付蓉,陳金輝,葛輝,梁肖,王正風(fēng),馬大衛(wèi)
(1.南京郵電大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院、人工智能學(xué)院,江蘇 南京 210023;2.國(guó)網(wǎng)安徽省電力有限公司,安徽 合肥 230022;3.安徽省電力科學(xué)研究院,安徽 合肥 230601)
隨著可再生能源的發(fā)展,風(fēng)光資源分布不均衡、運(yùn)維成本高導(dǎo)致的可再生能源利用率低、市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力不足等問(wèn)題也慢慢浮現(xiàn)出來(lái)。為解決上述問(wèn)題,綠證、配額制和碳排放權(quán)交易等方法相繼應(yīng)用于市場(chǎng)交易[1]。
綠證是國(guó)家對(duì)發(fā)電企業(yè)每兆瓦時(shí)非水可再生能源上網(wǎng)電量頒發(fā)的具有唯一代碼標(biāo)識(shí)的電子憑證,是可再生能源發(fā)電環(huán)境價(jià)值的外部表征,可轉(zhuǎn)讓?zhuān)山灰住E漕~制是一種由行政(監(jiān)管)機(jī)構(gòu)對(duì)市場(chǎng)主體最低使用的可再生能源電量進(jìn)行強(qiáng)制約束的制度。其主要作用是督促市場(chǎng)主體在周期內(nèi)完成市場(chǎng)指標(biāo),否則會(huì)受到懲罰。配額制的主要目的是將可再生能源由政府補(bǔ)貼轉(zhuǎn)變成由社會(huì)補(bǔ)貼,用市場(chǎng)來(lái)確定可再生能源的價(jià)值[2]。碳排放權(quán)則是市場(chǎng)主體可以排放二氧化碳的權(quán)利,通過(guò)碳排放權(quán)交易市場(chǎng)對(duì)碳排放份額進(jìn)行交易,不僅有利于通過(guò)配額制限制碳排放,還可以為低碳企業(yè)帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益,提高低碳行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。
針對(duì)碳排放權(quán)交易和綠證交易,國(guó)內(nèi)外有很多相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了研究。在碳排放權(quán)交易方面,崔楊等[3]研究了考慮階梯式碳交易的綜合能源系統(tǒng)低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度,比較了不同碳排放權(quán)交易機(jī)制下系統(tǒng)的低碳性和經(jīng)濟(jì)性。張立輝等[4]研究了碳排放權(quán)交易下虛擬電廠經(jīng)濟(jì)調(diào)度方法,使可再生能源能參與到排放權(quán)碳交易中,并促進(jìn)用戶(hù)側(cè)與發(fā)電側(cè)的協(xié)同。矯舒美等[5]提出了一種綜合能源系統(tǒng)全生命周期碳排放和碳排放權(quán)交易機(jī)制的電轉(zhuǎn)氣設(shè)備和光伏容量聯(lián)合配置方法,探討了碳排放權(quán)交易機(jī)制對(duì)優(yōu)化配置結(jié)果的影響。陳錦鵬等[6]研究了考慮階梯式碳排放權(quán)交易機(jī)制與電制氫的綜合能源系統(tǒng)熱電優(yōu)化問(wèn)題,探討了多目標(biāo)成本與經(jīng)濟(jì)性的關(guān)聯(lián)性。盧浩鵬等[7]提出了計(jì)及碳排放權(quán)交易下熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組和電鍋爐聯(lián)合運(yùn)行的棄風(fēng)消納策略,通過(guò)引入階梯式碳排放權(quán)交易與優(yōu)化運(yùn)行模式,解決了傳統(tǒng)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的熱電耦合特性以及冬季采暖期間棄風(fēng)消納問(wèn)題。但上述研究都沒(méi)有考慮到碳排放權(quán)交易與電力市場(chǎng)交易間互相影響,以及如何通過(guò)交易互聯(lián)來(lái)促進(jìn)交易優(yōu)化的問(wèn)題。
在綠證交易方面,彭謙等[8]建立了能夠公平反映不同可再生能源電廠差異性的綠證核發(fā)評(píng)價(jià)體系,構(gòu)建了綠證交易出清模型,探討了可再生能源消納百分比對(duì)綠證價(jià)格的影響。曲明等[9]建立了考慮可再生能源隨機(jī)性的綠證交易模型,提出了基于綠證交易的可再生能源電力消納責(zé)任權(quán)重指標(biāo)。魏震波等[10]考慮交易中交易主體之間的購(gòu)售博弈與偏差懲罰風(fēng)險(xiǎn),研究了含雙邊儲(chǔ)備市場(chǎng)及綠證交易的現(xiàn)貨交易機(jī)制。張顯等[11]研究了基于區(qū)塊鏈的可再生能源超額消納量交易體系,從規(guī)則制定、分配原則、數(shù)據(jù)共享等方面提出促進(jìn)中國(guó)可再生能源消納發(fā)展的建議。武群麗等[12]研究了可再生能源配額和綠色證書(shū)制度的落實(shí)對(duì)跨省區(qū)電力市場(chǎng)及綠色證書(shū)交易之間存在的復(fù)雜關(guān)系的影響,制定了配額比例分配策略,促進(jìn)了可再生能源的跨區(qū)消納。蔡元紀(jì)等[13]研究了基于區(qū)塊鏈綠色證書(shū)交易平臺(tái)的概念與實(shí)踐,為綠證交易平臺(tái)的建立提出了創(chuàng)造性的建議。馮昌森等[14]研究了基于智能合約的綠證交易,為保護(hù)交易數(shù)據(jù)的安全性和用戶(hù)隱私提出了設(shè)想。但是上述研究中很少提及碳排放權(quán)和綠證聯(lián)合交易,并且交易過(guò)程中與中長(zhǎng)期集中競(jìng)價(jià)交易之間缺乏經(jīng)濟(jì)聯(lián)系,難以有效促進(jìn)可再生能源消納和發(fā)電機(jī)組減排。
針對(duì)月度集中競(jìng)價(jià)交易結(jié)果存在的火電機(jī)組碳排放量超標(biāo)、可再生能源消納不足、碳排放權(quán)購(gòu)買(mǎi)成本過(guò)高等問(wèn)題,本文構(gòu)建一種碳—綠證聯(lián)合交易與月度集中競(jìng)價(jià)交易交互的機(jī)制,給出不同機(jī)組月度綠證配額和碳排放權(quán)配額的計(jì)算辦法,提出碳—綠證聯(lián)合交易與月度集中競(jìng)價(jià)的雙層聯(lián)合優(yōu)化策略來(lái)合理配置碳排放權(quán)與綠證,利用不同交易間的交互優(yōu)化促進(jìn)可再生能源發(fā)電消納與碳排放量削減,促進(jìn)環(huán)境友好型社會(huì)的建立。
目前,碳排放權(quán)和綠證分別在碳交易和綠證市場(chǎng)獨(dú)立運(yùn)行交易,使得發(fā)電廠的綠證和碳排放權(quán)需求缺乏數(shù)據(jù)互通,造成了可再生能源消納不足及火電機(jī)組購(gòu)買(mǎi)綠證和碳排放權(quán)成本過(guò)高等問(wèn)題。
為此,本文提出碳—綠證聯(lián)合交易與月度集中競(jìng)價(jià)的雙層交互結(jié)構(gòu),如圖1所示。通過(guò)上層月度集中競(jìng)價(jià)交易和下層碳—綠證聯(lián)合交易的反復(fù)優(yōu)化交互,不斷優(yōu)化更新火電機(jī)組的月度電能量交易結(jié)果,指導(dǎo)化石能源企業(yè)減少二氧化碳排放。
圖1 碳—綠證和月度集中競(jìng)價(jià)交易雙層交互的結(jié)構(gòu)示意圖
月度集中競(jìng)價(jià)交易作為上層模型,以火電商、綠電商和用戶(hù)作為市場(chǎng)主體,以發(fā)電商和用戶(hù)的社會(huì)效益最大化為目標(biāo),求解出發(fā)電機(jī)組和用戶(hù)的月度交易出清電量,為下層碳—綠證聯(lián)合交易優(yōu)化提供電量交易信息。上層月度集中競(jìng)價(jià)交易出清的社會(huì)效益最大化目標(biāo)函數(shù)f1為:
式中:N是火電機(jī)組數(shù)量;S是可再生能源機(jī)組數(shù)量;Z是用戶(hù)數(shù)量;pf,i,s、Qf,i,s是第i臺(tái)火電機(jī)組的月度申報(bào)價(jià)格和電量;pn,j,s、Qn,j,s是第j臺(tái)可再生能源機(jī)組的月度申報(bào)價(jià)格和電量;py,w,s、Qy,w,s是第w個(gè)用戶(hù)的月度申報(bào)價(jià)格和電量。
月度集中競(jìng)價(jià)交易的約束條件有:
(1)申報(bào)電量的上、下限約束為:
式中:Qf,s,max、Qn,s,max和Qy,s,max分別為火電機(jī)組、可再生能源機(jī)組和用戶(hù)月度申報(bào)電量的上限值。
(2)申報(bào)價(jià)格的上、下限約束為:
式中:pf,s,max、pf,s,min分別為火電機(jī)組月度申報(bào)價(jià)格的上、下限值;pn,s,max、pn,s,min分別為可再生能源機(jī)組月度申報(bào)價(jià)格的上、下限值;p y,s,max、py,s,min分別為用戶(hù)月度申報(bào)價(jià)格的上、下限值。
上層月度集中競(jìng)價(jià)交易完成后,第i臺(tái)火電機(jī)組的出清電量和價(jià)格分別表示為Qf,i、pf,i,第j臺(tái)可再生能源機(jī)組的出清電量和價(jià)格分別表示為Qn,j、pn,j,第w個(gè)用戶(hù)的出清電量和價(jià)格分別表示為Qy,w、py,w。根據(jù)月度集中競(jìng)價(jià)的交易出清電量,可計(jì)算分配給各發(fā)電機(jī)組的碳排放權(quán)及綠證配額,為下層碳—綠證聯(lián)合交易提供決策依據(jù)。
1.3.1 碳排放權(quán)配額分配
目前,依據(jù)《2019—2020年全國(guó)碳排放權(quán)交易配額總量設(shè)定與分配實(shí)施方案》,采用核查法計(jì)算第i臺(tái)火電機(jī)組碳排放權(quán)配額[15]:
式中:Bf,i,g為基于核查法計(jì)算的第i臺(tái)火電機(jī)組碳排放權(quán)配額;Qf,i為第i臺(tái)火電機(jī)組的月度出清電量;Ae為火電機(jī)組所屬類(lèi)別的供電基準(zhǔn)值;F1為火電機(jī)組冷卻方式修正系數(shù);Fr為火電機(jī)組供熱量修正系數(shù);Ff為火電機(jī)組負(fù)荷(出力)系數(shù)修正系數(shù);Fs1為火電機(jī)組根據(jù)實(shí)際檢測(cè)量給定的修正系數(shù)。
實(shí)際上,受供電煤耗、廠用電率、燃煤碳氧化率、脫硫過(guò)程等環(huán)節(jié)影響,燃煤火電機(jī)組即使在相同供電出力下,碳排放權(quán)的實(shí)測(cè)值并不同。例如,采用非分散紅外二氧化碳檢測(cè)儀,實(shí)測(cè)一臺(tái)容量為660 MVA的火電機(jī)組在不同出力下的碳排放量。當(dāng)機(jī)組出力分別為600 MW和350 MW時(shí),二氧化碳排放濃度實(shí)測(cè)值如表1所示。
表1 660 MW機(jī)組二氧化碳排放濃度實(shí)測(cè)值
根據(jù)火電機(jī)組不同出力下的煙氣流量和二氧化碳摩爾質(zhì)量,求出火電機(jī)組不同負(fù)荷率下,表1對(duì)應(yīng)每發(fā)1 MWh電量排放的二氧化碳質(zhì)量(單位:t·MWh-1),如表2所示。
表2 660 MW機(jī)組二氧化碳排放質(zhì)量計(jì)算值單位:t·MWh-1
提取第i臺(tái)火電機(jī)組的負(fù)荷率zi,1、實(shí)測(cè)碳排放量zi,2、廠用電率zi,3、碳減排成本zi,4等m個(gè)指標(biāo)作為對(duì)碳排放權(quán)配額有影響的指標(biāo)量zi,m,利用熵值法計(jì)算各指標(biāo)量的歸一化熵值[16]:
式中:νi,m是第i臺(tái)火電機(jī)組第m個(gè)指標(biāo)量的熵值;zi,m是第i臺(tái)火電機(jī)組第m個(gè)指標(biāo)量的標(biāo)幺值;M是指標(biāo)量個(gè)數(shù)。
將歸一化處理的熵值作為碳排放權(quán)配額分配權(quán)重系數(shù),提出采用實(shí)測(cè)碳排放量熵權(quán)值和核查法綜合的方法計(jì)算第i臺(tái)火電機(jī)組的碳排放權(quán)配額Bf,i:
根據(jù)各個(gè)用戶(hù)的出清電量,可得第w個(gè)用戶(hù)的碳排放權(quán)配額Bp,w為:
式中:B為區(qū)域總的碳排放權(quán)配額總量。
1.3.2 月度可再生能源消納權(quán)重指標(biāo)
受可再生能源發(fā)電量隨機(jī)性波動(dòng)、負(fù)荷季節(jié)性變化等因素影響,每月的可再生能源消納情況存在顯著變化?,F(xiàn)有的保障性利用小時(shí)數(shù)按照年度總量進(jìn)行考核,難以科學(xué)反映可再生能源月度消納情況。本文分析計(jì)算可再生能源的月度保障性收購(gòu)利用小時(shí)數(shù),提出月度可再生能源消納權(quán)重指標(biāo)的測(cè)算方法。
根據(jù)歷史年份可再生能源發(fā)電數(shù)據(jù)、歷史氣象采集數(shù)據(jù),分析各年度不同季節(jié)季晴、雨等各類(lèi)天氣概率分布情況,可再生能源的月度保障性收購(gòu)利用小時(shí)數(shù)指標(biāo)逐月測(cè)算為:
式中:Jk為月度k的保障性收購(gòu)利用小時(shí)數(shù);Qn,j,b為當(dāng)月可再生能源發(fā)電量預(yù)測(cè)值;ck為當(dāng)月k的可再生能源發(fā)電舍棄量,由上月舍棄量結(jié)合當(dāng)月發(fā)電量預(yù)測(cè)值進(jìn)行等比例換算;bk為當(dāng)月k的可再生能源機(jī)組并網(wǎng)容量。
根據(jù)提出的月度保障性收購(gòu)利用小時(shí)數(shù),計(jì)算月度可再生能源消納權(quán)重指標(biāo):
式中:μk為月度k的可再生能源消納權(quán)重指標(biāo);T為當(dāng)月天數(shù)。
月度可再生能源消納權(quán)重指標(biāo)的提出,一方面針對(duì)性地解決了不同月份負(fù)荷波動(dòng)不一致導(dǎo)致的新能源消納問(wèn)題,促進(jìn)了新能源發(fā)電資源的合理利用;另一方面,針對(duì)火電機(jī)組的過(guò)度碳排放,月度可再生能源消納權(quán)重指標(biāo)規(guī)定了火電機(jī)組的綠證配額要求,有利于促進(jìn)綠證交易和低碳減排。
1.3.3 基于消納權(quán)重指標(biāo)分配綠證配額
根據(jù)提出的月度可再生能源消納權(quán)重指標(biāo)和用戶(hù)的月度出清電量,求解出發(fā)電機(jī)組總的綠證配額量A為:
根據(jù)不同發(fā)電機(jī)組的月度出清電量,將發(fā)電機(jī)組總的月度綠證配額量依次分解為可再生能源機(jī)組和火電機(jī)組的月度綠證配額。其中,第j臺(tái)可再生能源機(jī)組的月度綠證配額Ag,j為:
式中:αj為第j臺(tái)可再生能源機(jī)組綠證配額權(quán)重,一般根據(jù)不同的機(jī)組等級(jí)由歷史出力數(shù)據(jù)與當(dāng)期天氣情況(光照、風(fēng)力)確定,取值區(qū)間為[0.2, 0.3]。
根據(jù)月度集中競(jìng)價(jià)交易中不同火電機(jī)組的月度出清電量,求得第i臺(tái)火電機(jī)組的月度綠證配額Ag,i為:
1.4.1 碳—綠證聯(lián)合交易運(yùn)行機(jī)制
碳—綠證聯(lián)合交易時(shí),擁有碳排放權(quán)以及綠證配額的火電商、綠電商和用戶(hù)都可以作為市場(chǎng)主體進(jìn)行交易。交易開(kāi)啟前,監(jiān)管部門(mén)對(duì)交易主體提供初始碳排放權(quán)配額,并根據(jù)市場(chǎng)主體當(dāng)月的出清電量來(lái)計(jì)算當(dāng)月實(shí)際碳排放量,核算出市場(chǎng)主體當(dāng)月碳排放權(quán)缺額或余額;根據(jù)交易主體當(dāng)月出清電量審查,生成綠電商的綠證配額,并核發(fā)綠證數(shù)量。市場(chǎng)主體通過(guò)集中競(jìng)價(jià)的形式進(jìn)行碳—綠證聯(lián)合交易。交易后,監(jiān)管部門(mén)對(duì)被交易綠證、碳排放權(quán)和有效周期進(jìn)行確認(rèn),并進(jìn)行所有權(quán)的轉(zhuǎn)移。
火電商根據(jù)火電機(jī)組當(dāng)月的出清電量Qf,i計(jì)算其實(shí)際排出的碳排放量。設(shè)火電機(jī)組電量與二氧化碳排放對(duì)應(yīng)的擬合折算因子為δ,當(dāng)?shù)趇臺(tái)火電機(jī)組出清電量為Qf,i時(shí),需要的二氧化碳排放權(quán)為δQf,i。與機(jī)組碳排放權(quán)配額Bf,i比,則火電機(jī)組的碳排放權(quán)缺額為δQf,i-Bf,i。由于火電機(jī)組無(wú)法產(chǎn)出可再生能源電量,故第i臺(tái)火電機(jī)組的綠證缺額量為其綠證配額Ag,i。
綠電商將第j臺(tái)可再生能源機(jī)組的出清電量Qn,j進(jìn)行折算,由于1個(gè)綠證代表1 MWh的可再生能源電量,將折算因子χ取1,可得第j臺(tái)可再生能源機(jī)組共排放出χQn,j個(gè)綠證。與綠證配額Ag,j相比,得到第j臺(tái)可再生能源機(jī)組的綠證余額為χQn,j-Ag,j。同理,第w個(gè)用戶(hù)的碳排放權(quán)余額為Bp,w。
當(dāng)市場(chǎng)主體的碳排放權(quán)或綠證的缺額大于0時(shí),提出采用下層的碳—綠證聯(lián)合交易,通過(guò)碳排放權(quán)或者綠證的交易來(lái)滿足市場(chǎng)主體的碳排放權(quán)與綠證需求。
1.4.2 碳—綠證聯(lián)合交易出清模型
碳—綠證聯(lián)合交易采用集中競(jìng)價(jià)交易的方式,由于碳排放權(quán)和綠證是兩種不同的交易物品,無(wú)法在一個(gè)市場(chǎng)中進(jìn)行交易。廣義虛擬經(jīng)濟(jì)理論可將二元價(jià)值容介態(tài)視作廣義虛擬經(jīng)濟(jì),拓展了傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)理論的范疇[17]。為此,基于廣義虛擬經(jīng)濟(jì)理論,提出將碳排放權(quán)和綠證轉(zhuǎn)換為同一個(gè)標(biāo)的物—綠碳來(lái)進(jìn)行交易。廣義虛擬經(jīng)濟(jì)理論提倡對(duì)人本價(jià)值和環(huán)境價(jià)值的關(guān)注,計(jì)及碳排放權(quán)和綠證的環(huán)境價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益,提出以發(fā)電商和用戶(hù)的綠碳交易成本以及環(huán)境清潔成本最優(yōu)為目標(biāo),制定碳排放權(quán)和綠證的聯(lián)合交易方案。
下層碳—綠證聯(lián)合交易出清模型根據(jù)上層模型月度集中競(jìng)價(jià)出清結(jié)果求得碳排放權(quán)和綠證的需求值,基于廣義虛擬經(jīng)濟(jì)理論將碳排放權(quán)和綠證以δ∶χ的折算因子轉(zhuǎn)換成為綠碳虛擬標(biāo)的物來(lái)進(jìn)行聯(lián)合交易,建立綠碳交易社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益γ1和清潔度效益γ2最大化的目標(biāo)函數(shù)f2為:
式中:pc,w,s、qc,w,s為第w個(gè)用戶(hù)出售綠碳的申報(bào)價(jià)格和申報(bào)數(shù)量;pg,j,s、qg,j,s為第j臺(tái)可再生能源機(jī)組出售綠碳的申報(bào)價(jià)格和申報(bào)數(shù)量;pg,i,s、qg,i,s為第i臺(tái)火電機(jī)組購(gòu)售綠碳的申報(bào)價(jià)格和申報(bào)數(shù)量;d1為每個(gè)綠碳中綠證對(duì)應(yīng)的環(huán)境經(jīng)濟(jì)費(fèi)用;d2為每個(gè)綠碳中碳排放權(quán)對(duì)應(yīng)的治污費(fèi)用。
碳—綠證聯(lián)合交易出清的約束條件有:
(1)綠碳交易量的約束條件為:
式中:qg,s,max為綠碳申報(bào)數(shù)量的上限值。
(2)綠碳交易價(jià)格的約束條件為:
式中:ν1、u1分別為綠碳申報(bào)價(jià)格的上、下限值。
對(duì)碳排放權(quán)和綠證進(jìn)行聯(lián)合交易出清,聯(lián)合交易出清完畢后再分別折算碳排放權(quán)與綠證,可得第i臺(tái)火電機(jī)組的碳排放權(quán)出清價(jià)格pc,i和出清量qc,i,綠證出清價(jià)格pg,i和出清量qg,i,第j臺(tái)可再生能源的綠證出清價(jià)格pg,j、出清量qg,j,第w個(gè)用戶(hù)的碳排放權(quán)出清價(jià)格pc,k和出清量qc,k。
雙層聯(lián)合交易模型中,各市場(chǎng)主體通過(guò)上層月度集中競(jìng)價(jià)交易得到火電機(jī)組、可再生能源機(jī)組和用戶(hù)的出清電量以及出清電價(jià)。根據(jù)火電機(jī)組的出清電量計(jì)算所需的碳排放量和綠證,與火電機(jī)組碳排放權(quán)配額和綠證配額相比較,得到火電機(jī)組的碳排放權(quán)和綠證缺額或余額量??稍偕茉礄C(jī)組根據(jù)出清電量計(jì)算出售的綠證,與配額比較得出綠證的余額。用戶(hù)根據(jù)所申報(bào)的碳排放量,與配額比較得出碳排放權(quán)的余額。各市場(chǎng)主體根據(jù)碳排放權(quán)和綠證的余額或缺額參與下層的碳—綠證聯(lián)合交易。下層碳—綠證聯(lián)合交易以綠碳標(biāo)的物的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境價(jià)值最優(yōu)為目標(biāo),對(duì)火電機(jī)組、可再生能源機(jī)組和用戶(hù)的碳排放權(quán)和綠證交易量進(jìn)行資源協(xié)調(diào)。
依據(jù)碳—綠證聯(lián)合交易結(jié)果,月度集中競(jìng)價(jià)交易重新調(diào)整各市場(chǎng)主體的申報(bào)電量和電價(jià)。將上下層相互迭代優(yōu)化,直到滿足各市場(chǎng)主體的碳排放權(quán)和綠證的需求,雙層優(yōu)化過(guò)程結(jié)束,輸出各市場(chǎng)主體的出清電量、碳排放權(quán)和綠證交易量。具體流程圖詳見(jiàn)圖2。
圖2 雙層聯(lián)合交易流程圖
綜上,構(gòu)建月度集中競(jìng)價(jià)交易和碳—綠證聯(lián)合交易的雙層優(yōu)化模型為:
雙層優(yōu)化模型經(jīng)過(guò)二階錐轉(zhuǎn)換后,上下層均為凸規(guī)劃問(wèn)題[18],因此可調(diào)用Yalmip工具箱進(jìn)行求解,求解過(guò)程如圖3所示,具體步驟如下。
圖3 雙層優(yōu)化模型具體求解步驟
(1)根據(jù)火電可再生能源以及用戶(hù)的申報(bào)電量和電價(jià)情況對(duì)上層模型進(jìn)行優(yōu)化求解,之后將各個(gè)主體的出清電量進(jìn)行轉(zhuǎn)化計(jì)算各自的碳排放權(quán)或綠證,與碳排放權(quán)以及綠證配額相比較,得到各自的碳排放權(quán)以及綠證余額或缺額。
(2)建立下層關(guān)于碳排放權(quán)和綠證交易的出清模型,將模型轉(zhuǎn)變?yōu)樵鰪V拉格朗日函數(shù)的形式,用PHR算法進(jìn)行求解。給定初始點(diǎn)x0、初始乘子向量λ0、初始罰因子r0、放大系數(shù)c>1、控制誤差ε>0、常數(shù)θ∈(0, 1),令k=1。
(3)求解無(wú)約束問(wèn)題m,更新λk,得到第k次優(yōu)化解xk。
(5)驗(yàn)證φk/φk-1≤θ是否滿足,如果滿足,轉(zhuǎn)到步驟(6);如果不滿足,則令rk+1=crk,然后轉(zhuǎn)到步驟(6)。
(6)修正乘子向量:
令k=k+1,轉(zhuǎn)到步驟(3)。
(7)檢驗(yàn)火電機(jī)組的碳排放權(quán)需求和綠證需求是否被滿足,即是否滿足qg,i≥Ag,i且qc,i≥δQf,i-Bf, i,如果滿足,停止雙層優(yōu)化迭代,輸出交易量結(jié)果;如果不滿足,則返回步驟(1),并且將步驟(1)中火電機(jī)組的申報(bào)電量Qf,i,s和申報(bào)價(jià)格pf,i,s進(jìn)行調(diào)整:
式中:ω1和ω2分別為火電機(jī)組申報(bào)電量調(diào)整的權(quán)重系數(shù),ω3和ω4分別為火電機(jī)組申報(bào)價(jià)格調(diào)整的權(quán)重系數(shù)。
上下層相互迭代優(yōu)化,直到滿足火電機(jī)組碳排放權(quán)和綠證的需求,雙層優(yōu)化過(guò)程結(jié)束,輸出各市場(chǎng)主體的出清電量、碳排放權(quán)、綠證交易量和對(duì)應(yīng)的出清價(jià)格。
設(shè)有9個(gè)市場(chǎng)主體參與的雙層交易,其中有3臺(tái)火電機(jī)組、3臺(tái)可再生能源機(jī)組和3個(gè)用戶(hù),火電機(jī)組容量均為660 MW,可再生能源機(jī)組容量均為200 MW。其中,火電機(jī)組既有綠證配額也有碳排放權(quán)配額,可再生能源機(jī)組只有綠證配額,普通用戶(hù)僅有碳排放權(quán)配額;各市場(chǎng)主體的綠證配額和碳排放權(quán)配額在滿足自身使用的情況下均可以交易;當(dāng)市場(chǎng)主體無(wú)法滿足碳排放權(quán)或者綠證配額要求時(shí),將會(huì)承擔(dān)考核懲罰,綠碳考核懲罰價(jià)格為100元/個(gè),碳排放權(quán)考核懲罰價(jià)格為100元/噸。
由于可再生能源機(jī)組每發(fā)1 MWh電量可以折算為1個(gè)綠證,故綠證折算系數(shù)χ取1個(gè)/MWh?;痣姍C(jī)組根據(jù)實(shí)測(cè)碳排放數(shù)據(jù)計(jì)算平均碳排放權(quán),求得碳排放權(quán)折算系數(shù)δ取值為0.9 t/MWh。模型各參數(shù)如表3所示。
表3 模型各參數(shù)設(shè)置
根據(jù)不同的碳排放權(quán)和綠證的供需情況以及交易方式進(jìn)行場(chǎng)景分析,不同的交易方式主要指碳—綠證聯(lián)合交易和非聯(lián)合交易。聯(lián)合交易將碳排放權(quán)和綠證一起進(jìn)行集中競(jìng)價(jià)交易,考慮碳排放權(quán)和綠證對(duì)于環(huán)境的影響,按δ∶χ的系數(shù)轉(zhuǎn)換成綠碳虛擬標(biāo)的物來(lái)進(jìn)行交易,單位為個(gè)。而非聯(lián)合交易則是分別進(jìn)行碳排放權(quán)交易和綠證交易,不考慮碳排放權(quán)和綠證對(duì)于環(huán)境的影響。
主要設(shè)置以下7種場(chǎng)景:
場(chǎng)景①:區(qū)域內(nèi)總的碳排放權(quán)B為81萬(wàn)噸,月可再生能源電量預(yù)測(cè)值Qn,j,b為30×104MWh,舍棄量ck為6×104MWh,并網(wǎng)容量bk為1 300 MW,求得月可再生能源消納權(quán)重指標(biāo)μk為0.25,采取碳—綠證聯(lián)合交易的方式進(jìn)行交易。
場(chǎng)景②:設(shè)置B為78萬(wàn)噸,μk為0.25,采取碳—綠證聯(lián)合交易。
場(chǎng)景③:設(shè)置B為81萬(wàn)噸,ck取2×104MWh,求得μk為0.3,采取碳—綠證聯(lián)合交易。
場(chǎng)景④:設(shè)置B為78萬(wàn)噸,μk為0.3,采取碳—綠證聯(lián)合交易。
場(chǎng)景⑤:設(shè)置B為78萬(wàn)噸,μk為0.25,采取碳排放權(quán)和綠證非聯(lián)合交易方式。
場(chǎng)景⑥:設(shè)置B為81萬(wàn)噸,μk為0.3,采取碳排放權(quán)和綠證非聯(lián)合交易方式。
場(chǎng)景⑦:設(shè)置B為78萬(wàn)噸,μk為0.3,采取碳排放權(quán)和綠證非聯(lián)合交易方式。
這7種場(chǎng)景中,由于場(chǎng)景①火電機(jī)組的碳排放權(quán)與綠證需求都可以得到滿足,無(wú)需返回上層重新報(bào)價(jià),所以場(chǎng)景①采用碳—綠證聯(lián)合交易與非聯(lián)合交易結(jié)果相同。場(chǎng)景①以綠碳為交易標(biāo)的物進(jìn)行了數(shù)筆聯(lián)合交易,具體出清量和價(jià)格如圖4所示。可見(jiàn),機(jī)組和用戶(hù)通過(guò)聯(lián)合交易購(gòu)買(mǎi)所需的碳排放權(quán)及綠證配額,或者賣(mài)出一定的碳排放權(quán)及綠證來(lái)獲利。
圖4 場(chǎng)景①下綠碳交易出清結(jié)果
各場(chǎng)景綠證和碳排放權(quán)出清量如圖5所示。其中,場(chǎng)景①由于區(qū)域內(nèi)碳排放權(quán)和綠證配額總量充足,月度集中競(jìng)價(jià)出清后,火電機(jī)組綠證和碳排放權(quán)都是供大于
圖5 各場(chǎng)景綠證和碳排放權(quán)出清量
求,即δQf,i-Bf,i<Bp,w,Ag,i<χQn,j-Ag,j,所以直接根
據(jù)火電機(jī)組碳排放權(quán)和綠證需求量來(lái)進(jìn)行交易;而場(chǎng)景②的區(qū)域內(nèi)總碳排放權(quán)配額較小,導(dǎo)致碳排放權(quán)需求不能得到滿足,即δQf,i-Bf,i>Bp,w;場(chǎng)景③綠證需求不能得到滿足,即Ag,i>χQn,j-Ag,j;場(chǎng)景④區(qū)域內(nèi)總碳排放權(quán)配額較小、總綠證配額較大,導(dǎo)致綠證和碳排放權(quán)需求都不能得到滿足,即δQf,i-Bf,i>Bp,w且Ag,i>χQn,j-Ag,j。
因此,場(chǎng)景②③④的火電出清電量在雙層交互下逐漸減小,可再生能源出清電量逐漸增大,導(dǎo)致場(chǎng)景②③④的火電機(jī)組碳排放權(quán)配額減小,而可再生能源機(jī)組綠證余額增大。故場(chǎng)景①碳排放權(quán)出清量比場(chǎng)景②③④大,綠證出清量比場(chǎng)景②③④小。故碳排放權(quán)配額的劃分與綠證配額的劃分會(huì)影響到整個(gè)交易的結(jié)果,合理的配額劃分要綜合考慮所有機(jī)組的情況。
場(chǎng)景②③④與場(chǎng)景⑤⑥⑦分別對(duì)應(yīng)于碳排放權(quán)和綠證采用聯(lián)合交易和非聯(lián)合交易兩種不同的交易方式。場(chǎng)景②③④中,受區(qū)域總碳排放權(quán)和綠證配額限制,火電機(jī)組的碳排放權(quán)與綠證需求需要通過(guò)雙層交易進(jìn)行優(yōu)化出清。其中,碳排放權(quán)與綠證都折算為綠碳進(jìn)行聯(lián)合交易,聯(lián)合交易出清完畢后再分別折算碳排放權(quán)與綠證。而場(chǎng)景⑤⑥⑦中碳排放權(quán)和綠證分別單獨(dú)交易。
不同場(chǎng)景下,碳排放權(quán)和綠證出清結(jié)果對(duì)比如表4所示。
表4 各場(chǎng)景碳排放權(quán)和綠證出清結(jié)果對(duì)比
場(chǎng)景⑤⑥⑦采用非聯(lián)合交易方式,在機(jī)組和用戶(hù)綠證或者碳排放權(quán)無(wú)法滿足需求時(shí),導(dǎo)致碳排放權(quán)和綠證出清價(jià)格的抬升。同時(shí),由于采用非聯(lián)合交易方式,導(dǎo)致報(bào)量不夠合理,在進(jìn)行碳排放權(quán)和綠證的報(bào)量時(shí),實(shí)際報(bào)量會(huì)大于需求的量,不僅會(huì)造成資源浪費(fèi),還會(huì)導(dǎo)致成本偏高。
場(chǎng)景②③④中,聯(lián)合交易計(jì)及碳排放權(quán)對(duì)環(huán)境消極影響折合指標(biāo)d2的影響,所以聯(lián)合交易下碳排放權(quán)出清量更低。
非聯(lián)合交易只考慮交易綠證和碳排放權(quán)時(shí)的效益最大化,沒(méi)有關(guān)注到綠證的經(jīng)濟(jì)與環(huán)境雙重收益,也忽略了碳排放對(duì)于環(huán)境的消極影響。而聯(lián)合交易可以在機(jī)組和用戶(hù)綠證或者碳排放權(quán)無(wú)法滿足需求時(shí)優(yōu)化協(xié)調(diào)資源,當(dāng)市場(chǎng)主體無(wú)法單獨(dú)通過(guò)碳或綠證交易來(lái)得到碳排放權(quán)或綠證時(shí),可通過(guò)調(diào)整集中競(jìng)價(jià)的報(bào)量報(bào)價(jià)情況來(lái)獲得雙層聯(lián)合優(yōu)化后的碳排放權(quán)和綠證,促進(jìn)了低碳減排。
為進(jìn)一步說(shuō)明雙層聯(lián)合交易的經(jīng)濟(jì)性,對(duì)所有場(chǎng)景進(jìn)行購(gòu)買(mǎi)費(fèi)用和收益計(jì)算。不同場(chǎng)景下市場(chǎng)主體的電量出清結(jié)果如表5所示。
表5 各場(chǎng)景電量出清結(jié)果對(duì)比
上層模型按照各機(jī)組出清電量和電價(jià)進(jìn)行結(jié)算,計(jì)算購(gòu)買(mǎi)電量費(fèi)用和售電收益,下層模型按照各機(jī)組碳排放權(quán)和綠證的出清量及出清價(jià)格進(jìn)行結(jié)算,計(jì)算碳排放權(quán)和綠證購(gòu)買(mǎi)費(fèi)用和出售收益,結(jié)果如圖6所示。
圖6 不同場(chǎng)景下機(jī)組和用戶(hù)費(fèi)用
場(chǎng)景⑤⑥⑦由于火電機(jī)組在碳排放權(quán)和綠證單獨(dú)交易時(shí)缺少協(xié)調(diào),使得火電機(jī)組購(gòu)買(mǎi)碳排放權(quán)和綠證的費(fèi)用也較其他場(chǎng)景偏高,同時(shí)用戶(hù)出售碳排放權(quán)收益以及可再生能源機(jī)組出售綠證收益都較場(chǎng)景①②③④偏高。
將圖6中的各市場(chǎng)主體購(gòu)買(mǎi)費(fèi)用以及出售收益整合,形成火電機(jī)組和可再生能源機(jī)組總收益,并將火電機(jī)組總收益和可再生能源機(jī)組總收益相加形成機(jī)組總收益,如圖7所示。場(chǎng)景①②③④中三臺(tái)火電機(jī)組所獲得的收益分別是47 550萬(wàn)元、47 560萬(wàn)元、47 570萬(wàn)元、47 580萬(wàn)元;而場(chǎng)景⑤⑥⑦三臺(tái)火電機(jī)組所獲得的收益分別是47 330萬(wàn)元、47 293萬(wàn)元、47 340萬(wàn)元,采用聯(lián)合交易方式的收益明顯高于采用非聯(lián)合交易方式的收益。
圖7 不同場(chǎng)景下機(jī)組和用戶(hù)總費(fèi)用
可見(jiàn),采用雙層聯(lián)合交易策略,獲得碳排放權(quán)和綠證的優(yōu)化交易量和出清價(jià)格,不僅可以避免碳排放權(quán)和綠證的考核,還可以獲得更多的經(jīng)濟(jì)效益。
馮昌森等[14]提出了一種將綠證折算成碳排放權(quán)的方法來(lái)解決碳排放權(quán)不足的情況,以此來(lái)協(xié)調(diào)碳排放權(quán)和綠證的交易,以下稱(chēng)為折算法。當(dāng)區(qū)域內(nèi)總的碳排放權(quán)B為78萬(wàn)噸、μk取0.20時(shí),折算法與本文雙層聯(lián)合交易方法對(duì)比結(jié)果如表6所示。
表6 兩種方法的碳排放權(quán)和綠證結(jié)果對(duì)比
可見(jiàn),火電機(jī)組采用折算法來(lái)進(jìn)行碳排放權(quán)和綠證交易需要的成本為1 497.2萬(wàn)元,而采用本文所提出的雙層聯(lián)合交易策略?xún)H需要1 325萬(wàn)元,不僅為火電機(jī)組節(jié)約了成本,而且火電機(jī)組碳排放權(quán)的降低也意味著火電機(jī)組發(fā)電量的降低,為提升可再生能源消納提供了契機(jī),也更有利于實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰目標(biāo)。
為了應(yīng)對(duì)月度集中競(jìng)價(jià)交易存在的可再生能源消納不足、火電機(jī)組購(gòu)買(mǎi)碳排放權(quán)和綠證成本過(guò)高等問(wèn)題,促進(jìn)可再生能源消納,本文提出了一種碳排放權(quán)和綠證的雙層聯(lián)合交易策略,并且將碳—綠證聯(lián)合交易與月度集中競(jìng)價(jià)交易進(jìn)行交互,通過(guò)月度交易交互過(guò)程中的全局優(yōu)化及資源配置來(lái)促進(jìn)可再生能源消納以及限制火電機(jī)組碳排放量。主要結(jié)論如下:
(1)碳排放權(quán)配額與綠證配額的劃分會(huì)影響到機(jī)組在綠證交易和碳排放權(quán)交易時(shí)的報(bào)量報(bào)價(jià)策略,所以在進(jìn)行配額劃分時(shí)要綜合考慮不同機(jī)組運(yùn)行特性。
(2)依據(jù)廣義虛擬價(jià)格理論,提出的碳排放權(quán)和綠證的聯(lián)合交易方法,可以有效減少火電機(jī)組購(gòu)買(mǎi)綠證和碳排放權(quán)的支出,提高可再生能源的使用率。
(3)雙層聯(lián)合交易策略對(duì)碳—綠證聯(lián)合交易與集中競(jìng)價(jià)交易進(jìn)行交互優(yōu)化,不僅有利于保證下層碳排放權(quán)交易和綠證交易的可靠性,還可以為上層月度集中競(jìng)價(jià)交易提供交易策略,促進(jìn)可再生能源的消納。
本文為碳排放權(quán)和綠證聯(lián)合交易的一個(gè)階段性研究。碳排放權(quán)和綠證的聯(lián)合程度還可以進(jìn)一步拓展,尤其是對(duì)在碳排放權(quán)和綠證聯(lián)合交易中如何按照環(huán)境經(jīng)濟(jì)收益進(jìn)行折算可以進(jìn)一步展開(kāi)研究,從而更準(zhǔn)確地衡量綠證的經(jīng)濟(jì)與環(huán)境雙重效益。