電力系統(tǒng)發(fā)電側(cè)和負(fù)荷側(cè)共同碳責(zé)任分?jǐn)偡椒?/h1>
2018-10-11 02:32:56陳麗霞EllaZHOU馮冬涵
電力系統(tǒng)自動化 2018年19期
陳麗霞， 孫 弢， 周 云， Ella ZHOU， 方 陳， 馮冬涵
(1. 電力傳輸與功率變換控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(上海交通大學(xué))， 上海市 200240； 2. 美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室， 戈?duì)柕?80401， 美國； 3． 國網(wǎng)上海市電力公司電力科學(xué)研究院， 上海市 200437)
0 引言
全球氣候變暖是當(dāng)前人類社會面臨的巨大挑戰(zhàn)之一，電力行業(yè)作為化石燃料消耗的主要行業(yè)，占能源消耗相關(guān)碳排放總量的近40%[1]。低碳化對于電力行業(yè)是一個艱巨的任務(wù)，電力行業(yè)目前正在從各方面尋找符合自身特點(diǎn)的低碳化道路[2-4]。因此，開展電力系統(tǒng)碳責(zé)任(即統(tǒng)計時間內(nèi)全系統(tǒng)的碳排放總量)在各利益主體間的分?jǐn)傃芯烤哂兄匾饬x。
由于碳排放和發(fā)電環(huán)節(jié)直接相關(guān)，因此傳統(tǒng)的對于電力系統(tǒng)碳責(zé)任的相關(guān)研究側(cè)重在發(fā)電側(cè)“看得見”的碳排放，主要有宏觀統(tǒng)計方法和全壽命周期的方法[5-7]。但這類方法只能分析發(fā)電側(cè)碳排放量的大小，而無法考慮電力系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和傳輸特性。相應(yīng)地，世界各國也針對發(fā)電側(cè)制定了許多減排政策，如總量管制和交易制度、上網(wǎng)電價補(bǔ)貼政策、碳稅等，這些政策在實(shí)際實(shí)施過程中遇到了諸多問題與挑戰(zhàn)。
近年來隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，需求側(cè)響應(yīng)對于電力系統(tǒng)的節(jié)能減排起到了重要作用。有越來越多的學(xué)者將電力系統(tǒng)碳責(zé)任分?jǐn)傃芯繌陌l(fā)電側(cè)轉(zhuǎn)移到了負(fù)荷側(cè)。其中，基于碳排放流理論[8-10]的負(fù)荷側(cè)碳責(zé)任分?jǐn)偟玫搅藦V泛應(yīng)用和研究。文獻(xiàn)[11]基于碳排放流理論，提出了一種以交易為分配主體的計算模型，用于計算負(fù)荷產(chǎn)生的碳排放。文獻(xiàn)[12]通過負(fù)荷分析對碳排放結(jié)構(gòu)進(jìn)行分解，得出了在忽略發(fā)電機(jī)組承擔(dān)網(wǎng)損對應(yīng)的碳排放量的情況下，負(fù)荷所承擔(dān)的碳排放流量基本等于系統(tǒng)所有機(jī)組所注入的碳排放流量。除了基于碳排放流理論的負(fù)荷側(cè)碳責(zé)任分?jǐn)傃芯?，文獻(xiàn)[13]采用了碳流追蹤的方法對負(fù)荷側(cè)的碳責(zé)任分?jǐn)傔M(jìn)行研究；文獻(xiàn)[14]從合作博弈的角度，采用合作博弈理論中經(jīng)典解的概念將碳責(zé)任在負(fù)荷側(cè)進(jìn)行分?jǐn)?；文獻(xiàn)[15]基于圖論的知識研究了碳責(zé)任在負(fù)荷側(cè)的分?jǐn)偂?/p>
目前已有的文獻(xiàn)幾乎沒有涉及發(fā)電側(cè)和負(fù)荷側(cè)共同分?jǐn)偺钾?zé)任的相關(guān)研究。僅在發(fā)電側(cè)分?jǐn)偺钾?zé)任對負(fù)荷成員沒有直接的激勵信號；同樣地，僅在負(fù)荷側(cè)分?jǐn)偺钾?zé)任不會直接對發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生激勵。此外，對于電力系統(tǒng)，發(fā)電機(jī)組和負(fù)荷是相互依存的關(guān)系，缺少其中的任何一方都不會產(chǎn)生發(fā)電行為，并且發(fā)電機(jī)組和負(fù)荷都具有節(jié)能減排的潛力，僅在單一側(cè)進(jìn)行碳責(zé)任的分?jǐn)傄彩遣还降?。因此，本文認(rèn)為兩者都應(yīng)該承擔(dān)起電力系統(tǒng)節(jié)能減排的責(zé)任。
本文基于合作博弈理論，將發(fā)電側(cè)與負(fù)荷側(cè)共同碳責(zé)任分?jǐn)倖栴}建模成一個基于合作博弈的成本分?jǐn)倖栴}。同時采用發(fā)電側(cè)和負(fù)荷側(cè)各承擔(dān)一半系統(tǒng)碳責(zé)任的原則，在雙邊競價電力市場模式下，選用Aumann-Shapley法對發(fā)電側(cè)與負(fù)荷側(cè)共同碳責(zé)任分?jǐn)傔M(jìn)行具體求解。最后基于算例分析探究雙側(cè)碳責(zé)任分?jǐn)倷C(jī)制的有效性和分?jǐn)偨Y(jié)果的合理性。
1 發(fā)電側(cè)與負(fù)荷側(cè)共同碳責(zé)任分?jǐn)偧捌浣?/h2>
基于雙邊競價的電力市場出清模型如式(1)所示。
(1)
對于發(fā)電側(cè)和負(fù)荷側(cè)共同碳責(zé)任分?jǐn)倖栴}，本文基于雙邊競價的電力市場模式，發(fā)電機(jī)組和負(fù)荷均參與市場報價，市場出清結(jié)果通過求解以社會效益最大化為目標(biāo)的優(yōu)化模型得出。
在電力系統(tǒng)中，發(fā)電機(jī)組和負(fù)荷在能源和碳責(zé)任方面是相互依存的關(guān)系，缺少其中的任何一方，系統(tǒng)都不會產(chǎn)生發(fā)電行為，發(fā)電側(cè)和負(fù)荷側(cè)對電力系統(tǒng)有著同等重要的作用，它們也應(yīng)承擔(dān)起同等大小的電力系統(tǒng)節(jié)能減排的責(zé)任。因此，對于碳責(zé)任在發(fā)電側(cè)和負(fù)荷側(cè)的共同分?jǐn)?，本文采用發(fā)電側(cè)和負(fù)荷側(cè)各承擔(dān)一半系統(tǒng)碳責(zé)任的原則，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行碳責(zé)任在發(fā)電機(jī)組和負(fù)荷間的分?jǐn)偂?/p>
合作博弈作為解決成本分?jǐn)倖栴}的有力工具，在電力系統(tǒng)成本分?jǐn)傤I(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，如傳輸成本分?jǐn)?、線路損耗分?jǐn)?、機(jī)組啟停成本分?jǐn)偟萚16-18]。本文將發(fā)電側(cè)和負(fù)荷側(cè)共同碳責(zé)任分?jǐn)倖栴}建模成一個基于合作博弈的成本分?jǐn)倖栴}。典型的合作博弈問題可以用(N,c)表示，其中N表示所有參與成員構(gòu)成的集合，對應(yīng)全聯(lián)盟，c(·)表示合作博弈問題對應(yīng)的特征函數(shù)。具體地，在本文的模型中，求解碳責(zé)任在負(fù)荷側(cè)的分?jǐn)倳r，參與成員為所有負(fù)荷成員；求解碳責(zé)任在發(fā)電側(cè)的分?jǐn)倳r，參與成員為所有發(fā)電機(jī)組。特征函數(shù)為系統(tǒng)碳排放量的計算，c(N)表示全聯(lián)盟對應(yīng)系統(tǒng)產(chǎn)生的總碳排放量，用S表示子聯(lián)盟，即N的非空真子集(S?N)，c(S)表示有且只有S中的成員存在于系統(tǒng)中時對應(yīng)的系統(tǒng)碳排放量，相應(yīng)地有c(?)=0。
2 基于Aumann-Shapley法的碳責(zé)任分?jǐn)?/h2>
Shapley值是合作博弈中重要經(jīng)典解的概念之一，它體現(xiàn)了成員對各個子聯(lián)盟的平均邊際貢獻(xiàn)。但Shapley值的計算復(fù)雜度隨參與成員數(shù)目的增加呈指數(shù)型上漲，且分?jǐn)偨Y(jié)果容易受到參與成員自身相對大小的影響而缺乏一定的公平性。Aumann-Shapley法作為Shapley值法在參與成員無窮多情況下的一種延拓，克服了Shapley值法的上述缺陷，并滿足有效性、虛擬性和可加性的公理化標(biāo)準(zhǔn)[19]，在電力系統(tǒng)阻塞費(fèi)用分?jǐn)偂鬏斮M(fèi)用分?jǐn)?、網(wǎng)損分?jǐn)偟葐栴}中具有廣泛應(yīng)用[20-22]。文獻(xiàn)[20]研究了基于Aumann-Shapley法的傳輸費(fèi)用在發(fā)電機(jī)組和負(fù)荷之間的分?jǐn)?；文獻(xiàn)[21]研究了基于Aumann-Shapley法的阻塞費(fèi)用分?jǐn)?；文獻(xiàn)[22]將Aumann-Shapley法應(yīng)用于有功和無功網(wǎng)損分?jǐn)倖栴}。
本文將Aumann-Shapley法應(yīng)用于發(fā)電側(cè)和負(fù)荷側(cè)共同碳責(zé)任分?jǐn)?。Aumann-Shapley法的計算采用積分的形式，參與成員n(0≤n≤NG+ND)基于Aumann-Shapley法分?jǐn)偟降奶钾?zé)任是其實(shí)際功率從0到Pn的積分，如下式所示：
(2)
式中：t為積分變量；P為系統(tǒng)參與成員構(gòu)成的功率向量；c(tP)為系統(tǒng)碳排放的計算函數(shù)，系統(tǒng)碳排放的計算詳見附錄A；Pn為成員n的實(shí)際功率。
(3)
在電力系統(tǒng)中，系統(tǒng)碳排放的計算并非是一個連續(xù)可微的函數(shù)，因此計算求解的過程需要進(jìn)行離散處理來代替式(2)中的精確解?；陔x散處理，成員n基于Aumann-Shapley法分?jǐn)偟降奶钾?zé)任為：
(4)
式中：M表示將參與成員的功率平均分成M個離散段；ΔPn為成員n的功率微增量；[c(kP/M+ΔPn)-c(kP/M)]/ΔPn表示在第k個離散段，成員n對系統(tǒng)碳排放的單位邊際貢獻(xiàn)量。
參與成員n基于Aumann-Shapley法分?jǐn)偟降奶钾?zé)任結(jié)果體現(xiàn)了其對于系統(tǒng)實(shí)際碳排放的平均邊際貢獻(xiàn)。值得說明的是，在該方法下，對于水電機(jī)組等可再生能源，其對系統(tǒng)實(shí)際碳排放的邊際貢獻(xiàn)為0，分?jǐn)偟降奶钾?zé)任也為0，因此，基于Aumann-Shapley法的碳責(zé)任分?jǐn)倢?shí)際上保證了發(fā)電側(cè)碳責(zé)任分?jǐn)們H發(fā)生于常規(guī)火電機(jī)組。
3 算例分析
本節(jié)算例分析包含兩個部分：第1部分在簡單PJM 5節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)中，將碳責(zé)任賦予一定的經(jīng)濟(jì)效益，以碳成本的形式施加給各參與成員，分別探究碳責(zé)任僅在發(fā)電側(cè)分?jǐn)?、僅在負(fù)荷側(cè)分?jǐn)偱c在發(fā)電側(cè)和負(fù)荷側(cè)共同分?jǐn)?種情況對各發(fā)電機(jī)組出力、實(shí)際負(fù)荷、系統(tǒng)碳排放和社會效益的影響，以此檢驗(yàn)雙側(cè)分?jǐn)倷C(jī)制的可行性；第2部分應(yīng)用Aumann-Shapley法在IEEE 30節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)中進(jìn)行發(fā)電側(cè)和負(fù)荷側(cè)共同碳責(zé)任分?jǐn)?，分析分?jǐn)偨Y(jié)果的合理性。
3.1 PJM 5節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)算例
PJM 5節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及參數(shù)參考文獻(xiàn)[23]，機(jī)組和負(fù)荷信息見附錄B表B1和表B2。假設(shè)系統(tǒng)中輸電線路1-4的容量約束為150 MW，其余輸電線路沒有容量約束。
對于分?jǐn)倷C(jī)制可行性的探究，本文基于分?jǐn)偨Y(jié)果做出如下處理：基于機(jī)組和負(fù)荷在一段結(jié)算時期內(nèi)的出力和實(shí)際負(fù)荷以及系統(tǒng)碳排放情況，進(jìn)行碳責(zé)任在參與成員之間的分?jǐn)偅瑢⒏鞒蓡T分?jǐn)偟降奶钾?zé)任在下一結(jié)算時期以碳成本的形式施加給它們，機(jī)組和負(fù)荷基于施加的碳成本進(jìn)行新的報價，探究基于碳責(zé)任分?jǐn)偨Y(jié)果施加的碳成本對機(jī)組出力、實(shí)際負(fù)荷和系統(tǒng)碳排放的影響。具體地，單位功率碳責(zé)任分?jǐn)偨Y(jié)果乘以碳價構(gòu)成邊際碳成本，本文假設(shè)碳價為32美元/t。機(jī)組新報價為初始報價加上邊際碳成本，負(fù)荷新報價為初始報價減去邊際碳成本。以機(jī)組為例，假設(shè)出力為100 MW的機(jī)組初始報價為30美元/(MW·h)，分?jǐn)偟降奶钾?zé)任為50 t/h，則其分?jǐn)偟降膯挝还β侍钾?zé)任為0.5 t/(MW·h)，邊際碳成本為0.5 t/(MW·h)×32美元/t=16美元/(MW·h)，故機(jī)組的新報價為46美元/(MW·h)。
由于篇幅的限制，本節(jié)僅列出基于分?jǐn)偨Y(jié)果的機(jī)組出力和負(fù)荷情況對比，對于3種分?jǐn)倷C(jī)制下的分?jǐn)偨Y(jié)果以及機(jī)組和負(fù)荷基于分?jǐn)偨Y(jié)果的新報價，見附錄B表B3至表B8。
3.1.1發(fā)電側(cè)碳責(zé)任分?jǐn)?/p>
對于發(fā)電側(cè)碳責(zé)任分?jǐn)?，本部分依?jù)機(jī)組對系統(tǒng)的實(shí)際碳排放貢獻(xiàn)進(jìn)行分?jǐn)?，基于發(fā)電側(cè)碳責(zé)任分?jǐn)偨Y(jié)果的機(jī)組出力和負(fù)荷情況如圖1所示。
圖1 基于發(fā)電側(cè)碳責(zé)任分?jǐn)偨Y(jié)果的機(jī)組出力和負(fù)荷情況對比Fig.1 Comparison of output of generators and loads based on carbon obligation allocation results on generation side
在發(fā)電側(cè)施加碳成本導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組報價提高，其中機(jī)組G5由于碳排放強(qiáng)度最高，施加碳成本后報價最高，競爭力下降，從而出力降為0，報價次高的機(jī)組G3的出力也有所下降。此外，由于機(jī)組報價的提高，負(fù)荷L1的報價低于機(jī)組G3和G5的報價，實(shí)際負(fù)荷降為0。此時，系統(tǒng)碳排放由原來的405.56 t降到259 t?？梢姡l(fā)電側(cè)碳責(zé)任分?jǐn)倷C(jī)制對發(fā)電機(jī)組有直接激勵作用，施加碳成本使得高碳排放強(qiáng)度機(jī)組的報價上升，競爭力下降，從而促進(jìn)系統(tǒng)碳排放的降低，對于負(fù)荷沒有直接激勵作用。
3.1.2負(fù)荷側(cè)碳責(zé)任分?jǐn)?/p>
對于負(fù)荷側(cè)碳責(zé)任分?jǐn)?，本?jié)采用碳流追蹤法進(jìn)行分?jǐn)俒13]，基于負(fù)荷側(cè)碳責(zé)任分?jǐn)偨Y(jié)果的機(jī)組出力和負(fù)荷情況如圖2所示。
圖2 基于負(fù)荷側(cè)碳責(zé)任分?jǐn)偨Y(jié)果的機(jī)組出力和負(fù)荷情況對比Fig.2 Comparison of output of generators and loads based on carbon obligation allocation results on load side
在負(fù)荷側(cè)施加碳成本使得負(fù)荷報價下降，其中，負(fù)荷L1的報價最低，負(fù)荷降為0，負(fù)荷L3的實(shí)際負(fù)荷值有所下降。而各發(fā)電機(jī)組的報價保持不變，與機(jī)組G3相比，高碳排放強(qiáng)度機(jī)組G5的報價較低，仍然有著較高的出力，報價最高的機(jī)組G3的出力降為0。此時，系統(tǒng)碳排放由原來的405.56 t降為308.64 t。由此可見，負(fù)荷側(cè)碳責(zé)任分?jǐn)倷C(jī)制對負(fù)荷有直接的激勵作用，能夠激發(fā)需求側(cè)響應(yīng)，促使負(fù)荷調(diào)整用電需求，但對于發(fā)電側(cè)出力結(jié)構(gòu)的改善沒有直接的激勵作用。
3.1.3發(fā)電側(cè)和負(fù)荷側(cè)共同碳責(zé)任分?jǐn)?/p>
對于發(fā)電側(cè)和負(fù)荷側(cè)共同碳責(zé)任分?jǐn)?，采用Aumann-Shapley法進(jìn)行分?jǐn)?，基于發(fā)電側(cè)和負(fù)荷側(cè)共同碳責(zé)任分?jǐn)偨Y(jié)果的機(jī)組出力和負(fù)荷情況如圖3所示。
圖3 基于發(fā)電側(cè)和負(fù)荷側(cè)共同碳責(zé)任分?jǐn)偨Y(jié)果的機(jī)組出力和負(fù)荷情況對比Fig.3 Comparison of output of generators and loads based on carbon obligation allocation results on both generation side and load side
在負(fù)荷側(cè)，施加的碳成本使得負(fù)荷報價下降，報價最低的負(fù)荷L1實(shí)際負(fù)荷降為0，報價次低的負(fù)荷L2的實(shí)際負(fù)荷也有所降低。在發(fā)電側(cè)，施加的碳成本使得機(jī)組報價提高，報價最高的機(jī)組G5和G3的出力均降為0。此時，系統(tǒng)碳排放由原來的405.56 t降為220 t。由此可見，發(fā)電側(cè)和負(fù)荷側(cè)共同碳責(zé)任分?jǐn)倷C(jī)制對機(jī)組和負(fù)荷都有著直接的激勵作用，在發(fā)電側(cè)，能夠促進(jìn)機(jī)組出力結(jié)構(gòu)的改善，在負(fù)荷側(cè)，能夠促使負(fù)荷用電需求的調(diào)整。
4種情況下系統(tǒng)碳排放和社會效益情況對比如圖4所示。其中，社會效益即式(1)中的目標(biāo)函數(shù)值。此外，對于發(fā)電側(cè)和負(fù)荷側(cè)共同碳責(zé)任分?jǐn)?，本文引入對比方法與Aumann-Shapley法的分?jǐn)偨Y(jié)果進(jìn)行對比，由于正文篇幅的限制，詳細(xì)內(nèi)容可見附錄B表B9、表B10和圖B1。
圖4 系統(tǒng)碳排放和社會效益情況對比Fig.4 Comparison of carbon emission and social welfare
由圖4可知，雙側(cè)分?jǐn)倷C(jī)制下系統(tǒng)碳排放最低，且與僅在發(fā)電側(cè)和僅在負(fù)荷側(cè)碳責(zé)任分?jǐn)倷C(jī)制相比，其社會效益略高于后兩者?？梢?，雙側(cè)分?jǐn)倷C(jī)制在不犧牲社會效益的情況下，相較于單一側(cè)分?jǐn)倷C(jī)制進(jìn)一步降低了系統(tǒng)碳排放。
根據(jù)本節(jié)算例結(jié)果，本文提出的發(fā)電側(cè)和負(fù)荷側(cè)共同碳責(zé)任分?jǐn)倷C(jī)制使得發(fā)電側(cè)和負(fù)荷側(cè)都承擔(dān)起電力系統(tǒng)節(jié)能減排的責(zé)任，對發(fā)電機(jī)組和負(fù)荷都有直接的激勵作用，能激勵發(fā)電機(jī)組和負(fù)荷的節(jié)能降耗行為，且與單一側(cè)分?jǐn)倷C(jī)制相比，能夠在不犧牲社會效益的情況下降低系統(tǒng)碳排放?？梢?，在具體的參數(shù)條件下，本文所提機(jī)制能夠更好地激勵機(jī)組和負(fù)荷的節(jié)能降耗行為，促進(jìn)電力系統(tǒng)低碳發(fā)展的效果，具有一定的可行性。
3.2 IEEE 30節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)算例
IEEE 30節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及參數(shù)參考文獻(xiàn)[24]，機(jī)組和負(fù)荷信息見附錄C表C1和表C2，一日中機(jī)組組合情況和日單位負(fù)荷曲線見附錄C圖C1。機(jī)組實(shí)際碳排放情況以及基于Aumann-Shapley法的分?jǐn)偨Y(jié)果如表1所示。
表1 IEEE 30節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)機(jī)組實(shí)際碳排放及分?jǐn)偨Y(jié)果Table 1 Carbon emission of generators and allocation results in IEEE 30-bus system t/h
分析上述分?jǐn)偨Y(jié)果，對于發(fā)電側(cè)，對照表1中機(jī)組實(shí)際碳排放情況，可見機(jī)組分?jǐn)偟降奶钾?zé)任比例與其實(shí)際對系統(tǒng)的碳排放貢獻(xiàn)比例一致，具有合理性。對于負(fù)荷側(cè)，基于Aumann-Shapley法的分?jǐn)偨Y(jié)果綜合體現(xiàn)了負(fù)荷大小和地理位置因素的影響。具體地，負(fù)荷L20的需求比負(fù)荷L19大得多，從而負(fù)荷L20分?jǐn)偟搅烁嗟奶钾?zé)任。而負(fù)荷L12和負(fù)荷L16雖然大小相同，但由于兩者所處地理位置不同，最終分?jǐn)偟搅瞬煌奶钾?zé)任。
此外，根據(jù)日負(fù)荷曲線，進(jìn)行發(fā)電機(jī)組和負(fù)荷在一日24 h的碳責(zé)任分?jǐn)?，分?jǐn)偨Y(jié)果見附錄C圖C2。由圖可知，對于發(fā)電機(jī)組，07:00—08:00時間段內(nèi)，6臺機(jī)組都處于開啟狀態(tài)，但由于兩個時刻負(fù)荷大小不同，各機(jī)組分?jǐn)偟降奶钾?zé)任也不同。對于某一負(fù)荷，各時刻由于機(jī)組開停機(jī)狀態(tài)不同，其所分?jǐn)偟降奶钾?zé)任也在變化。由此可見，分?jǐn)偨Y(jié)果能夠體現(xiàn)時間因素的影響，對于各參與成員，相同的狀態(tài)由于在各時刻對系統(tǒng)碳排放影響不同而被分?jǐn)偟讲煌奶钾?zé)任。
4 結(jié)語
本文提出將電力系統(tǒng)碳責(zé)任在發(fā)電側(cè)和負(fù)荷側(cè)進(jìn)行共同分?jǐn)?，將其建模成一個基于合作博弈的成本分?jǐn)倖栴}，采用Aumann-Shapley法具體進(jìn)行分?jǐn)偳蠼??；谒憷治?，得出如下結(jié)論。
1)在具體的系統(tǒng)參數(shù)下，與僅在發(fā)電側(cè)碳責(zé)任分?jǐn)偤蛢H在負(fù)荷側(cè)碳責(zé)任分?jǐn)倷C(jī)制相比，發(fā)電側(cè)與負(fù)荷側(cè)共同碳責(zé)任分?jǐn)倷C(jī)制令發(fā)電機(jī)組和負(fù)荷都承擔(dān)了電力系統(tǒng)節(jié)能減排的責(zé)任，能激勵發(fā)電機(jī)組和負(fù)荷的節(jié)能降耗行為，在不犧牲社會效益的情況下降低系統(tǒng)碳排放，具有一定的可行性。
2)基于Aumann-Shapley法的分?jǐn)偨Y(jié)果給發(fā)電機(jī)組和負(fù)荷都合理地分?jǐn)偭艘欢ǖ奶钾?zé)任，具體地，其在發(fā)電側(cè)的分?jǐn)偨Y(jié)果與發(fā)電機(jī)組實(shí)際對系統(tǒng)的碳排放貢獻(xiàn)相符。在負(fù)荷側(cè)的分?jǐn)偨Y(jié)果能綜合體現(xiàn)負(fù)荷成員大小以及地理位置因素的影響。
本文對發(fā)電側(cè)與負(fù)荷側(cè)共同碳責(zé)任分?jǐn)偧半p側(cè)分?jǐn)倷C(jī)制的可行性進(jìn)行了初步探究，研究內(nèi)容可以為低碳背景下電力市場機(jī)制的設(shè)計提供較為可行的思路參考。后續(xù)研究擬在此基礎(chǔ)上，對發(fā)電機(jī)組和負(fù)荷基于碳責(zé)任分?jǐn)偨Y(jié)果的策略行為進(jìn)行研究，以更好地檢驗(yàn)基于Aumann-Shapley法的雙側(cè)碳責(zé)任分?jǐn)倷C(jī)制的有效性。
附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。
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陳麗霞， 孫 弢， 周 云， Ella ZHOU， 方 陳， 馮冬涵
(1. 電力傳輸與功率變換控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(上海交通大學(xué))， 上海市 200240； 2. 美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室， 戈?duì)柕?80401， 美國； 3． 國網(wǎng)上海市電力公司電力科學(xué)研究院， 上海市 200437)
0 引言
全球氣候變暖是當(dāng)前人類社會面臨的巨大挑戰(zhàn)之一，電力行業(yè)作為化石燃料消耗的主要行業(yè)，占能源消耗相關(guān)碳排放總量的近40%[1]。低碳化對于電力行業(yè)是一個艱巨的任務(wù)，電力行業(yè)目前正在從各方面尋找符合自身特點(diǎn)的低碳化道路[2-4]。因此，開展電力系統(tǒng)碳責(zé)任(即統(tǒng)計時間內(nèi)全系統(tǒng)的碳排放總量)在各利益主體間的分?jǐn)傃芯烤哂兄匾饬x。
由于碳排放和發(fā)電環(huán)節(jié)直接相關(guān)，因此傳統(tǒng)的對于電力系統(tǒng)碳責(zé)任的相關(guān)研究側(cè)重在發(fā)電側(cè)“看得見”的碳排放，主要有宏觀統(tǒng)計方法和全壽命周期的方法[5-7]。但這類方法只能分析發(fā)電側(cè)碳排放量的大小，而無法考慮電力系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和傳輸特性。相應(yīng)地，世界各國也針對發(fā)電側(cè)制定了許多減排政策，如總量管制和交易制度、上網(wǎng)電價補(bǔ)貼政策、碳稅等，這些政策在實(shí)際實(shí)施過程中遇到了諸多問題與挑戰(zhàn)。
近年來隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，需求側(cè)響應(yīng)對于電力系統(tǒng)的節(jié)能減排起到了重要作用。有越來越多的學(xué)者將電力系統(tǒng)碳責(zé)任分?jǐn)傃芯繌陌l(fā)電側(cè)轉(zhuǎn)移到了負(fù)荷側(cè)。其中，基于碳排放流理論[8-10]的負(fù)荷側(cè)碳責(zé)任分?jǐn)偟玫搅藦V泛應(yīng)用和研究。文獻(xiàn)[11]基于碳排放流理論，提出了一種以交易為分配主體的計算模型，用于計算負(fù)荷產(chǎn)生的碳排放。文獻(xiàn)[12]通過負(fù)荷分析對碳排放結(jié)構(gòu)進(jìn)行分解，得出了在忽略發(fā)電機(jī)組承擔(dān)網(wǎng)損對應(yīng)的碳排放量的情況下，負(fù)荷所承擔(dān)的碳排放流量基本等于系統(tǒng)所有機(jī)組所注入的碳排放流量。除了基于碳排放流理論的負(fù)荷側(cè)碳責(zé)任分?jǐn)傃芯?，文獻(xiàn)[13]采用了碳流追蹤的方法對負(fù)荷側(cè)的碳責(zé)任分?jǐn)傔M(jìn)行研究；文獻(xiàn)[14]從合作博弈的角度，采用合作博弈理論中經(jīng)典解的概念將碳責(zé)任在負(fù)荷側(cè)進(jìn)行分?jǐn)?；文獻(xiàn)[15]基于圖論的知識研究了碳責(zé)任在負(fù)荷側(cè)的分?jǐn)偂?/p>
目前已有的文獻(xiàn)幾乎沒有涉及發(fā)電側(cè)和負(fù)荷側(cè)共同分?jǐn)偺钾?zé)任的相關(guān)研究。僅在發(fā)電側(cè)分?jǐn)偺钾?zé)任對負(fù)荷成員沒有直接的激勵信號；同樣地，僅在負(fù)荷側(cè)分?jǐn)偺钾?zé)任不會直接對發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生激勵。此外，對于電力系統(tǒng)，發(fā)電機(jī)組和負(fù)荷是相互依存的關(guān)系，缺少其中的任何一方都不會產(chǎn)生發(fā)電行為，并且發(fā)電機(jī)組和負(fù)荷都具有節(jié)能減排的潛力，僅在單一側(cè)進(jìn)行碳責(zé)任的分?jǐn)傄彩遣还降?。因此，本文認(rèn)為兩者都應(yīng)該承擔(dān)起電力系統(tǒng)節(jié)能減排的責(zé)任。
本文基于合作博弈理論，將發(fā)電側(cè)與負(fù)荷側(cè)共同碳責(zé)任分?jǐn)倖栴}建模成一個基于合作博弈的成本分?jǐn)倖栴}。同時采用發(fā)電側(cè)和負(fù)荷側(cè)各承擔(dān)一半系統(tǒng)碳責(zé)任的原則，在雙邊競價電力市場模式下，選用Aumann-Shapley法對發(fā)電側(cè)與負(fù)荷側(cè)共同碳責(zé)任分?jǐn)傔M(jìn)行具體求解。最后基于算例分析探究雙側(cè)碳責(zé)任分?jǐn)倷C(jī)制的有效性和分?jǐn)偨Y(jié)果的合理性。
1 發(fā)電側(cè)與負(fù)荷側(cè)共同碳責(zé)任分?jǐn)偧捌浣?/h2>
基于雙邊競價的電力市場出清模型如式(1)所示。
(1)
對于發(fā)電側(cè)和負(fù)荷側(cè)共同碳責(zé)任分?jǐn)倖栴}，本文基于雙邊競價的電力市場模式，發(fā)電機(jī)組和負(fù)荷均參與市場報價，市場出清結(jié)果通過求解以社會效益最大化為目標(biāo)的優(yōu)化模型得出。
在電力系統(tǒng)中，發(fā)電機(jī)組和負(fù)荷在能源和碳責(zé)任方面是相互依存的關(guān)系，缺少其中的任何一方，系統(tǒng)都不會產(chǎn)生發(fā)電行為，發(fā)電側(cè)和負(fù)荷側(cè)對電力系統(tǒng)有著同等重要的作用，它們也應(yīng)承擔(dān)起同等大小的電力系統(tǒng)節(jié)能減排的責(zé)任。因此，對于碳責(zé)任在發(fā)電側(cè)和負(fù)荷側(cè)的共同分?jǐn)?，本文采用發(fā)電側(cè)和負(fù)荷側(cè)各承擔(dān)一半系統(tǒng)碳責(zé)任的原則，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行碳責(zé)任在發(fā)電機(jī)組和負(fù)荷間的分?jǐn)偂?/p>
合作博弈作為解決成本分?jǐn)倖栴}的有力工具，在電力系統(tǒng)成本分?jǐn)傤I(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，如傳輸成本分?jǐn)?、線路損耗分?jǐn)?、機(jī)組啟停成本分?jǐn)偟萚16-18]。本文將發(fā)電側(cè)和負(fù)荷側(cè)共同碳責(zé)任分?jǐn)倖栴}建模成一個基于合作博弈的成本分?jǐn)倖栴}。典型的合作博弈問題可以用(N,c)表示，其中N表示所有參與成員構(gòu)成的集合，對應(yīng)全聯(lián)盟，c(·)表示合作博弈問題對應(yīng)的特征函數(shù)。具體地，在本文的模型中，求解碳責(zé)任在負(fù)荷側(cè)的分?jǐn)倳r，參與成員為所有負(fù)荷成員；求解碳責(zé)任在發(fā)電側(cè)的分?jǐn)倳r，參與成員為所有發(fā)電機(jī)組。特征函數(shù)為系統(tǒng)碳排放量的計算，c(N)表示全聯(lián)盟對應(yīng)系統(tǒng)產(chǎn)生的總碳排放量，用S表示子聯(lián)盟，即N的非空真子集(S?N)，c(S)表示有且只有S中的成員存在于系統(tǒng)中時對應(yīng)的系統(tǒng)碳排放量，相應(yīng)地有c(?)=0。
2 基于Aumann-Shapley法的碳責(zé)任分?jǐn)?/h2>
Shapley值是合作博弈中重要經(jīng)典解的概念之一，它體現(xiàn)了成員對各個子聯(lián)盟的平均邊際貢獻(xiàn)。但Shapley值的計算復(fù)雜度隨參與成員數(shù)目的增加呈指數(shù)型上漲，且分?jǐn)偨Y(jié)果容易受到參與成員自身相對大小的影響而缺乏一定的公平性。Aumann-Shapley法作為Shapley值法在參與成員無窮多情況下的一種延拓，克服了Shapley值法的上述缺陷，并滿足有效性、虛擬性和可加性的公理化標(biāo)準(zhǔn)[19]，在電力系統(tǒng)阻塞費(fèi)用分?jǐn)偂鬏斮M(fèi)用分?jǐn)?、網(wǎng)損分?jǐn)偟葐栴}中具有廣泛應(yīng)用[20-22]。文獻(xiàn)[20]研究了基于Aumann-Shapley法的傳輸費(fèi)用在發(fā)電機(jī)組和負(fù)荷之間的分?jǐn)?；文獻(xiàn)[21]研究了基于Aumann-Shapley法的阻塞費(fèi)用分?jǐn)?；文獻(xiàn)[22]將Aumann-Shapley法應(yīng)用于有功和無功網(wǎng)損分?jǐn)倖栴}。
本文將Aumann-Shapley法應(yīng)用于發(fā)電側(cè)和負(fù)荷側(cè)共同碳責(zé)任分?jǐn)?。Aumann-Shapley法的計算采用積分的形式，參與成員n(0≤n≤NG+ND)基于Aumann-Shapley法分?jǐn)偟降奶钾?zé)任是其實(shí)際功率從0到Pn的積分，如下式所示：
(2)
式中：t為積分變量；P為系統(tǒng)參與成員構(gòu)成的功率向量；c(tP)為系統(tǒng)碳排放的計算函數(shù)，系統(tǒng)碳排放的計算詳見附錄A；Pn為成員n的實(shí)際功率。
(3)
在電力系統(tǒng)中，系統(tǒng)碳排放的計算并非是一個連續(xù)可微的函數(shù)，因此計算求解的過程需要進(jìn)行離散處理來代替式(2)中的精確解?；陔x散處理，成員n基于Aumann-Shapley法分?jǐn)偟降奶钾?zé)任為：
(4)
式中：M表示將參與成員的功率平均分成M個離散段；ΔPn為成員n的功率微增量；[c(kP/M+ΔPn)-c(kP/M)]/ΔPn表示在第k個離散段，成員n對系統(tǒng)碳排放的單位邊際貢獻(xiàn)量。
參與成員n基于Aumann-Shapley法分?jǐn)偟降奶钾?zé)任結(jié)果體現(xiàn)了其對于系統(tǒng)實(shí)際碳排放的平均邊際貢獻(xiàn)。值得說明的是，在該方法下，對于水電機(jī)組等可再生能源，其對系統(tǒng)實(shí)際碳排放的邊際貢獻(xiàn)為0，分?jǐn)偟降奶钾?zé)任也為0，因此，基于Aumann-Shapley法的碳責(zé)任分?jǐn)倢?shí)際上保證了發(fā)電側(cè)碳責(zé)任分?jǐn)們H發(fā)生于常規(guī)火電機(jī)組。
3 算例分析
本節(jié)算例分析包含兩個部分：第1部分在簡單PJM 5節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)中，將碳責(zé)任賦予一定的經(jīng)濟(jì)效益，以碳成本的形式施加給各參與成員，分別探究碳責(zé)任僅在發(fā)電側(cè)分?jǐn)?、僅在負(fù)荷側(cè)分?jǐn)偱c在發(fā)電側(cè)和負(fù)荷側(cè)共同分?jǐn)?種情況對各發(fā)電機(jī)組出力、實(shí)際負(fù)荷、系統(tǒng)碳排放和社會效益的影響，以此檢驗(yàn)雙側(cè)分?jǐn)倷C(jī)制的可行性；第2部分應(yīng)用Aumann-Shapley法在IEEE 30節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)中進(jìn)行發(fā)電側(cè)和負(fù)荷側(cè)共同碳責(zé)任分?jǐn)?，分析分?jǐn)偨Y(jié)果的合理性。
3.1 PJM 5節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)算例
PJM 5節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及參數(shù)參考文獻(xiàn)[23]，機(jī)組和負(fù)荷信息見附錄B表B1和表B2。假設(shè)系統(tǒng)中輸電線路1-4的容量約束為150 MW，其余輸電線路沒有容量約束。
對于分?jǐn)倷C(jī)制可行性的探究，本文基于分?jǐn)偨Y(jié)果做出如下處理：基于機(jī)組和負(fù)荷在一段結(jié)算時期內(nèi)的出力和實(shí)際負(fù)荷以及系統(tǒng)碳排放情況，進(jìn)行碳責(zé)任在參與成員之間的分?jǐn)偅瑢⒏鞒蓡T分?jǐn)偟降奶钾?zé)任在下一結(jié)算時期以碳成本的形式施加給它們，機(jī)組和負(fù)荷基于施加的碳成本進(jìn)行新的報價，探究基于碳責(zé)任分?jǐn)偨Y(jié)果施加的碳成本對機(jī)組出力、實(shí)際負(fù)荷和系統(tǒng)碳排放的影響。具體地，單位功率碳責(zé)任分?jǐn)偨Y(jié)果乘以碳價構(gòu)成邊際碳成本，本文假設(shè)碳價為32美元/t。機(jī)組新報價為初始報價加上邊際碳成本，負(fù)荷新報價為初始報價減去邊際碳成本。以機(jī)組為例，假設(shè)出力為100 MW的機(jī)組初始報價為30美元/(MW·h)，分?jǐn)偟降奶钾?zé)任為50 t/h，則其分?jǐn)偟降膯挝还β侍钾?zé)任為0.5 t/(MW·h)，邊際碳成本為0.5 t/(MW·h)×32美元/t=16美元/(MW·h)，故機(jī)組的新報價為46美元/(MW·h)。
由于篇幅的限制，本節(jié)僅列出基于分?jǐn)偨Y(jié)果的機(jī)組出力和負(fù)荷情況對比，對于3種分?jǐn)倷C(jī)制下的分?jǐn)偨Y(jié)果以及機(jī)組和負(fù)荷基于分?jǐn)偨Y(jié)果的新報價，見附錄B表B3至表B8。
3.1.1發(fā)電側(cè)碳責(zé)任分?jǐn)?/p>
對于發(fā)電側(cè)碳責(zé)任分?jǐn)?，本部分依?jù)機(jī)組對系統(tǒng)的實(shí)際碳排放貢獻(xiàn)進(jìn)行分?jǐn)?，基于發(fā)電側(cè)碳責(zé)任分?jǐn)偨Y(jié)果的機(jī)組出力和負(fù)荷情況如圖1所示。
圖1 基于發(fā)電側(cè)碳責(zé)任分?jǐn)偨Y(jié)果的機(jī)組出力和負(fù)荷情況對比Fig.1 Comparison of output of generators and loads based on carbon obligation allocation results on generation side
在發(fā)電側(cè)施加碳成本導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組報價提高，其中機(jī)組G5由于碳排放強(qiáng)度最高，施加碳成本后報價最高，競爭力下降，從而出力降為0，報價次高的機(jī)組G3的出力也有所下降。此外，由于機(jī)組報價的提高，負(fù)荷L1的報價低于機(jī)組G3和G5的報價，實(shí)際負(fù)荷降為0。此時，系統(tǒng)碳排放由原來的405.56 t降到259 t?？梢姡l(fā)電側(cè)碳責(zé)任分?jǐn)倷C(jī)制對發(fā)電機(jī)組有直接激勵作用，施加碳成本使得高碳排放強(qiáng)度機(jī)組的報價上升，競爭力下降，從而促進(jìn)系統(tǒng)碳排放的降低，對于負(fù)荷沒有直接激勵作用。
3.1.2負(fù)荷側(cè)碳責(zé)任分?jǐn)?/p>
對于負(fù)荷側(cè)碳責(zé)任分?jǐn)?，本?jié)采用碳流追蹤法進(jìn)行分?jǐn)俒13]，基于負(fù)荷側(cè)碳責(zé)任分?jǐn)偨Y(jié)果的機(jī)組出力和負(fù)荷情況如圖2所示。
圖2 基于負(fù)荷側(cè)碳責(zé)任分?jǐn)偨Y(jié)果的機(jī)組出力和負(fù)荷情況對比Fig.2 Comparison of output of generators and loads based on carbon obligation allocation results on load side
在負(fù)荷側(cè)施加碳成本使得負(fù)荷報價下降，其中，負(fù)荷L1的報價最低，負(fù)荷降為0，負(fù)荷L3的實(shí)際負(fù)荷值有所下降。而各發(fā)電機(jī)組的報價保持不變，與機(jī)組G3相比，高碳排放強(qiáng)度機(jī)組G5的報價較低，仍然有著較高的出力，報價最高的機(jī)組G3的出力降為0。此時，系統(tǒng)碳排放由原來的405.56 t降為308.64 t。由此可見，負(fù)荷側(cè)碳責(zé)任分?jǐn)倷C(jī)制對負(fù)荷有直接的激勵作用，能夠激發(fā)需求側(cè)響應(yīng)，促使負(fù)荷調(diào)整用電需求，但對于發(fā)電側(cè)出力結(jié)構(gòu)的改善沒有直接的激勵作用。
3.1.3發(fā)電側(cè)和負(fù)荷側(cè)共同碳責(zé)任分?jǐn)?/p>
對于發(fā)電側(cè)和負(fù)荷側(cè)共同碳責(zé)任分?jǐn)?，采用Aumann-Shapley法進(jìn)行分?jǐn)?，基于發(fā)電側(cè)和負(fù)荷側(cè)共同碳責(zé)任分?jǐn)偨Y(jié)果的機(jī)組出力和負(fù)荷情況如圖3所示。
圖3 基于發(fā)電側(cè)和負(fù)荷側(cè)共同碳責(zé)任分?jǐn)偨Y(jié)果的機(jī)組出力和負(fù)荷情況對比Fig.3 Comparison of output of generators and loads based on carbon obligation allocation results on both generation side and load side
在負(fù)荷側(cè)，施加的碳成本使得負(fù)荷報價下降，報價最低的負(fù)荷L1實(shí)際負(fù)荷降為0，報價次低的負(fù)荷L2的實(shí)際負(fù)荷也有所降低。在發(fā)電側(cè)，施加的碳成本使得機(jī)組報價提高，報價最高的機(jī)組G5和G3的出力均降為0。此時，系統(tǒng)碳排放由原來的405.56 t降為220 t。由此可見，發(fā)電側(cè)和負(fù)荷側(cè)共同碳責(zé)任分?jǐn)倷C(jī)制對機(jī)組和負(fù)荷都有著直接的激勵作用，在發(fā)電側(cè)，能夠促進(jìn)機(jī)組出力結(jié)構(gòu)的改善，在負(fù)荷側(cè)，能夠促使負(fù)荷用電需求的調(diào)整。
4種情況下系統(tǒng)碳排放和社會效益情況對比如圖4所示。其中，社會效益即式(1)中的目標(biāo)函數(shù)值。此外，對于發(fā)電側(cè)和負(fù)荷側(cè)共同碳責(zé)任分?jǐn)?，本文引入對比方法與Aumann-Shapley法的分?jǐn)偨Y(jié)果進(jìn)行對比，由于正文篇幅的限制，詳細(xì)內(nèi)容可見附錄B表B9、表B10和圖B1。
圖4 系統(tǒng)碳排放和社會效益情況對比Fig.4 Comparison of carbon emission and social welfare
由圖4可知，雙側(cè)分?jǐn)倷C(jī)制下系統(tǒng)碳排放最低，且與僅在發(fā)電側(cè)和僅在負(fù)荷側(cè)碳責(zé)任分?jǐn)倷C(jī)制相比，其社會效益略高于后兩者?？梢?，雙側(cè)分?jǐn)倷C(jī)制在不犧牲社會效益的情況下，相較于單一側(cè)分?jǐn)倷C(jī)制進(jìn)一步降低了系統(tǒng)碳排放。
根據(jù)本節(jié)算例結(jié)果，本文提出的發(fā)電側(cè)和負(fù)荷側(cè)共同碳責(zé)任分?jǐn)倷C(jī)制使得發(fā)電側(cè)和負(fù)荷側(cè)都承擔(dān)起電力系統(tǒng)節(jié)能減排的責(zé)任，對發(fā)電機(jī)組和負(fù)荷都有直接的激勵作用，能激勵發(fā)電機(jī)組和負(fù)荷的節(jié)能降耗行為，且與單一側(cè)分?jǐn)倷C(jī)制相比，能夠在不犧牲社會效益的情況下降低系統(tǒng)碳排放?？梢?，在具體的參數(shù)條件下，本文所提機(jī)制能夠更好地激勵機(jī)組和負(fù)荷的節(jié)能降耗行為，促進(jìn)電力系統(tǒng)低碳發(fā)展的效果，具有一定的可行性。
3.2 IEEE 30節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)算例
IEEE 30節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及參數(shù)參考文獻(xiàn)[24]，機(jī)組和負(fù)荷信息見附錄C表C1和表C2，一日中機(jī)組組合情況和日單位負(fù)荷曲線見附錄C圖C1。機(jī)組實(shí)際碳排放情況以及基于Aumann-Shapley法的分?jǐn)偨Y(jié)果如表1所示。
表1 IEEE 30節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)機(jī)組實(shí)際碳排放及分?jǐn)偨Y(jié)果Table 1 Carbon emission of generators and allocation results in IEEE 30-bus system t/h
分析上述分?jǐn)偨Y(jié)果，對于發(fā)電側(cè)，對照表1中機(jī)組實(shí)際碳排放情況，可見機(jī)組分?jǐn)偟降奶钾?zé)任比例與其實(shí)際對系統(tǒng)的碳排放貢獻(xiàn)比例一致，具有合理性。對于負(fù)荷側(cè)，基于Aumann-Shapley法的分?jǐn)偨Y(jié)果綜合體現(xiàn)了負(fù)荷大小和地理位置因素的影響。具體地，負(fù)荷L20的需求比負(fù)荷L19大得多，從而負(fù)荷L20分?jǐn)偟搅烁嗟奶钾?zé)任。而負(fù)荷L12和負(fù)荷L16雖然大小相同，但由于兩者所處地理位置不同，最終分?jǐn)偟搅瞬煌奶钾?zé)任。
此外，根據(jù)日負(fù)荷曲線，進(jìn)行發(fā)電機(jī)組和負(fù)荷在一日24 h的碳責(zé)任分?jǐn)?，分?jǐn)偨Y(jié)果見附錄C圖C2。由圖可知，對于發(fā)電機(jī)組，07:00—08:00時間段內(nèi)，6臺機(jī)組都處于開啟狀態(tài)，但由于兩個時刻負(fù)荷大小不同，各機(jī)組分?jǐn)偟降奶钾?zé)任也不同。對于某一負(fù)荷，各時刻由于機(jī)組開停機(jī)狀態(tài)不同，其所分?jǐn)偟降奶钾?zé)任也在變化。由此可見，分?jǐn)偨Y(jié)果能夠體現(xiàn)時間因素的影響，對于各參與成員，相同的狀態(tài)由于在各時刻對系統(tǒng)碳排放影響不同而被分?jǐn)偟讲煌奶钾?zé)任。
4 結(jié)語
本文提出將電力系統(tǒng)碳責(zé)任在發(fā)電側(cè)和負(fù)荷側(cè)進(jìn)行共同分?jǐn)?，將其建模成一個基于合作博弈的成本分?jǐn)倖栴}，采用Aumann-Shapley法具體進(jìn)行分?jǐn)偳蠼??；谒憷治?，得出如下結(jié)論。
1)在具體的系統(tǒng)參數(shù)下，與僅在發(fā)電側(cè)碳責(zé)任分?jǐn)偤蛢H在負(fù)荷側(cè)碳責(zé)任分?jǐn)倷C(jī)制相比，發(fā)電側(cè)與負(fù)荷側(cè)共同碳責(zé)任分?jǐn)倷C(jī)制令發(fā)電機(jī)組和負(fù)荷都承擔(dān)了電力系統(tǒng)節(jié)能減排的責(zé)任，能激勵發(fā)電機(jī)組和負(fù)荷的節(jié)能降耗行為，在不犧牲社會效益的情況下降低系統(tǒng)碳排放，具有一定的可行性。
2)基于Aumann-Shapley法的分?jǐn)偨Y(jié)果給發(fā)電機(jī)組和負(fù)荷都合理地分?jǐn)偭艘欢ǖ奶钾?zé)任，具體地，其在發(fā)電側(cè)的分?jǐn)偨Y(jié)果與發(fā)電機(jī)組實(shí)際對系統(tǒng)的碳排放貢獻(xiàn)相符。在負(fù)荷側(cè)的分?jǐn)偨Y(jié)果能綜合體現(xiàn)負(fù)荷成員大小以及地理位置因素的影響。
本文對發(fā)電側(cè)與負(fù)荷側(cè)共同碳責(zé)任分?jǐn)偧半p側(cè)分?jǐn)倷C(jī)制的可行性進(jìn)行了初步探究，研究內(nèi)容可以為低碳背景下電力市場機(jī)制的設(shè)計提供較為可行的思路參考。后續(xù)研究擬在此基礎(chǔ)上，對發(fā)電機(jī)組和負(fù)荷基于碳責(zé)任分?jǐn)偨Y(jié)果的策略行為進(jìn)行研究，以更好地檢驗(yàn)基于Aumann-Shapley法的雙側(cè)碳責(zé)任分?jǐn)倷C(jī)制的有效性。
附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。
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