù)相關(guān)。

電力市場(chǎng)；發(fā)電側(cè)CO2排放權(quán)交易；差價(jià)合約；風(fēng)險(xiǎn)效益均衡；合約談判

1 引言

人類活動(dòng)導(dǎo)致全球氣候變化已是一個(gè)不爭(zhēng)的事實(shí)，氣候變化因關(guān)系到人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，在全球范圍正引起前所未有的重視和關(guān)切[1]。在引起全球氣候變暖的諸多因素中，人類活動(dòng)所排放的溫室氣體不斷增加是最主要原因。溫室氣體主要包括二氧化碳(CO2)、甲烷、氧化亞氮、氫氟碳化物、全氟碳化物、六氟化硫等，在溫室氣體引致的全球氣候變暖效應(yīng)中，CO2的作用高達(dá)77%。因此，減少CO2的排放，是一個(gè)亟待解決的問題，對(duì)于控制溫室效應(yīng)、減緩全球變暖至關(guān)重要。應(yīng)對(duì)氣候變化的核心是減少人類活動(dòng)導(dǎo)致的溫室氣體過度排放，其中主要是能源部門，尤其電力工業(yè)的CO2排放[2]。目前，電力市場(chǎng)化改革面臨的又一大重點(diǎn)問題，就是如何通過市場(chǎng)化手段促進(jìn)本行業(yè)減排目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。CO2排放的外部性和資源的公共產(chǎn)品屬性，決定了無法通過自發(fā)的市場(chǎng)機(jī)制實(shí)現(xiàn)配置，需要引入適度的宏觀調(diào)控，由政府制定必要的制度予以規(guī)范與引導(dǎo)[3]。如何通過合理的制度設(shè)計(jì)，在深入挖掘電力行業(yè)各環(huán)節(jié)碳排放特性與低碳潛力的基礎(chǔ)上，尋找CO2減排成本與效益的均衡，實(shí)現(xiàn)低碳電力與低碳經(jīng)濟(jì)的協(xié)調(diào)發(fā)展，促進(jìn)電力行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，將是未來的重要研究方向之一。

經(jīng)濟(jì)制度具有不可替代的效率作用，且應(yīng)針對(duì)不同情況安排與市場(chǎng)機(jī)制相溝通的不同制度形式。在限制CO2排放中安排有效的經(jīng)濟(jì)制度，即要按“排放者付費(fèi)”、“CO2資源有償使用”原則，建立與市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)相適應(yīng)的利益機(jī)制，將減排問題由政府行為轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N由政府調(diào)控與經(jīng)濟(jì)利益機(jī)制驅(qū)動(dòng)相結(jié)合的市場(chǎng)行為和企業(yè)行為[4]。許多國家和地區(qū)先后啟動(dòng)了相應(yīng)的減排機(jī)制，其中最主要的就是實(shí)施碳排放權(quán)交易。碳排放權(quán)交易是應(yīng)對(duì)氣候變化、實(shí)現(xiàn)低碳化可持續(xù)發(fā)展的重要途徑，而CO2排放權(quán)的合理有效分配又是碳排放權(quán)交易成功實(shí)現(xiàn)減排的關(guān)鍵步驟[5]。按照《京都議定書》的規(guī)定，碳排放權(quán)交易主要包括聯(lián)合履約(JI)、清潔發(fā)展機(jī)制(CDM)和排放權(quán)交易機(jī)制(ETS)3種交易形式[6]。很明顯，CO2排放權(quán)交易將對(duì)其覆蓋到的行業(yè)和領(lǐng)域產(chǎn)生相當(dāng)?shù)挠绊?，這其中就包括了電力工業(yè)。這樣，隨著碳排放權(quán)交易的實(shí)施，可競(jìng)爭(zhēng)市場(chǎng)環(huán)境下發(fā)電企業(yè)的發(fā)電策略也會(huì)出現(xiàn)一些新的變化，并呈現(xiàn)出一些新的特點(diǎn)。碳排放權(quán)交易屬于數(shù)量控制的范疇，在規(guī)定排放配額的前提下，由價(jià)格機(jī)制來決定排放權(quán)在不同經(jīng)濟(jì)主體之間的分配[7]。在排放權(quán)交易中，CO2排放配額動(dòng)態(tài)定價(jià)及其市場(chǎng)表現(xiàn)至關(guān)重要，已有一些文獻(xiàn)報(bào)道了相關(guān)的研究工作，如Benz和Trück等[8-11]。不足的是，所提出的算法缺乏考慮排放交易的實(shí)施監(jiān)督、調(diào)控，以及發(fā)電企業(yè)的潛在理性反應(yīng)，難以保障CO2排放權(quán)的有效配置。

差價(jià)合約(Contract for Difference，CFD)是指市場(chǎng)交易雙方為了規(guī)避現(xiàn)貨交易風(fēng)險(xiǎn)而簽訂的一種中長(zhǎng)期合約，其本質(zhì)是純粹的財(cái)務(wù)合同，而與商品的實(shí)際交割無關(guān)。在差價(jià)合約中，交易雙方在合約中商定一個(gè)交易價(jià)格，當(dāng)現(xiàn)貨市場(chǎng)價(jià)格低于合同價(jià)時(shí)，購買方應(yīng)將少于合約價(jià)的費(fèi)用支付給賣方；如果現(xiàn)貨市場(chǎng)價(jià)格高于合約價(jià)時(shí)，則賣方應(yīng)將多于合約價(jià)的費(fèi)用退還給購買方[12-13]。為了規(guī)避電力市場(chǎng)中的價(jià)格風(fēng)險(xiǎn)或解決電力市場(chǎng)化以前原有的購售電合同，在一些電力市場(chǎng)中采用了差價(jià)合約，如原來的英國電力市場(chǎng)和浙江電力市場(chǎng)。目前，差價(jià)合約已被廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外電力市場(chǎng)交易中[14-17]。在電力差價(jià)合約中，從合同形成的基礎(chǔ)條件看，差價(jià)合約可分為單一購買者和發(fā)電企業(yè)之間簽定的差價(jià)合約(在部分電力市場(chǎng)，稱這種合約為政府授權(quán)差價(jià)合約)和雙方協(xié)商達(dá)成的雙邊差價(jià)合約。在本文下述的研究中，差價(jià)合約特指前者。差價(jià)合約可以由不同的實(shí)現(xiàn)方式，在完全市場(chǎng)環(huán)境下，差價(jià)合約電量所占的比例及合約的敲定價(jià)(Strike Price)是由發(fā)電企業(yè)與單一購買者預(yù)先簽定的，但在我國現(xiàn)階段該指標(biāo)由政府來確定。作為規(guī)避價(jià)格風(fēng)險(xiǎn)的手段，差價(jià)合約的存在肯定會(huì)影響發(fā)電公司的報(bào)價(jià)策略，且不同的差價(jià)合約實(shí)現(xiàn)方式產(chǎn)生的影響也不同。由于差價(jià)合約的價(jià)格是提前確定的，而上網(wǎng)電價(jià)的波動(dòng)又較大，如果差價(jià)合約電量分配率不合理，則不能平衡電網(wǎng)公司和發(fā)電公司的效益和風(fēng)險(xiǎn)[18]。因此在電力市場(chǎng)改革過渡時(shí)期，電力監(jiān)管者如何確定差價(jià)合約電量分配率是一個(gè)值得深入研究的問題。

根據(jù)黨中央、國務(wù)院關(guān)于應(yīng)對(duì)氣候變化工作的總體部署，為落實(shí)“十二五”規(guī)劃關(guān)于逐步建立國內(nèi)碳排放交易市場(chǎng)的要求，推動(dòng)運(yùn)用市場(chǎng)機(jī)制以較低成本實(shí)現(xiàn)2020年我國控制溫室氣體排放行動(dòng)目標(biāo)，加快經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式轉(zhuǎn)變和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級(jí)，經(jīng)綜合考慮并結(jié)合有關(guān)地區(qū)申報(bào)情況和工作基礎(chǔ)，國家發(fā)展和改革委員會(huì)同意北京市、天津市、上海市、重慶市、湖北省、廣東省及深圳市開展碳排放權(quán)交易試點(diǎn)。業(yè)內(nèi)專家表示，開展碳交易能夠通過市場(chǎng)化的手段，使得減排的成本最低化，促使資源流向節(jié)能減排空間最大、機(jī)會(huì)成本最低的地區(qū)和企業(yè)。一方面分擔(dān)發(fā)達(dá)地區(qū)的減排責(zé)任，另一方面發(fā)揮欠發(fā)達(dá)地區(qū)的減排優(yōu)勢(shì)，推動(dòng)各種減排資源的優(yōu)化配置，有利于整體經(jīng)濟(jì)效率的提高。從相關(guān)文獻(xiàn)中可發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有差價(jià)合約的研究對(duì)象僅限于發(fā)電側(cè)與售電側(cè)之間的電量市場(chǎng)，而對(duì)于碳排放權(quán)交易所與發(fā)電企業(yè)之間的發(fā)電側(cè)CO2排放權(quán)市場(chǎng)一直未有研究，而在現(xiàn)實(shí)中這些問題就顯得至關(guān)重要。在低碳約束下，為了降低發(fā)電企業(yè)的排放成本風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)也為保證碳交易所長(zhǎng)期穩(wěn)定的收入，碳排放權(quán)交易所與參與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的發(fā)電企業(yè)之間可以通過遠(yuǎn)期合約的方式規(guī)避市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)、保障交易雙方的利益不受損失。其中，CO2排放權(quán)差價(jià)合約形式簡(jiǎn)單，也易于操作和管理。

碳交易所作為第三方公共交易服務(wù)平臺(tái)，努力利用市場(chǎng)機(jī)制為為企業(yè)進(jìn)行碳排放權(quán)交易提供規(guī)范的、具有信用保證的服務(wù)。本文是在前人對(duì)差價(jià)合約研究成果的基礎(chǔ)上，選擇對(duì)《京都議定書》規(guī)定的ETS交易模式下，碳交易所如何通過對(duì)發(fā)電側(cè)CO2排放權(quán)交易差價(jià)合約的合理設(shè)計(jì)，在深入挖掘電力工業(yè)發(fā)電環(huán)節(jié)碳排放特性與低碳潛力的基礎(chǔ)上，尋找CO2排放風(fēng)險(xiǎn)與效益的均衡控制問題展開研究。但下述方法可拓展到更為復(fù)雜的情形，只是增加了模型分析、求解的數(shù)學(xué)難度。針對(duì)具有差價(jià)合約的發(fā)電側(cè)CO2排放權(quán)市場(chǎng)，在引入風(fēng)險(xiǎn)和效益目標(biāo)下，構(gòu)建了碳交易所與獨(dú)立發(fā)電企業(yè)之間的排放權(quán)交易差價(jià)合約談判風(fēng)險(xiǎn)效益均衡模型。在此基礎(chǔ)上，用數(shù)值仿真與分析對(duì)所發(fā)展的模型和方法的可行性進(jìn)行了測(cè)試，并比較了實(shí)施差價(jià)合約前后，談判雙方利潤(rùn)與風(fēng)險(xiǎn)情況的變化以及初始報(bào)價(jià)策略對(duì)交易雙方風(fēng)險(xiǎn)的影響。期望所得到的相關(guān)結(jié)論能為豐富發(fā)電側(cè)CO2排放權(quán)市場(chǎng)交易形式、規(guī)避市場(chǎng)價(jià)格風(fēng)險(xiǎn)以及協(xié)調(diào)交易雙方之間的利益關(guān)系等方面的科學(xué)決策提供理論依據(jù)。

2 排放權(quán)交易差價(jià)合約

差價(jià)合約隸屬于金融合同，交易雙方根據(jù)合約和現(xiàn)貨市場(chǎng)的實(shí)際情況進(jìn)行結(jié)算，其中差價(jià)合約部分按合約價(jià)格結(jié)算，超出差價(jià)合約部分的按統(tǒng)一市場(chǎng)價(jià)格結(jié)算。在考慮差價(jià)合約的ETS交易模式下，碳交易所與發(fā)電企業(yè)之間的CO2排放權(quán)交易主要在差價(jià)合約市場(chǎng)和現(xiàn)貨市場(chǎng)中進(jìn)行。設(shè)所研究的碳排放權(quán)現(xiàn)貨市場(chǎng)以小時(shí)為單位結(jié)算交易價(jià)格，合約市場(chǎng)實(shí)行每天簽訂一次合約價(jià)格。在CO2交易考察時(shí)區(qū)的任何時(shí)段內(nèi)，參與者實(shí)際上面對(duì)的是相同的博弈，因而可將策略限制在靜態(tài)策略[19]，其均衡為靜態(tài)反饋均衡。

(1)

碳交易所根據(jù)每個(gè)時(shí)段的CO2需求預(yù)測(cè)結(jié)果確定所有獨(dú)立發(fā)電企業(yè)的競(jìng)價(jià)空間，在收到各發(fā)電企業(yè)的排放權(quán)報(bào)價(jià)數(shù)據(jù)后，以此為基礎(chǔ)并對(duì)競(jìng)價(jià)較高的發(fā)電企業(yè)優(yōu)先安排購買計(jì)劃，直至實(shí)現(xiàn)排放權(quán)市場(chǎng)配額總供給函數(shù)曲線和總需求函數(shù)曲線有交點(diǎn)。若沒有交點(diǎn)，則該次交易撮合失敗，交易所要求各發(fā)電企業(yè)重新申報(bào)競(jìng)價(jià)函數(shù)，直至交易撮合成功，形成統(tǒng)一的市場(chǎng)清算配額價(jià)格pct。

式(1)表明，交易所每時(shí)段碳交易收入是由現(xiàn)貨市場(chǎng)結(jié)算與差價(jià)合約市場(chǎng)結(jié)算兩部分組成。其中，現(xiàn)貨市場(chǎng)結(jié)算收入是由現(xiàn)貨市場(chǎng)CO2交易量乘以市場(chǎng)配額價(jià)格形成，而差價(jià)合約市場(chǎng)結(jié)算收入則是由合約配額價(jià)格與市場(chǎng)配額價(jià)格之差乘以合約交易量所形成，其收益情況是不確定的，即可正可負(fù)。引入差價(jià)合約結(jié)算機(jī)制，使得后一部分收入與現(xiàn)貨市場(chǎng)CO2交易價(jià)格的高低形成反比，形成了價(jià)格與收入的對(duì)沖交易：

這種結(jié)算機(jī)制可以平衡碳排放權(quán)交易所與獨(dú)立發(fā)電企業(yè)的利益，規(guī)避CO2配額價(jià)格波動(dòng)給交易雙方帶來的風(fēng)險(xiǎn)。數(shù)學(xué)上，可以將式(1)變形為：

(2)

式(2)說明，交易所每天碳交易收入由合約收入和交易量差結(jié)算收入兩部分組成。其中，合約收入是由合約CO2排放權(quán)交易量乘以合約配額價(jià)格形成，而交易量差結(jié)算收入則是合約以外CO2交易量的收入，即碳交易所在現(xiàn)貨市場(chǎng)上的交易量與合約交易量之差乘以市場(chǎng)配額價(jià)格形成。交易量差結(jié)算收入也是不確定的，其不確定性決定于交易所的實(shí)際CO2交易量：

這樣，就促使交易所盡可能多地增加其與發(fā)電企業(yè)i的CO2排放權(quán)交易量，以使雙方實(shí)際交易量大于合約交易量，即保證交易量差結(jié)算這一部分收入為正，從而獲取更多的交易收入，同時(shí)也提升了CO2排放權(quán)交易市場(chǎng)的可競(jìng)爭(zhēng)性及其競(jìng)爭(zhēng)強(qiáng)度。

盡管本文暫時(shí)不考慮更多其它的控制變量，但這并不意味著其他控制變量對(duì)碳交易所或發(fā)電企業(yè)的排放權(quán)差價(jià)合約決策不重要，而是由于這樣做可能會(huì)卷入十分復(fù)雜的分析，很難找到雙方互動(dòng)的理性的均衡策略。

3 基本模型構(gòu)建

3.1 碳排放權(quán)交易所風(fēng)險(xiǎn)與效益測(cè)度模型

出于一致性的考慮，后文將統(tǒng)一以天為計(jì)算單位進(jìn)行分析。根據(jù)式(2)，可得如下碳交易所每天與發(fā)電企業(yè)i的CO2排放權(quán)交易收入：

(3)

實(shí)踐中，碳交易所在t時(shí)段的交易成本與排放權(quán)交易量qct,i之間有著密切聯(lián)系。對(duì)碳交易所而言，固定成本是一個(gè)常數(shù)，而變動(dòng)成本一般隨著發(fā)放排放配額的增加而增加，且其邊際變化率不斷上升。由此，在本文建立的模型中，可以構(gòu)造碳排放權(quán)交易所的非線性成本函數(shù)。不失一般性，假設(shè)碳交易所的等效CO2交易成本以二次函數(shù)進(jìn)行表達(dá)，且：

(4)

其中，αe,t和βe,t為交易耗量特性參數(shù)，是碳排放權(quán)交易所的私有信息，可用曲線擬合的方法得到；γe,t為固定成本，啟動(dòng)成本在此忽略不計(jì)。

按是否涉及到最終的實(shí)物交割，差價(jià)合約可以分為物理性合約和金融性合約。其中，物理性合約需要進(jìn)行實(shí)物交割，而金融性合約則只需要做金融結(jié)算。以下針對(duì)兩種情況分別構(gòu)造關(guān)于CO2排放權(quán)交易決策變量qct,i的優(yōu)化模型。

1)物理性合約下的優(yōu)化模型：

(5)

(6)

其中，pct為隨機(jī)變量，且pct=(pc1,pc2,…,pc24)T。由上式可見，在物理性合約下，碳排放權(quán)交易所的最優(yōu)CO2交易量受到pct和qcc,i影響。

2)金融性合約下的優(yōu)化模型：

(7)

由其最大化條件得：

(8)

由式(8)可知，在金融性合約下，碳交易所的最優(yōu)CO2配額交易量只受到pct影響。

在金融性差價(jià)合約下，由于均衡碳交易量不受合約排放權(quán)約束，交易雙方勢(shì)必容易出現(xiàn)投機(jī)行為。而正是因?yàn)橥稒C(jī)行為的存在，使得CO2排放權(quán)金融合約市場(chǎng)在起到穩(wěn)定碳排放權(quán)現(xiàn)貨市場(chǎng)價(jià)格的同時(shí)，也產(chǎn)生了較大而且復(fù)雜的風(fēng)險(xiǎn)。為最大程度控制CO2配額交易風(fēng)險(xiǎn)，下面重點(diǎn)研究金融性合約下的碳排放權(quán)交易過程風(fēng)險(xiǎn)測(cè)算和控制方法。

至此，交易所每天與發(fā)電企業(yè)i的最優(yōu)碳配額交易利潤(rùn)可解析表達(dá)為：

(9)

本文將隨機(jī)變量pct下，碳交易所的經(jīng)濟(jì)效益(即單位成本利潤(rùn))定義為交易利潤(rùn)與成本之比的數(shù)學(xué)期望，測(cè)度模型如下：

(10)

式中，E(·)為期望值算子，Ωpct為隨機(jī)向量pct的所屬集合。

風(fēng)險(xiǎn)被認(rèn)為是由于利率、匯率、商品價(jià)格、股票價(jià)格的波動(dòng)而導(dǎo)致的收益偏離期望值或平均值的可能性，因此，風(fēng)險(xiǎn)度量成為金融工程的一個(gè)主要組成部分。在此背景下，構(gòu)建隨機(jī)變量pct下碳交易所的CO2排放權(quán)交易利潤(rùn)風(fēng)險(xiǎn)測(cè)度模型為：

Ve,i(pct,pcc,i,qcc,i)=Pr[χe,i(pcc,i,qcc,i)-πe,i(pct,pcc,i,qcc,i)≥μeχe,i(pcc,i,qcc,i)|pct∈Ωpct]

(11)

其中，Pr(·)表示概率，在[0,1]區(qū)間取值；μe為碳交易所自己定義的風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)，而χe,i(·)為其與發(fā)電企業(yè)i的CO2配額交易利潤(rùn)均值。

為了計(jì)算方便，同時(shí)考慮到標(biāo)準(zhǔn)離差率(Coefficient of Variance)是從相對(duì)量的角度衡量風(fēng)險(xiǎn)的大小，適用于比較預(yù)期收益不同方案的風(fēng)險(xiǎn)程度，從而可以把碳交易所的風(fēng)險(xiǎn)測(cè)度模型近似表示為交易利潤(rùn)標(biāo)準(zhǔn)差與預(yù)期利潤(rùn)的比率，即：

(12)

式中，σπe,i(·)為碳交易所與發(fā)電企業(yè)i之間交易利潤(rùn)的標(biāo)準(zhǔn)差。

3.2 發(fā)電企業(yè)風(fēng)險(xiǎn)與效益測(cè)度模型

在聯(lián)營(yíng)電力交易中，為了規(guī)避電力交易中的價(jià)格風(fēng)險(xiǎn)或解決電力市場(chǎng)化以前原有的購售電合同，在一些電力市場(chǎng)中電網(wǎng)公司與發(fā)電企業(yè)簽訂差價(jià)合約。假設(shè)市場(chǎng)規(guī)則要求發(fā)電企業(yè)全電量競(jìng)價(jià)，且在一個(gè)交易時(shí)段被調(diào)度的發(fā)電量的一定比例按預(yù)先確定的敲定價(jià)結(jié)算，其余按統(tǒng)一的市場(chǎng)清算電價(jià)結(jié)算。

為便于論述，假設(shè)每家發(fā)電企業(yè)只擁有一臺(tái)發(fā)電機(jī)組或一臺(tái)等值發(fā)電機(jī)組，但下文所提出的模型和算法可以推廣到一般情況。在部分電量差價(jià)合約模式下發(fā)電企業(yè)i每天的發(fā)電(被調(diào)度上網(wǎng))收入可以表述為：

(13)

其中，fc,i為每天發(fā)電企業(yè)i被批準(zhǔn)的合約電價(jià)，Qc,i為相應(yīng)的合約電量；ρt為t時(shí)段的市場(chǎng)清算電價(jià)，Qt,i為該時(shí)段發(fā)電企業(yè)i的調(diào)度上網(wǎng)電量，由于交易時(shí)段以小時(shí)為單位，所以也為發(fā)電企業(yè)所屬機(jī)組的發(fā)電出力，這里給定其預(yù)測(cè)估計(jì)值；Qtc,i為電力聯(lián)營(yíng)體分配給發(fā)電企業(yè)i競(jìng)價(jià)時(shí)段t的合約發(fā)電量，且滿足：

(14)

設(shè)發(fā)電企業(yè)i的運(yùn)行成本(不包括CO2排放成本)為發(fā)電量的正比例函數(shù)δsi,tQt,i，其中δsi,t>0為運(yùn)行耗量特性參數(shù)；在電能生產(chǎn)過程中所產(chǎn)生的CO2排放量與發(fā)電線性相關(guān)，記為ηsi,tQt,i，其中ηsi,t為發(fā)電企業(yè)i單位電量的CO2排放因子。

作為初步的研究工作，本文假設(shè)發(fā)電企業(yè)i將根據(jù)現(xiàn)貨電力市場(chǎng)的出清結(jié)果或?qū)ο乱粋€(gè)交易時(shí)段被調(diào)度發(fā)電量的估計(jì)，在電力市場(chǎng)下一個(gè)交易時(shí)段開始之前就在排放權(quán)市場(chǎng)購買超額的CO2配額。這里不考慮發(fā)電企業(yè)在排放權(quán)市場(chǎng)的投機(jī)行為，即：

(15)

(16)

基于此，可以構(gòu)造關(guān)于電力交易決策變量Qt,i的優(yōu)化模型：

(17)

(18)

由此可見，發(fā)電企業(yè)的i均衡上網(wǎng)電量受到ρt和Qtc,i影響，且其最優(yōu)發(fā)電利潤(rùn)可以表達(dá)為：

πs,i(ρt,fc,i,pcc,i,Qtc,i,qcc,i)=

(19)

同理可得，隨機(jī)變量pct下發(fā)電企業(yè)i的經(jīng)濟(jì)效益測(cè)度模型為：

(20)

式中，Ωρt為隨機(jī)向量ρt的所屬集合。

類似于式(12)，構(gòu)建發(fā)電企業(yè)i的電力交易利潤(rùn)風(fēng)險(xiǎn)測(cè)度模型，即：

(21)

其中，χs,i(·)和σπs,i(·)分別為發(fā)電企業(yè)i發(fā)電利潤(rùn)的均值與標(biāo)準(zhǔn)差。

4 合約談判風(fēng)險(xiǎn)效益均衡模型

在低碳環(huán)境下，交易所在排放權(quán)交易過程中采用差價(jià)合約的市場(chǎng)模式，可以達(dá)到抑制發(fā)電企業(yè)的市場(chǎng)力，穩(wěn)定CO2配額價(jià)格的作用，因此這是規(guī)避碳價(jià)風(fēng)險(xiǎn)的一種比較好的方式。但從監(jiān)管的角度考慮，排放權(quán)價(jià)格的波動(dòng)和交易需求量的不確定性都是不可控的，而差價(jià)合約碳量分配率是可控的。若合約量占比過高，不利于競(jìng)爭(zhēng)型CO2交易機(jī)制的形成與發(fā)揮，排放權(quán)配置效益也得不到提高；而合約量占比過低，則容易引起部分發(fā)電企業(yè)運(yùn)用市場(chǎng)力操縱排放權(quán)交易市場(chǎng)，壓低CO2配額價(jià)格。因此，如果運(yùn)用不當(dāng)，效果也不會(huì)很理想。如何確定碳交易的合約價(jià)格與合約量，促進(jìn)排放權(quán)供應(yīng)與電能生產(chǎn)之間的協(xié)調(diào)，是本文需要討論解決的一個(gè)關(guān)鍵問題。

一般而言，期望經(jīng)濟(jì)效益隨著風(fēng)險(xiǎn)的增加而增加，風(fēng)險(xiǎn)越大，要求得到的經(jīng)濟(jì)效益就越高；風(fēng)險(xiǎn)越小，要求得到的經(jīng)濟(jì)效益就越低。這符合經(jīng)濟(jì)效益-風(fēng)險(xiǎn)正相關(guān)性的客觀規(guī)律。但是二者的增長(zhǎng)速度并不同步，僅從任一的角度來衡量市場(chǎng)參與主體的公平與否還不是很合理[18]。隨著差價(jià)合約碳量分配率的增大，交易所所面臨的風(fēng)險(xiǎn)越來越小，發(fā)電企業(yè)i卻因?yàn)槠洳荒苄惺故袌?chǎng)力以及電價(jià)的波動(dòng)而使其面臨越來越大的風(fēng)險(xiǎn)。因此，碳交易所的單位風(fēng)險(xiǎn)效益是遞減的，而發(fā)電企業(yè)i的單位風(fēng)險(xiǎn)效益是遞增的，二者之間必然存在一個(gè)均衡點(diǎn)；反之，則相反。

本文在現(xiàn)有文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)CO2排放權(quán)交易差價(jià)合約談判設(shè)計(jì)問題展開研究。為了更全面地體現(xiàn)排放權(quán)市場(chǎng)主體的平等地位，由微觀經(jīng)濟(jì)學(xué)中的邊際效用原理可知，若使差價(jià)合約雙方的風(fēng)險(xiǎn)與經(jīng)濟(jì)效益均衡，其標(biāo)準(zhǔn)是使發(fā)電企業(yè)i的單位經(jīng)濟(jì)效益所帶來的風(fēng)險(xiǎn)與碳交易所的單位經(jīng)濟(jì)效益所帶來的風(fēng)險(xiǎn)相等。但考慮到二者經(jīng)濟(jì)屬性以及市場(chǎng)職能的不同，實(shí)際上很難形成嚴(yán)格意義上的均衡。因此，本文將以碳交易所與發(fā)電企業(yè)i之間單位風(fēng)險(xiǎn)效益差最小作為雙方談判的目標(biāo)函數(shù)，同時(shí)考慮到各自能夠承擔(dān)的最大風(fēng)險(xiǎn)和期望的最小單位成本利潤(rùn)，建立以下合約談判均衡模型[22]：

(22)

可以看出，上述優(yōu)化問題是一個(gè)有約束的非線性隨機(jī)優(yōu)化問題，用常規(guī)的解析方法難以求解。針對(duì)此優(yōu)化問題的特點(diǎn)，本文初步提出采用如下談判求解程序：

以上CO2排放權(quán)交易差價(jià)合約優(yōu)化設(shè)計(jì)顯然滿足參與約束和激勵(lì)相容約束，因?yàn)樵诒疚臋C(jī)制下，碳交易所的目標(biāo)必須在保證獨(dú)立發(fā)電企業(yè)單位風(fēng)險(xiǎn)效益最大化的基礎(chǔ)之上才能夠?qū)崿F(xiàn)。

5 數(shù)值仿真與分析

由于計(jì)算和證明結(jié)果比較復(fù)雜，很難直接利用模型對(duì)所設(shè)計(jì)的排放權(quán)差價(jià)合約前后的市場(chǎng)狀態(tài)與談判雙方效益與風(fēng)險(xiǎn)水平進(jìn)行比較，為更形象地描述差價(jià)合約談判對(duì)CO2交易決策的影響程度，本節(jié)設(shè)計(jì)一個(gè)算例對(duì)結(jié)果進(jìn)行數(shù)值模擬。

設(shè)在某一排放權(quán)交易市場(chǎng)中，碳交易所作為單一銷售者向獨(dú)立的發(fā)電企業(yè)發(fā)放CO2配額，并兼有市場(chǎng)調(diào)度的職能。在本文的背景下，交易所和參與該市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)的多家發(fā)電企業(yè)進(jìn)行排放權(quán)交易的差價(jià)合約談判。所涉及的市場(chǎng)交易周期為現(xiàn)貨市場(chǎng)每小時(shí)結(jié)算一次交易價(jià)格，而合約市場(chǎng)每天簽訂一次合約價(jià)格。碳交易所的CO2交易成本參數(shù)分別為0.5元/t2、11.2元/t以及240元；所研究的發(fā)電企業(yè)i邊際運(yùn)行成本為35元/MW，允許的最大時(shí)段CO2交易量為50t，所屬機(jī)組出力范圍為[30,100]MW，最大運(yùn)行時(shí)間為20小時(shí)/天，啟動(dòng)成本為1800元。給定發(fā)電企業(yè)i被批準(zhǔn)的合約電價(jià)為355元/MW，合約電量為1600MW·h/天，其余電量均在現(xiàn)貨市場(chǎng)進(jìn)行交易。在合約談判中，假設(shè)初始排放權(quán)免費(fèi)分配為18t/小時(shí)，碳交易所與發(fā)電企業(yè)i能夠承受的最大風(fēng)險(xiǎn)值為15%，最小成本利潤(rùn)率為10%。

在受到一些突發(fā)事件的沖擊下，CO2排放配額價(jià)格存在各種可能的波動(dòng)過程，比如短期的價(jià)格波動(dòng)、長(zhǎng)期的價(jià)格漂移(變化)以及新政策公布或?qū)嵤┖笠鸬膬r(jià)格跳躍等，而這次都會(huì)引起電價(jià)出現(xiàn)非連續(xù)性變化?？紤]到在市場(chǎng)條件下，CO2短期價(jià)格會(huì)有波動(dòng)，但其通常是一個(gè)均值回復(fù)過程(Mean-Reverting Process)，這一般不會(huì)影響投資決策，因此在后面發(fā)展的模型中忽略了這種短期變化。基于Dixit和Pindyck[24]所提出的不確定性價(jià)格模型，采用幾何布朗運(yùn)動(dòng)模型附加隨機(jī)變化過程描述CO2價(jià)格的動(dòng)態(tài)變化，設(shè)在某一新的限制溫室氣體排放政策或機(jī)制出現(xiàn)后的特定時(shí)區(qū)，碳交易價(jià)格服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布，且期望值與標(biāo)準(zhǔn)差分別為120元/t、8元/t。與此同時(shí)，根據(jù)張富強(qiáng)和周浩[25]對(duì)我國浙江電力市場(chǎng)電價(jià)的研究，當(dāng)負(fù)荷很小、供求關(guān)系較寬松的情況下，上網(wǎng)電價(jià)近似服從正態(tài)分布。這里假設(shè)市場(chǎng)清算電價(jià)服從均值為415元/MW、標(biāo)準(zhǔn)差為35元/MW的正態(tài)分布。

為了直觀體現(xiàn)上述差價(jià)合約談判設(shè)計(jì)滿足參與約束和激勵(lì)相容約束，假設(shè)在此之前碳交易所與發(fā)電企業(yè)i之間的CO2配額交易沒有采用差價(jià)合約談判形式，則排放權(quán)交易將集中在現(xiàn)貨市場(chǎng)完成。表1給出了實(shí)施差價(jià)合約談判前后雙方的交易利潤(rùn)和風(fēng)險(xiǎn)對(duì)比情況。

表1 排放權(quán)差價(jià)合約前后談判雙方利潤(rùn)與風(fēng)險(xiǎn)比較

由上表可知，在CO2排放配額交易價(jià)格和總量控制不變的情況下，采用差價(jià)合約后碳交易所每天源自發(fā)電企業(yè)i的交易利潤(rùn)增加了5.471萬元，相對(duì)比實(shí)施差價(jià)合約前提高了17.84%；而與此相應(yīng)，發(fā)電企業(yè)i的CO2排放成本增大，每天的發(fā)電利潤(rùn)減小，相對(duì)實(shí)施差價(jià)合約前降低了7.84%。在碳排放權(quán)交易市場(chǎng)化的環(huán)境下，交易所利潤(rùn)的增加會(huì)提高其參與差價(jià)合約交易的積極性。從風(fēng)險(xiǎn)值的角度看，采用差價(jià)合約談判后，碳交易所和發(fā)電企業(yè)i面臨的風(fēng)險(xiǎn)均有明顯下降，這說明差價(jià)合約可以有效規(guī)避CO2交易中市場(chǎng)價(jià)格波動(dòng)給買賣雙方帶來的交易風(fēng)險(xiǎn)。與此同時(shí)，在排放權(quán)差價(jià)合約談判過程中，可以證明參與雙方的初始有效報(bào)價(jià)策略對(duì)均衡模型的優(yōu)化過程與結(jié)果具有重要影響。表2列出了不同報(bào)價(jià)區(qū)間下碳交易所與發(fā)電企業(yè)i的風(fēng)險(xiǎn)比較結(jié)果。

表2 初始合約報(bào)價(jià)策略對(duì)交易雙方風(fēng)險(xiǎn)的影響

從表2可以看出，以CO2排放配額初始報(bào)價(jià)區(qū)間[240,360]元/t為基礎(chǔ)，隨著報(bào)價(jià)區(qū)間長(zhǎng)度的縮小，碳交易所和發(fā)電企業(yè)i的交易風(fēng)險(xiǎn)均逐漸增大。而如果談判雙方的初始報(bào)價(jià)區(qū)間過短，則會(huì)影響差價(jià)合約談判的優(yōu)化空間，甚至造成全局最優(yōu)解很難尋找到，或者說根本就不存在。因此，在考慮交易風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí)，碳交易所和發(fā)電企業(yè)i需要在充分權(quán)衡各自的預(yù)期交易與發(fā)電收入及其成本投入后提交合理的初始報(bào)價(jià)數(shù)據(jù)。在現(xiàn)實(shí)中，這是決定CO2排放權(quán)差價(jià)合約談判風(fēng)險(xiǎn)控制與決策優(yōu)化的一個(gè)重要因素。

另外，本文雖然只是分析了具有兩個(gè)控制變量的動(dòng)態(tài)差價(jià)合約模型，但它很容易被發(fā)展成為包括市場(chǎng)主體的風(fēng)險(xiǎn)偏好、電網(wǎng)公司排放監(jiān)管以及發(fā)電企業(yè)減排競(jìng)爭(zhēng)等因素的復(fù)雜的談判模型。因此，本文的研究結(jié)果有助于對(duì)這些更復(fù)雜的模型進(jìn)行深入的理論分析，為高層管理者的理性決策提供更有力的理論支持。

6 結(jié)語

CO2排放配額價(jià)格、電力市場(chǎng)價(jià)格以及談判雙方的合約碳量與價(jià)格的不確定性共同影響著發(fā)電側(cè)碳交易所和發(fā)電企業(yè)的排放權(quán)交易風(fēng)險(xiǎn)。電力結(jié)算、排放配額及其合約價(jià)格上漲，排放權(quán)合約量下跌，均可以增大談判雙方的CO2交易風(fēng)險(xiǎn)。本文在風(fēng)險(xiǎn)和效益約束條件下提出了碳交易所和發(fā)電企業(yè)之間的排放權(quán)交易差價(jià)合約談判均衡模型，對(duì)交易雙方的差價(jià)合約排放量和價(jià)格進(jìn)行了優(yōu)化分析。通過數(shù)值仿真與分析發(fā)現(xiàn)：1)在CO2排放配額價(jià)格和交易總量不變的情況下，差價(jià)合約的實(shí)施可以規(guī)避價(jià)格波動(dòng)給買賣雙方帶來的風(fēng)險(xiǎn)，并且有利于增加碳交易所的利潤(rùn)，提高其參與差價(jià)合約交易的積極性；2)在以CO2排放權(quán)和電力市場(chǎng)價(jià)格為參考的基礎(chǔ)上，談判雙方面臨的交易利潤(rùn)風(fēng)險(xiǎn)均與初始有效報(bào)價(jià)區(qū)間長(zhǎng)度負(fù)相關(guān)，碳交易所和發(fā)電企業(yè)需在充分權(quán)衡各自的經(jīng)濟(jì)效益基礎(chǔ)上提交初始報(bào)價(jià)策略，有效控制差價(jià)合約談判風(fēng)險(xiǎn)。

作為初步的研究，本文假定了碳交易所和發(fā)電企業(yè)之間實(shí)施完全信息的差價(jià)合約談判博弈，尚未考慮在信息不完全情況下如何有效規(guī)避CO2交易價(jià)格風(fēng)險(xiǎn)，也未考慮不同初始排放權(quán)分配模式以及發(fā)電企業(yè)在配額交易過程中的投機(jī)行為對(duì)談判均衡的影響。這些都將是下一步研究的重點(diǎn)。

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CFD Negotiation Models of Carbon Emissions Trading in Generation Side Based on Risk-Benefit Balance

HUANG Shou-jun1，YANG Jun1，2，CHEN Qi-an1，2，SUN Rui1，2

(1.School of Economics and Business Administration，Chongqing University，Chongqing 400044，China；2.Academy of Energy Technologic Economics，Chongqing University，Chongqing 400044，China)

In view of the unresolved transaction contradictions initiated by CO2emission allowance price between carbon exchange and independent generation enterprises in generation side，the contract for difference (CFD) of emissions trading is introduced in theoretical aspect to evade generation enterprises' market power and stabilize emission allowance price.Given this background，the profit risk and economic benefit of carbon exchange and generation enterprises under the emissions trading mode considering CFD are measured.On the basis，the risk-benefit balance models of contract negotiation between both transaction parties are constructed，and the solving programs of optimal parameters for the models are developed，which promote the formation of coordination and competitive trading mechanism for CO2emissions supply and electricity production.The results of numerical simulation and analysis indicate that the proposed models have evaded the risk brought by price fluctuation of emissions trading in generation side effectively，and both the transaction risks faced by the negotiation parties are negatively correlated with the CFD's interval length of the initial effective biddings.

electricity market；CO2emissions trading in generation side；contract for difference；risk-benefit balance；contract negotiation

1003-207(2016)01-0124-10

10.16381/j.cnki.issn1003-207x.2016.01.015

2013-04-10；

2014-11-04

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(90510016，70903080)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)資助項(xiàng)目(CDJXS12020002)

簡(jiǎn)介：黃守軍(1985-)，男(漢族)，安徽馬鞍山人，重慶大學(xué)經(jīng)濟(jì)與工商管理學(xué)院博士研究生，研究方向：低碳電力、電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度協(xié)調(diào)理論及應(yīng)用，E-mail:hsjqy@163.com.

TM73；F123.9

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