駱 釗，秦景輝，梁俊宇，沈 賦，劉泓志，趙 明，王菁慧

（1. 昆明理工大學(xué) 電力工程學(xué)院，云南 昆明 650500；2. 云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，云南 昆明 650217）

0 引言

習(xí)近平主席在2020 年第七十五屆聯(lián)合國大會上承諾，我國將于2030 年左右使二氧化碳排放達(dá)到峰值并爭取盡早實(shí)現(xiàn)，使非化石能源占一次能源消費(fèi)比重達(dá)到20%左右，努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和［1］。國家發(fā)改委、國家能源局在“十三五”規(guī)劃中明確制定了能源發(fā)展目標(biāo)和電力發(fā)展目標(biāo)，旨在增加非化石能源發(fā)電占比，依靠清潔能源初步構(gòu)建現(xiàn)代能源體系［2］。

綜合能源系統(tǒng)IES（Integrated Energy System）通過對能源的產(chǎn)生傳輸、分配轉(zhuǎn)換、存儲消費(fèi)等環(huán)節(jié)進(jìn)行協(xié)調(diào)和優(yōu)化，整合冷、熱、電、天然氣等多種能源，實(shí)現(xiàn)多能源間的協(xié)調(diào)規(guī)劃、優(yōu)化運(yùn)行，最終形成能源產(chǎn)、供、銷一體化，是實(shí)現(xiàn)減排目標(biāo)的重要技術(shù)手段之一［3］?？紤]節(jié)能減排的IES 調(diào)度運(yùn)行和模型方法的研究已取得了一定進(jìn)展。文獻(xiàn)［4］構(gòu)建以發(fā)電燃煤成本與碳排放成本最小為目標(biāo)的合同電量節(jié)能模型，分析碳排放權(quán)交易CET（Carbon Emission Trading）下2種節(jié)能調(diào)度模式對火電的影響；文獻(xiàn)［5］提出一種以系統(tǒng)綜合成本最小為目標(biāo)，考慮多能負(fù)荷不確定性的區(qū)域電氣IES 分布魯棒擴(kuò)展規(guī)劃模型；文獻(xiàn)［6］考慮電力、天然氣等相關(guān)約束，建立以系統(tǒng)投資成本最小為目標(biāo)的氣電互聯(lián)IES 長期協(xié)調(diào)規(guī)劃模型；文獻(xiàn)［7］在計(jì)算負(fù)荷節(jié)點(diǎn)和線路等效傳輸功率的基礎(chǔ)上將有損網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換為無損網(wǎng)絡(luò)，補(bǔ)充并完善碳排放流理論；文獻(xiàn)［8］在低碳經(jīng)濟(jì)理念的基礎(chǔ)上將階梯型CET 引入電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度中，建立含CET的大規(guī)模儲能-抽蓄復(fù)合優(yōu)化調(diào)度模型；文獻(xiàn)［9］考慮多能園區(qū)實(shí)時環(huán)境約束，將歷史碳排放量分解為多能園區(qū)碳排放量約束，建立含多能園區(qū)新型城鎮(zhèn)環(huán)境約束的優(yōu)化調(diào)度模型。現(xiàn)有研究在IES 中考慮的CET 模型較為簡單，且沒有考慮可再生能源出力不確定性導(dǎo)致交易存在的市場風(fēng)險，因此有必要深化CET模型以及引入市場風(fēng)險度量方法。

可再生能源配額制RPS（Renewable Portfolio Standard）和綠色證書交易GCT（Green Certificate Trading）機(jī)制為提高可再生能源發(fā)電消納率以及降低碳排放提供了新的途徑。文獻(xiàn)［10］建立含CET機(jī)制和電轉(zhuǎn)氣設(shè)備的電-氣-熱IES 模型，比較不同CET機(jī)制下系統(tǒng)的低碳性和經(jīng)濟(jì)性；文獻(xiàn)［11］基于合作博弈論構(gòu)建可再生能源發(fā)電商與配電商的綠色證書雙邊交易模型，定量計(jì)算GCT 機(jī)制實(shí)現(xiàn)社會福利最大化的基準(zhǔn)參數(shù)；文獻(xiàn)［12］提出綜合考慮能源和綠色證書市場日前預(yù)測和實(shí)時分析兩階段均衡模型，考慮可再生能源發(fā)電的不確定性，利用強(qiáng)對偶定理和二元展開方法將模型進(jìn)行線性化求解。目前IES中的高占比可再生能源面臨消納率低的問題，政府出臺了一系列政策來解決該問題，其中包括RPS 和GCT 機(jī)制［13］。相較于傳統(tǒng)的電價補(bǔ)貼政策，RPS 和GCT 機(jī)制是另一種選擇，其實(shí)質(zhì)是將可再生能源政府財(cái)政直補(bǔ)方式逐漸過渡到市場化補(bǔ)貼方式［14］。CET 和GCT 機(jī)制兩者互補(bǔ)，是兼顧電力經(jīng)濟(jì)和節(jié)能減排的重要手段，可有效減少電力系統(tǒng)的碳排放，系統(tǒng)為獲得綠色證書收益會優(yōu)先消納可再生能源，從而減少燃?xì)廨啓C(jī)的碳排放量。這既節(jié)省了碳配額，又可將剩余碳排放量進(jìn)行交易獲得碳收益，因此有必要將CET和GCT機(jī)制引入IES中。

鑒于此，本文提出含碳-綠色證書聯(lián)合交易機(jī)制的IES 優(yōu)化運(yùn)行模型。首先，分析CET 和GCT 機(jī)制以及在IES中實(shí)施該機(jī)制的可行性，現(xiàn)階段IES中可再生能源占比較高，具備實(shí)施CET 和GCT 機(jī)制的基礎(chǔ)；其次，建立計(jì)及CET 和GCT 機(jī)制的聯(lián)合交易市場價值風(fēng)險模型，并將其融入IES 優(yōu)化模型中，比較不同案例下模型的經(jīng)濟(jì)性，CET 和GCT 機(jī)制的引入可提高可再生能源消納率并降低系統(tǒng)運(yùn)行成本；最后，研究不同的CET價格、綠色證書價格以及天然氣價格對IES 運(yùn)行成本的影響，為CET 和GCT 價格制定及機(jī)制落地提供參考。

1 碳-綠色證書聯(lián)合交易概念

1.1 CET機(jī)制

CET 機(jī)制指通過建立合法的CET 認(rèn)定機(jī)制并允許對其進(jìn)行買賣，實(shí)現(xiàn)控制碳排放量的交易機(jī)制［15］。企業(yè)根據(jù)政府或者監(jiān)管部門制定的碳配額調(diào)節(jié)生產(chǎn)計(jì)劃。若該過程中產(chǎn)生的碳排放量高于碳配額，則需要從CET 市場中購買碳排放量；若碳排放量低于碳配額，則可出售多余的碳排放量，獲得相應(yīng)收益。

1.2 GCT機(jī)制

GCT 是對可再生能源發(fā)電商頒發(fā)的一種憑證，證明發(fā)電商有部分電力源于可再生能源［16］。GCT機(jī)制是保證RPS 有效貫徹的配套措施，實(shí)施RPS 和GCT機(jī)制的目的是將可再生能源發(fā)電由政府直補(bǔ)方式逐漸過渡到市場化補(bǔ)貼方式［17］。

1.3 碳-綠色證書聯(lián)合交易市場

為了完善CET 市場和GCT 機(jī)制，提高市場交易的靈活性，本文設(shè)計(jì)碳-綠色證書聯(lián)合交易市場框架，如圖1 所示。交易流程為：IES 向行政監(jiān)管部門提出申請，待監(jiān)管部門審核合格后參與GCT，監(jiān)管部門為各IES 分配不同的碳配額和可再生能源配額；滿足配額要求的IES 在GCT 平臺和CET 平臺上出售綠色證書和碳配額量，不滿足配額制要求的IES 或其他機(jī)構(gòu)可在平臺上購買綠色證書和碳配額量，以免被懲罰；IES 確定交易量和交易價格后，在各平臺上進(jìn)行交易結(jié)算，獲得相應(yīng)收益。

圖1 碳-綠色證書聯(lián)合交易市場框架Fig.1 Market framework of carbon-green certificate coordinated trading

2 碳-綠色證書成本模型

2.1 CET成本

現(xiàn)階段國內(nèi)主要采用免費(fèi)分配方法來分配碳配額。本文采用基準(zhǔn)線法和預(yù)分配的方法確定IES 中無償碳配額［18］。IES 中的碳排放源主要包括燃?xì)廨啓C(jī)和燃?xì)忮仩t，其免費(fèi)碳配額由式（1）確定。

式中：a1、b1、c1為燃?xì)廨啓C(jī)碳排放計(jì)算系數(shù)；a2、b2、c2為燃?xì)忮仩t碳排放計(jì)算系數(shù)；h為調(diào)度總時刻數(shù)，h=24。

階梯型CET成本計(jì)算模型［20］為：

式中：CCO2為IES 的CET 成本；λ為市場上的CET 價格；d為碳排放量區(qū)間長度；σ為各階梯CET 價格增長幅度，每上升一個階梯，CET價格增長σλ。CP

2.2 GCT模型

按照1.1 節(jié)介紹的可再生能源消納量和配額量的關(guān)系，設(shè)計(jì)GCT交易模型如式（4）所示。

2.3 碳-綠色證書聯(lián)合交易風(fēng)險度量

本文基于以下2點(diǎn)考量，引入條件風(fēng)險價值CVaR（Condition Value at Risk）方法來量化碳-綠色證書聯(lián)合交易的市場風(fēng)險程度［21］：CVaR 由風(fēng)險價值VaR（Value at Risk）發(fā)展而來，在碳-綠色證書聯(lián)合交易問題中，交易收入能夠度量交易量波動風(fēng)險的影響，反映“增加新能源消納”和“避免配額標(biāo)準(zhǔn)懲罰”的矛盾關(guān)系，是適用于CVaR 的建模對象；CVaR 能夠反映碳-綠色證書聯(lián)合交易決策結(jié)果的所有潛在損失，且模型不需要決策收益符合正態(tài)分布等對稱性分布，在碳-綠色證書聯(lián)合交易風(fēng)險度量中表現(xiàn)出極大的優(yōu)勢。

CET方i的市場風(fēng)險θCVaRi為：

假定共有g(shù)個CET 方，其在交易市場的整體風(fēng)險為：

CET方參與交易的市場風(fēng)險度量約束如下。

1）風(fēng)險值約束。

2）風(fēng)險值非負(fù)約束。

式中：Sz為市場中允許的風(fēng)險值限值，CET 方i在第z組歷史交易數(shù)據(jù)下的風(fēng)險值不得大于該值。

同理，GCT風(fēng)險度量值可表示為：

假定共有v個GCT 方，其進(jìn)入交易市場的整體風(fēng)險為：

GCT方參與交易市場風(fēng)險度量約束如下。

1）風(fēng)險值約束。

2）風(fēng)險值非負(fù)約束。

式中：Rj為市場中允許的風(fēng)險值限值，GCT 方i在第j組歷史交易數(shù)據(jù)下的風(fēng)險值不得大于該值。

綜上，本文將碳、綠色證書市場風(fēng)險分別乘以一個風(fēng)險偏好系數(shù)來表示考慮市場風(fēng)險價值的交易成本，即：

3 含碳-綠色證書聯(lián)合交易的IES優(yōu)化模型

本文建立基于能源集線器的IES如圖2所示［22］。其中能量輸入為電網(wǎng)、燃?xì)廨啓C(jī)、風(fēng)電、光伏和天然氣；能量轉(zhuǎn)化設(shè)備為燃?xì)忮仩t、電制冷機(jī)、余熱回收裝置；能量存儲設(shè)備為蓄電池、儲熱裝置和儲氣裝置。下文具體介紹含碳-綠色證書聯(lián)合交易的IES優(yōu)化調(diào)度詳細(xì)模型。

圖2 IES結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of IES

3.1 目標(biāo)函數(shù)

對于含CET 和GCT 機(jī)制的并網(wǎng)運(yùn)行IES，考慮到配額制要求和存在的市場風(fēng)險，將2.3 節(jié)中考慮CVaR 的碳-綠色證書聯(lián)合交易模型引入IES 優(yōu)化模型中，以購電成本、購氣成本、CET成本、綠色證書收益和系統(tǒng)中其他設(shè)備運(yùn)維成本最小為目標(biāo)函數(shù)：

式中：C為IES 運(yùn)行成本，單位為元；Ce為購電成本，單位為元；Cgas為購氣成本，單位為元；Ces為蓄電池運(yùn)行維護(hù)成本，單位為元；Chs為儲熱設(shè)備運(yùn)行維護(hù)成本，單位為元。

購電成本為：

購氣成本為：

式中：cgas為天然氣單位熱值價格；ηg、ηb分別為燃?xì)廨啓C(jī)和燃?xì)忮仩t的效率。

假設(shè)蓄電池的單次充、放電成本相同，購買成本為Cpurchase，無損壞情況下使用次數(shù)為Mcycles，則其單次完全充、放電成本Cr為：

則蓄電池運(yùn)行維護(hù)成本為：

3.2 約束條件

1）綠色證書市場最低售價應(yīng)為可再生能源電價附加資金補(bǔ)貼的資金現(xiàn)值，最高售價不應(yīng)高于對應(yīng)電量的可再生能源上網(wǎng)電價與燃?xì)廨啓C(jī)標(biāo)桿電價差值，則綠色證書市場最低、最高售價限額分別為：

2）綠色證書配額約束。式中：G為量化系數(shù)，即生產(chǎn)單位綠色電能可獲得綠色證書數(shù)量；αi為GCT方i在給定時間內(nèi)可再生能源發(fā)電占比；Pi為GCT方i實(shí)際發(fā)電量；Ggre為綠色證書數(shù)量；ηi為GCT 方i初始分配電量；Pi0為GCT 方i初始分配電量。

9）天然氣-熱量轉(zhuǎn)換約束。

13）購電功率約束。

16）能量轉(zhuǎn)換裝置電制冷機(jī)、吸附式制冷機(jī)、余熱鍋爐、電熱鍋爐以及熱交換器的約束分別為：

4 算例分析

4.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

為了驗(yàn)證所提優(yōu)化模型的有效性，選擇某地區(qū)IES 進(jìn)行算例分析，算例中的設(shè)備容量及參數(shù)如附錄A 表A1 所示。為衡量所提模型的長期效益，本文選取春、夏、秋、冬四季的典型日進(jìn)行分析比較。設(shè)置日前調(diào)度為24個時段，調(diào)度時長為1 h。求解時將系統(tǒng)碳排放量進(jìn)行分段線性化處理，將每個區(qū)間的調(diào)度模型轉(zhuǎn)換為混合整數(shù)線性規(guī)劃MILP（Mixed Integer Linear Programming）問題。本文采用YALMIP+CPLEX進(jìn)行仿真求解。

考慮到GCT 機(jī)制處于發(fā)展階段，設(shè)定綠色證書價格為100 元／本，CET 價格為0.15 元／kg，懲罰費(fèi)用為綠色證書價格或CET 價格的3 倍。系統(tǒng)的冷、熱、電負(fù)荷如附錄A 圖A1所示，光伏、風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)如附錄A 圖A2 所示，實(shí)時電價數(shù)據(jù)如附錄A 圖A3 所示。天然氣價格為0.35元／（kW·h）。

4.2 IES優(yōu)化結(jié)果分析

本文建立5 個場景來分析所提含碳-綠色證書聯(lián)合交易機(jī)制的IES 優(yōu)化模型的經(jīng)濟(jì)性：場景Ⅰ中IES 不考慮CET 和GCT；場景Ⅱ中IES 僅考慮GCT，不考慮CET；場景Ⅲ中IES僅考慮CET，不考慮GCT；場景Ⅳ中IES 同時考慮CET 和GCT；場景Ⅴ中IES 不僅考慮CET 和GCT 且考慮CET 和GCT 的市場風(fēng)險（CVaR）。冬季算例調(diào)度結(jié)果如表1 所示。其他季節(jié)算例調(diào)度結(jié)果見附錄A 表A2。以冬季典型日為例對調(diào)度結(jié)果展開分析。

由表1 可知：與場景Ⅰ相比，場景Ⅱ—Ⅴ的IES運(yùn)行成本分別降低了10 389.79、4 542.78、15 475.70、13 972.22 元；與僅考慮GCT 的場景Ⅱ相比，場景Ⅳ綠色證書收益增加了325.62元，IES運(yùn)行成本降低了14.1%；與僅考慮CET 的場景Ⅲ相比，場景Ⅳ的碳收益增加了217.51 元，IES 運(yùn)行成本降低了26.2%；場景Ⅳ的系統(tǒng)運(yùn)行整體經(jīng)濟(jì)性最佳，這是由于考慮CET 和GCT 機(jī)制后，系統(tǒng)可通過提高可再生能源消納來獲得綠色證書和碳收益；與場景Ⅳ相比，場景Ⅴ的碳收益減少了450.25 元，綠色證書收益減少了1 053.23 元，IES 運(yùn)行成本增加了1 503.48 元，這是由于引入CVaR 后，由于可再生能源出力的不確定性，系統(tǒng)減少了對其消納，且系統(tǒng)對市場風(fēng)險有一定程度的厭惡，雖然引入CVaR 導(dǎo)致IES 運(yùn)行成本增加，但尚可接受。由此可見，CET 和GCT 有良好的節(jié)能減排作用，將其引入IES中有較好的經(jīng)濟(jì)性與可行性。

表1 冬季算例調(diào)度結(jié)果Table 1 Scheduling results of case in winter

4.3 CET價格和排放量對IES運(yùn)行成本的影響

圖3為階梯型CET價格對IES運(yùn)行成本的影響。由圖可知：在CET 價格由0 增至0.25 元／kg 的過程中，系統(tǒng)的外購能源成本增加，IES 運(yùn)行成本隨之增加；在CET 價格由0.25 元／kg 增至0.50 元／kg 的過程中，系統(tǒng)外購能源由電力轉(zhuǎn)向天然氣，系統(tǒng)的外購能源成本增加，系統(tǒng)的碳排放量曲線下降速度變緩，這是由于較高的CET 價格激勵系統(tǒng)限制碳排放量，CET 價格越高，系統(tǒng)對碳排放量的約束越強(qiáng)，帶來的碳收益增加，IES運(yùn)行成本隨之降低。

圖3 CET價格對IES運(yùn)行成本的影響Fig.3 Impact of CET price on operation cost of IES

圖4 為不同場景下燃?xì)鈾C(jī)組（燃?xì)忮仩t+燃?xì)廨啓C(jī)）的功率。圖中：場景Ⅰ中燃?xì)鈾C(jī)組優(yōu)先發(fā)電以及保證供熱平衡，機(jī)組功率較多；場景Ⅱ中系統(tǒng)提高了對可再生能源的消納，燃?xì)鈾C(jī)組功率開始減少，并帶來額外的綠色證書收益；場景Ⅲ中系統(tǒng)加強(qiáng)碳排放量約束，進(jìn)一步減少了燃?xì)鈾C(jī)組功率，并帶來了綠色證書收益；場景Ⅳ中系統(tǒng)加強(qiáng)對碳排放量的約束，且增加對可再生能源電量的消納，燃?xì)鈾C(jī)組功率達(dá)到最低；場景Ⅴ中由于可再生能源出力的不確定性，系統(tǒng)減少了對其消納，電、熱負(fù)荷由燃?xì)鈾C(jī)組承擔(dān)，燃?xì)鈾C(jī)組功率有所增加，但仍低于場景Ⅲ中功率值，保證了系統(tǒng)運(yùn)行的環(huán)保性。

圖4 燃?xì)鈾C(jī)組功率Fig.4 Power of gas-fired units

4.4 綠色證書-天然氣價格對IES運(yùn)行成本的影響

圖5為綠色證書-天然氣價格對IES運(yùn)行成本的影響。由圖可以得出如下結(jié)論。

圖5 綠色證書-天然氣價格對IES運(yùn)行成本的影響Fig.5 Impact of green certificate-gas price on operation cost of IES

1）當(dāng)購氣價格由0.25 元／kg 增至0.35 元／kg、綠色證書價格為50～70元／本時，IES 運(yùn)行成本增長速度較快，這是由于較低的綠色證書價格對IES 運(yùn)行成本的影響較小，系統(tǒng)主要以燃?xì)獍l(fā)電為主。而當(dāng)綠色證書價格為80～100 元／本時，較高的綠色證書價格平抑了系統(tǒng)的購氣成本，IES運(yùn)行成本增長趨勢趨于平緩。

2）當(dāng)購氣價格由0.35 元／kg 增至0.40 元／kg、綠色證書價格為70元／本，及購氣價格由0.40元／kg增至0.45 元／kg、綠色證書價格為80 元／本時，IES運(yùn)行成本上升速度較快，說明此時IES 運(yùn)行成本對綠色證書價格的變化十分敏感。

3）當(dāng)購氣價格由0.40 元／kg 增至0.50 元／kg、綠色證書價格為50～70元／本時，IES 運(yùn)行成本上升速度較快，這是由于較高的購氣成本和較低的綠色證書收益會導(dǎo)致IES運(yùn)行成本上升。

4.5 碳-天然氣價格對IES運(yùn)行成本的影響

圖6 為碳-天然氣價格對IES 運(yùn)行成本的影響。由圖可以得出如下結(jié)論。

圖6 碳-天然氣價格對IES運(yùn)行成本的影響Fig.6 Impact of carbon-gas price on operation cost of IES

1）天然氣價格的變化會影響系統(tǒng)CET成本的相對權(quán)重。當(dāng)系統(tǒng)的購氣價格不變時，IES運(yùn)行成本隨著CET 價格的增加而降低，這是由于當(dāng)系統(tǒng)的CET價格較高時，CET 成本的相對權(quán)重較高，IES 運(yùn)行成本降低。

2）當(dāng)CET 價格不變時，IES 運(yùn)行成本隨著購氣價格的增加而增加。當(dāng)購氣價格由0.25元／kg增至0.40 元／kg 時，IES 運(yùn)行成本上升趨勢較快，說明此時天然氣價格對系統(tǒng)CET成本相對權(quán)重的影響較為明顯；而當(dāng)購氣價格由0.40 元／kg 增至0.55 元／kg時，隨著CET 價格的增加，IES 運(yùn)行成本變化趨勢平緩，說明CET 成本的相對權(quán)重與購氣價格變化的影響逐漸達(dá)到平衡。

5 結(jié)論

本文基于CET 和GCT 機(jī)制，建立IES 中考慮CVaR 的碳-綠色證書聯(lián)合交易低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型。綜合考慮CET 和GCT 的特點(diǎn)，比較不同調(diào)度模型的結(jié)果并分析不同CET價格和綠色證書價格對系統(tǒng)運(yùn)行成本的影響，主要結(jié)論如下：

1）CET和GCT機(jī)制以市場化的方式實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，使得IES 為實(shí)現(xiàn)自身利益最大化而優(yōu)先考慮消納可再生能源電量，具有良好的經(jīng)濟(jì)性與可行性；

2）IES 參與碳和綠色證書市場風(fēng)險會影響自身收益，可再生能源出力的不確定性導(dǎo)致GCT 數(shù)量的變化，對綠色證書收益影響較大；

3）在IES中實(shí)施CET和GCT機(jī)制，充分考慮CET和GCT 相互激勵和互補(bǔ)特性，符合國家“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)，算例證明了該模型在經(jīng)濟(jì)和環(huán)保上的優(yōu)越性。

綜上所述，CET 和GCT 不僅契合國家“雙碳”目標(biāo)、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)以及保護(hù)環(huán)境氣候等政策要求，而且算例結(jié)果可進(jìn)一步為CET 和GCT 機(jī)制的制度建設(shè)及定價提供參考。

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