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        考慮現(xiàn)貨電能量交易的發(fā)用電主體碳排放權(quán)交易決策模型

        2023-11-20 09:28:06文福拴
        電力系統(tǒng)自動(dòng)化 2023年21期
        關(guān)鍵詞:碳價(jià)配額市場(chǎng)主體

        尚 楠,冷 媛,陳 政,王 坤,文福拴

        (1.南方電網(wǎng)能源發(fā)展研究院有限責(zé)任公司,廣東省廣州市 510663;2.浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院,浙江省杭州市 310027)

        0 引言

        “雙碳”目標(biāo)驅(qū)動(dòng)下,中國(guó)持續(xù)深化體制機(jī)制改革,加快推進(jìn)市場(chǎng)建設(shè),不斷完善電力交易、碳排放權(quán)交易制度體系[1]。2021 年7 月16 日,全國(guó)碳市場(chǎng)上線交易正式啟動(dòng)[2],碳排放權(quán)交易已實(shí)現(xiàn)從地方試點(diǎn)示范逐步轉(zhuǎn)向建設(shè)完善全國(guó)統(tǒng)一碳市場(chǎng)的階段性跨越[3]。根據(jù)政策要求,電力行業(yè)被率先納入全國(guó)碳市場(chǎng)[4-5],未來“十四五”期間,石化、化工、建材、鋼鐵、有色金屬、造紙和國(guó)內(nèi)民用航空等重點(diǎn)行業(yè)或?qū)⒈恢鸩郊{入??傮w而言,目前的中國(guó)碳排放權(quán)交易體系正形成同時(shí)涵蓋一級(jí)市場(chǎng)和二級(jí)市場(chǎng)、地方市場(chǎng)和全國(guó)市場(chǎng)并存、電力行業(yè)主要參與的發(fā)展格局。與此同時(shí),自新一輪電改以來,中國(guó)電力現(xiàn)貨市場(chǎng)建設(shè)取得長(zhǎng)足成效,諸多試點(diǎn)地區(qū)已進(jìn)入長(zhǎng)周期結(jié)算試運(yùn)行階段[6-7]。

        從國(guó)內(nèi)外電力市場(chǎng)與碳市場(chǎng)建設(shè)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)可知,電、碳市場(chǎng)整體呈現(xiàn)出相對(duì)獨(dú)立的運(yùn)行狀態(tài)。通過市場(chǎng)機(jī)制作用影響市場(chǎng)主體競(jìng)價(jià)決策,借由價(jià)格信號(hào)傳導(dǎo)等方式實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)體系之間的交互聯(lián)動(dòng)[8],市場(chǎng)中主體的行為策略將對(duì)市場(chǎng)均衡及市場(chǎng)狀態(tài)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。然而,在同時(shí)參與電、碳市場(chǎng)的情況下,電力行業(yè)主體的決策過程是一個(gè)復(fù)雜的思維操作過程,影響因素繁多。一方面,包括發(fā)電企業(yè)在內(nèi)的市場(chǎng)成員需要根據(jù)現(xiàn)貨電能量交易結(jié)果制定相應(yīng)的碳市場(chǎng)購(gòu)售策略,在滿足碳排放權(quán)配額履約義務(wù)的前提下實(shí)現(xiàn)效益最優(yōu);另一方面,碳排放權(quán)交易出清結(jié)果又會(huì)對(duì)市場(chǎng)主體在現(xiàn)貨電能量市場(chǎng)的競(jìng)價(jià)策略產(chǎn)生影響。對(duì)現(xiàn)貨電能量市場(chǎng)環(huán)境下市場(chǎng)主體參與碳市場(chǎng)的競(jìng)價(jià)策略展開研究,不僅能為主體決策提供有益參考,對(duì)于深入理解電、碳市場(chǎng)的聯(lián)動(dòng)關(guān)系,優(yōu)化電、碳市場(chǎng)機(jī)制設(shè)計(jì)也具有重要意義。

        當(dāng)前,在碳交易對(duì)電力交易決策或電力市場(chǎng)運(yùn)行結(jié)果的影響方面,部分學(xué)者已經(jīng)開展了系列研究。文獻(xiàn)[9]在考慮不同類型機(jī)組碳排放特性與排放成本的基礎(chǔ)上,構(gòu)建了雙層優(yōu)化的電力市場(chǎng)出清均衡模型。文獻(xiàn)[10]分析了電碳價(jià)格信號(hào)之間的時(shí)滯關(guān)系、階躍增幅關(guān)系、累積響應(yīng)程度以及上下尾相關(guān)性關(guān)系。文獻(xiàn)[11]以進(jìn)一步發(fā)揮電力市場(chǎng)促進(jìn)碳減排的作用為目標(biāo),提出了考慮碳交易的日前電力市場(chǎng)兩階段出清模型。文獻(xiàn)[12]在售電商以報(bào)量不報(bào)價(jià)方式參與市場(chǎng)模式下,運(yùn)用多代理模型對(duì)碳市場(chǎng)與中長(zhǎng)期電力市場(chǎng)之間的相互影響進(jìn)行了量化分析。文獻(xiàn)[13]初步給出了碳交易體系下發(fā)電商和電力用戶充分參與電力市場(chǎng)的競(jìng)價(jià)博弈結(jié)果。文獻(xiàn)[14]提出了可再生能源電站在計(jì)及碳交易時(shí)的電力市場(chǎng)投標(biāo)策略,并分析了博弈均衡點(diǎn)的市場(chǎng)特征。文獻(xiàn)[15]提出了一種碳-綠證-電能量市場(chǎng)耦合交易模型,選擇將碳交易成本納入發(fā)電側(cè)報(bào)價(jià),經(jīng)電能量市場(chǎng)統(tǒng)一出清后,獲得中標(biāo)出力、碳配額基準(zhǔn)系數(shù)等的結(jié)果。文獻(xiàn)[16]提出了考慮碳交易和碳關(guān)稅的電力市場(chǎng)主體最優(yōu)決策模型,分析了碳配額、預(yù)測(cè)碳價(jià)和間接電力碳排放對(duì)購(gòu)售電碳成本的影響。然而,上述研究普遍將碳市場(chǎng)交易結(jié)果簡(jiǎn)化為碳排放成本或等價(jià)為碳價(jià),多將其作為電力市場(chǎng)申報(bào)競(jìng)價(jià)模型的邊界條件,重點(diǎn)以電力市場(chǎng)為核心。現(xiàn)有文獻(xiàn)較少?gòu)奶冀灰讻Q策視角出發(fā),忽略了電力市場(chǎng)交易結(jié)果對(duì)碳排放權(quán)交易的影響。

        在市場(chǎng)主體參與電、碳市場(chǎng)競(jìng)價(jià)策略建模方面,文獻(xiàn)[17]提出了一種基于區(qū)塊鏈技術(shù)的碳配額成本決策、碳減排獎(jiǎng)懲以及碳交易匹配模型。文獻(xiàn)[18]提出了基于合作博弈的可再生能源與化石能源機(jī)組發(fā)電聯(lián)盟參與電、碳、綠證交易的雙層優(yōu)化模型,但未細(xì)化參與碳交易的策略行為模型。文獻(xiàn)[19]提出了考慮多時(shí)間耦合決策的發(fā)電商決策模型和電碳市場(chǎng)的均衡模型,但忽略了對(duì)碳配額履約壓力、碳市場(chǎng)“潮汐現(xiàn)象”等情況的考慮。文獻(xiàn)[20]提出了考慮國(guó)家核證自愿減排量(Chinese Certified Emission Reduction,CCER)機(jī)制的碳-電耦合市場(chǎng)中水火電協(xié)同競(jìng)價(jià)模型,重點(diǎn)圍繞水火電聯(lián)營(yíng)主體分析交易行為。文獻(xiàn)[21]研究了碳排放配額托管業(yè)務(wù)中控排企業(yè)與托管機(jī)構(gòu)之間的交易決策與博弈問題。上述文獻(xiàn)側(cè)重于某一類特定主體在電、碳市場(chǎng)環(huán)境中的申報(bào)競(jìng)價(jià)行為,忽略了對(duì)發(fā)、用電主體的同步考慮,且鮮有考慮碳市場(chǎng)履約期效應(yīng)等市場(chǎng)因素對(duì)主體競(jìng)價(jià)行為的影響。

        綜上所述,本文首先對(duì)市場(chǎng)主體碳排放權(quán)交易決策總體框架進(jìn)行概述,分析電、碳市場(chǎng)要素對(duì)交易決策的影響?;诖?建立考慮碳要素的現(xiàn)貨電能量交易出清模型,以雙層優(yōu)化模型對(duì)市場(chǎng)主體參與現(xiàn)貨電能量市場(chǎng)的決策與出清過程進(jìn)行描述。然后,建立考慮現(xiàn)貨電能量交易的碳排放權(quán)交易決策模型,包括配額分配、配額申報(bào)、價(jià)格申報(bào)、市場(chǎng)出清4 個(gè)環(huán)節(jié),充分考慮影響主體量?jī)r(jià)申報(bào)決策的潛在要素,合理、準(zhǔn)確地模擬市場(chǎng)主體的策略行為。最后,基于IEEE 模擬系統(tǒng)的仿真算例,對(duì)本文所提模型的可行性和有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。

        1 市場(chǎng)主體碳排放權(quán)交易決策總體框架

        碳排放權(quán)交易體系包括以配額分配為主的一級(jí)市場(chǎng)和以配額交易為主的二級(jí)市場(chǎng)[22]??紤]到二級(jí)市場(chǎng)中市場(chǎng)成員交易的靈活性和自主性更高,本文選取二級(jí)市場(chǎng)為主要研究對(duì)象。此外,根據(jù)《碳排放權(quán)交易管理辦法(試行)》[23],全國(guó)碳市場(chǎng)的覆蓋主體范圍既包括重點(diǎn)排放單位,又包括符合國(guó)家相關(guān)交易規(guī)則的機(jī)構(gòu)和個(gè)人。因此,本文將參與碳市場(chǎng)的發(fā)電企業(yè)和電力用戶考慮在內(nèi)進(jìn)行后續(xù)分析。

        碳市場(chǎng)運(yùn)行流程包括碳排放配額總量核定、分配、配額交易、配額清繳(履約)等環(huán)節(jié)[24]。在履約周期內(nèi),碳市場(chǎng)成員通過協(xié)議轉(zhuǎn)讓等方式完成碳排放權(quán)配額的交易過程。與當(dāng)前主流的集中統(tǒng)一出清的現(xiàn)貨電能量交易過程不同,在碳市場(chǎng)環(huán)境下,碳配額交易購(gòu)售方可以在履約期內(nèi)的任意時(shí)刻自主選擇提出交易請(qǐng)求并確認(rèn)成交(若能找到成交對(duì)手方)。因此,電力市場(chǎng)與碳市場(chǎng)在交易出清周期上不完全匹配,市場(chǎng)主體制定競(jìng)價(jià)策略存在一定難度。在此背景下,可考慮參照現(xiàn)貨電能量市場(chǎng)出清頻次,定期刷新碳市場(chǎng)狀態(tài),將隨時(shí)申報(bào)、連續(xù)競(jìng)價(jià)出清的碳交易過程進(jìn)行適當(dāng)離散化。在保持電力市場(chǎng)與碳市場(chǎng)在運(yùn)行時(shí)間尺度上協(xié)調(diào)的同時(shí),也有利于發(fā)用電主體根據(jù)現(xiàn)貨市場(chǎng)結(jié)果靈活調(diào)整碳市場(chǎng)競(jìng)價(jià)策略。此外,考慮到在一個(gè)完整的履約期內(nèi),市場(chǎng)成員可能不會(huì)在每天(或每小時(shí)、每15 min)都選擇進(jìn)行配額購(gòu)售交易。因此,有必要將整個(gè)碳配額履約期內(nèi)的交易情況,包括對(duì)未來交易的預(yù)期、臨近履約期限的壓力等因素納入碳市場(chǎng)主體競(jìng)價(jià)模型的考慮范圍中,以更加貼近碳市場(chǎng)實(shí)際的交易情況。

        在市場(chǎng)主體參與電、碳市場(chǎng)的過程中,電力交易與碳交易之間深度耦合,碳成本要素和電力要素結(jié)果均體現(xiàn)在電力交易中。其中,電力交易中的碳要素通常體現(xiàn)在發(fā)電企業(yè)等主體選擇在申報(bào)價(jià)格中增加碳成本項(xiàng),以保證碳成本要素在電力市場(chǎng)各環(huán)節(jié)中流動(dòng)暢通。然而,碳交易中的電力要素則體現(xiàn)在,當(dāng)市場(chǎng)主體參與碳配額交易時(shí),會(huì)綜合考慮其在電力市場(chǎng)中的歷史出清結(jié)果(如年度、月度雙邊合同等)后,再開展購(gòu)售決策。即依據(jù)既定的電力市場(chǎng)成交結(jié)果,或?qū)⒛軌蚧竟浪愕玫绞袌?chǎng)主體對(duì)于碳配額購(gòu)售的實(shí)際需求,進(jìn)而影響碳市場(chǎng)供需關(guān)系、價(jià)格水平等。考慮現(xiàn)貨電能量交易的碳排放權(quán)交易決策和出清框架如圖1 所示。

        圖1 考慮現(xiàn)貨電能量交易的碳排放權(quán)交易決策框架Fig.1 Decision-making framework of carbon emission trading considering electricity spot trading

        綜合考慮上述電、碳要素之間的相互影響關(guān)系,構(gòu)建主體參與碳排放權(quán)交易的決策模型,流程如下:

        1)市場(chǎng)主體將碳成本納入電力市場(chǎng)申報(bào)過程中,并通過電力現(xiàn)貨市場(chǎng)出清模型得到考慮碳要素的現(xiàn)貨電能量交易申報(bào)策略。上述電力現(xiàn)貨市場(chǎng)交易出清過程在時(shí)序上位于主體參與碳市場(chǎng)交易之前,其結(jié)果為市場(chǎng)主體制定碳交易競(jìng)爭(zhēng)策略等提供依據(jù)。該電力市場(chǎng)出清模型將在第2 章進(jìn)行論述。

        2)市場(chǎng)主體依據(jù)上述電力市場(chǎng)運(yùn)行的結(jié)果,綜合考慮配額缺口、履約期壓力等要素,生成并更新自身的碳市場(chǎng)購(gòu)售需求和競(jìng)價(jià)策略,并向碳市場(chǎng)交易平臺(tái)發(fā)出申購(gòu)或售出請(qǐng)求。該碳交易決策模型將在第3 章進(jìn)行論述。

        2 考慮碳要素的現(xiàn)貨電能量交易出清模型

        本文通過構(gòu)建雙層模型來描述市場(chǎng)成員競(jìng)價(jià)行為和電力現(xiàn)貨市場(chǎng)的出清過程。模型的上層為發(fā)電機(jī)組和電力用戶競(jìng)價(jià)模型,分別對(duì)應(yīng)2.1 節(jié)和2.2 節(jié),目標(biāo)為主體收益最大化;模型的下層為電力現(xiàn)貨市場(chǎng)出清模型,對(duì)應(yīng)2.3 節(jié),目標(biāo)為社會(huì)福利最大化(或總成本費(fèi)用最小化)。此模型能夠較好地描述市場(chǎng)運(yùn)行過程中,主體競(jìng)價(jià)決策受市場(chǎng)成交結(jié)果影響、成員報(bào)價(jià)行為又決定現(xiàn)貨市場(chǎng)出清情況這一相互作用過程。本章基于此,將碳成本作為參數(shù)納入主體競(jìng)價(jià)模型中。

        2.1 上層模型1:發(fā)電機(jī)組競(jìng)價(jià)模型

        發(fā)電機(jī)組以收益最大化為決策目標(biāo),以第i臺(tái)發(fā)電機(jī)組在時(shí)段t的競(jìng)價(jià)模型為例,目標(biāo)函數(shù)和約束條件為:

        式中:Δt為現(xiàn)貨市場(chǎng)最小運(yùn)行周期(通常為5 min 或15 min);為時(shí)段t的電力現(xiàn)貨市場(chǎng)價(jià)格;λ為扣除碳成本前提下時(shí)段t第i臺(tái)發(fā)電機(jī)組在第k段的邊際發(fā)電成本;λ為時(shí)段t第i臺(tái)發(fā)電機(jī)組在第k段的報(bào)價(jià);λ,t,max和λ,t,min分別為時(shí)段t第i臺(tái)發(fā)電機(jī)組在第k段的報(bào)價(jià)上、下限;P為時(shí)段t第i臺(tái)發(fā)電機(jī)組在第k段的中標(biāo)發(fā)電功率;為時(shí)段t的碳成本估值,其值可結(jié)合實(shí)際情況,例如可選擇上一周期的碳市場(chǎng)收盤價(jià)等進(jìn)行綜合選??;e為時(shí)段t第i臺(tái)發(fā)電機(jī)組的度電碳排放強(qiáng)度;QT,G為第i臺(tái)發(fā)電機(jī)組在履約周期T的碳配額總量;ω為時(shí)段t第i臺(tái)發(fā)電機(jī)組的碳配額分解系數(shù),其值由市場(chǎng)主體根據(jù)自身發(fā)電安排和碳排放計(jì)劃等綜合確定,需滿足式(4)。

        2.2 上層模型2:電力用戶競(jìng)價(jià)模型

        電力用戶以效益最大化為決策目標(biāo)。以第j個(gè)電力用戶在時(shí)段t的競(jìng)價(jià)模型為例,目標(biāo)函數(shù)和約束條件為:

        式中:λ為時(shí)段t第j個(gè)電力用戶在第d段的邊際效用;λ為時(shí)段t第j個(gè)電力用戶在第d段的報(bào)價(jià);,t,max和,t,min分別為時(shí)段t第j個(gè)電力用戶在第d段的報(bào)價(jià)上、下限;QT,D為第j個(gè)電力用戶在履約周期T的碳配額總量;P為時(shí)段t第j個(gè)電力用戶在第d段的中標(biāo)用電功率;ω為時(shí)段t第j個(gè)電力用戶的碳配額分解系數(shù);e為時(shí)段t第j個(gè)電力用戶的電網(wǎng)平均碳排放因子。

        2.3 下層模型:現(xiàn)貨市場(chǎng)出清模型

        在收到發(fā)電機(jī)組和電力用戶的申報(bào)信息后,電力市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)商以社會(huì)福利最大化(或總成本費(fèi)用最小化)為目標(biāo)進(jìn)行市場(chǎng)出清,如式(8)所示。式(9)為節(jié)點(diǎn)功率平衡約束,式(10)和式(11)分別為發(fā)電機(jī)組和電力用戶的中標(biāo)量上下限約束,式(12)為傳輸線路容量限制約束,式(13)和式(14)為發(fā)電機(jī)組功角約束。

        式中:Bnm為節(jié)點(diǎn)n到節(jié)點(diǎn)m的線路電納;δn,t為時(shí)段t節(jié)點(diǎn)n的電壓相角;P和P分別為時(shí)段t第i臺(tái)發(fā)電機(jī)組在第k段的申報(bào)電量和第j個(gè)電力用戶在第d段的申報(bào)電量;P為節(jié)點(diǎn)n到節(jié)點(diǎn)m的線路傳輸功率極限;約束條件后的變量()為該條約束對(duì)應(yīng)的對(duì)偶變量;Ψn為節(jié)點(diǎn)n上所有發(fā)電機(jī)組或電力用戶集合;Θn為連接節(jié)點(diǎn)n的所有節(jié)點(diǎn)集合。

        2.4 模型線性化處理與求解

        由于下層模型為一個(gè)凸優(yōu)化問題,KKT(Karush-Kuhn-Tucker)條件可對(duì)其進(jìn)行等效替換。因此,發(fā)電機(jī)組和電力用戶的競(jìng)價(jià)模型可轉(zhuǎn)化為單層優(yōu)化模型,即帶有均衡約束的數(shù)學(xué)規(guī)劃(mathematical programming with equilibrium constraint,MPEC)問題。在此基礎(chǔ)上,再將所有發(fā)電機(jī)組和電力用戶的MPEC 問題轉(zhuǎn)化為一個(gè)具有均衡約束的均衡問題(equilibrium problem with equilibrium constraint,EPEC)。最后,利用強(qiáng)對(duì)偶理論、大M 法等線性化處理方法[25-27],將該問題進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為混合整數(shù)線性規(guī)劃(mixed-integer linear programming,MILP)問題,通過商業(yè)求解器進(jìn)行求解。模型線性化過程詳見附錄A。

        3 考慮現(xiàn)貨電能量交易的碳排放權(quán)交易決策模型

        3.1 碳排放權(quán)配額分配

        1)發(fā)電側(cè)主體

        結(jié)合生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的相關(guān)文件[28],本文采用基于碳排放績(jī)效基準(zhǔn)的免費(fèi)配額分配方法對(duì)發(fā)電主體的碳配額總量予以量化。具體描述如下:

        式中:P為第i臺(tái)發(fā)電機(jī)組在履約周期T的歷史供電量;σi和χi分別為第i臺(tái)發(fā)電機(jī)組的供電基準(zhǔn)值和修正系數(shù)。

        2)用戶側(cè)主體

        考慮到當(dāng)前全國(guó)碳市場(chǎng)暫未形成對(duì)用戶側(cè)主體的碳配額總量確定方法,本文結(jié)合試點(diǎn)碳市場(chǎng)地區(qū)有關(guān)規(guī)則[29],采用歷史強(qiáng)度下降法對(duì)用電主體的碳配額總量進(jìn)行確定。計(jì)算公式如下:

        式中:Y為第j個(gè)電力用戶在履約周期T的歷史產(chǎn)量;φj和ηj分別為第j個(gè)用戶的歷史平均碳排放強(qiáng)度和年度下降系數(shù)。

        ① 區(qū)制主要是用來描述經(jīng)濟(jì)變量,在不同狀態(tài)間轉(zhuǎn)換的區(qū)間。具體可參考:Hamilto, James D. (1988)的研究。

        3.2 碳排放權(quán)配額數(shù)量申報(bào)

        發(fā)用電主體的碳排放權(quán)配額申報(bào)量受到一級(jí)市場(chǎng)中所獲得的配額數(shù)量、用于履約的配額需求、當(dāng)前時(shí)間節(jié)點(diǎn)下的配額缺口等因素影響,如式(17)和式(18)所示。

        由于在碳市場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行中主體并不會(huì)將碳配額一次性全部清倉(cāng),電力交易相應(yīng)造成的配額變動(dòng)將通過一次又一次的積累作用于當(dāng)前的交易過程。QT,cons在發(fā)電側(cè)和用戶側(cè)的核算公式不同,如式(19)和式(20)所示。

        式中:QT,cons和QT,cons分別為時(shí)段t第i臺(tái)發(fā)電機(jī)組和第j個(gè)電力用戶的實(shí)際碳排放量;P和P分別為時(shí)段t第i臺(tái)發(fā)電機(jī)組和第j個(gè)電力用戶的中標(biāo)電量;Y為時(shí)段t第j個(gè)電力用戶的總產(chǎn)能;φ為時(shí)段t第j個(gè)電力用戶的單位產(chǎn)量碳排放強(qiáng)度。

        需要說明的是,碳配額申報(bào)量和碳配額凈積累量不一定為正值。對(duì)于碳配額申報(bào)量,正值表示該時(shí)段碳配額較為盈余,在碳市場(chǎng)表現(xiàn)為碳配額售出;負(fù)值表示該時(shí)段碳配額短缺,需要在碳市場(chǎng)購(gòu)入對(duì)應(yīng)的配額量。對(duì)于碳配額凈積累量,正值表示碳配額盈余,負(fù)值表示碳配額短缺。

        3.3 碳排放權(quán)配額價(jià)格申報(bào)

        在碳市場(chǎng)交易過程中,市場(chǎng)主體以收益最大化為目標(biāo)。充分考慮整個(gè)履約期內(nèi),尤其是未來市場(chǎng)運(yùn)行時(shí)段的碳價(jià)變化趨勢(shì)、碳市場(chǎng)供求關(guān)系、履約期臨近時(shí)的碳配額清繳壓力等因素,綜合評(píng)估擬競(jìng)標(biāo)配額量的交易估值,并形成符合整體期望的申報(bào)價(jià)格。此策略下,若競(jìng)標(biāo)配額量以該報(bào)價(jià)成交,則市場(chǎng)主體的收益需求基本能夠得以滿足;若競(jìng)標(biāo)配額量并未中標(biāo),則市場(chǎng)主體會(huì)再次結(jié)合其對(duì)市場(chǎng)的評(píng)估結(jié)果,選擇其他合適的時(shí)機(jī)交易該部分配額量。碳配額競(jìng)標(biāo)量的交易價(jià)值隨著市場(chǎng)環(huán)境和時(shí)間的推移而變化。因此,市場(chǎng)主體對(duì)擬競(jìng)標(biāo)量的估值隨著交易的進(jìn)行而不斷更新。

        在碳市場(chǎng)中購(gòu)售主體重點(diǎn)考慮的因素不同,因此,以時(shí)段t為例,本文分別對(duì)碳配額購(gòu)買和售出主體的價(jià)格申報(bào)決策展開討論。

        1)碳配額購(gòu)買主體

        此時(shí),該主體QT,bid<0,價(jià)格申報(bào)函數(shù)如下:

        式中:π為時(shí)段t第m個(gè)碳配額購(gòu)買者的報(bào)價(jià);,t,min為第m個(gè)碳配額購(gòu)買者預(yù)測(cè)的時(shí)段t之后的最小碳成交價(jià)格;和分別為第m個(gè)碳配額購(gòu)買者的邊際碳減排成本和未履約單位懲罰金額;min(x,y,z)表示取x、y、z中的最小值;θ為時(shí)段t第m個(gè)碳配額購(gòu)買者的碳配額履約壓力系數(shù),隨著履約日期的臨近和拖欠碳配額數(shù)量的增加,碳配額購(gòu) 買 者 的 履 約 壓 力 持 續(xù) 上 升;ρ為 時(shí) 段t第m個(gè) 碳配額購(gòu)買者的市場(chǎng)供求關(guān)系系數(shù),當(dāng)碳市場(chǎng)出現(xiàn)供不應(yīng)求的情況時(shí),碳配額購(gòu)買者應(yīng)酌情抬升報(bào)價(jià)。

        式(21)的含義為,碳配額購(gòu)買者取時(shí)段t之后的最小碳成交價(jià)格、邊際碳減排成本和未履約單位懲罰金額的最小值作為購(gòu)買碳配額的預(yù)期價(jià)格。此外,碳配額購(gòu)買者還需考慮自身的碳配額履約壓力和碳市場(chǎng)的供求關(guān)系。因此,在式(21)第1 項(xiàng)中加入系數(shù)θ和ρ30-32]。其中,在實(shí)際交易過程中,隨著碳配額履約期的臨近和市場(chǎng)供求關(guān)系的變化(如供不應(yīng)求等),不僅碳配額購(gòu)買者的交易壓力越來越大,其壓力增大的變化率也迅速上升。因此,可采用指數(shù)模型來構(gòu)造碳配額購(gòu)買者碳配額履約壓力系數(shù)和市場(chǎng)供求關(guān)系系數(shù),計(jì)算公式如下所示:

        式中:a為市場(chǎng)主體履約壓力系數(shù)基數(shù),取a>1;b為市場(chǎng)供求關(guān)系系數(shù)基數(shù),取b>1;Q,net為截至?xí)r段t市場(chǎng)主體m的碳配額凈積累量;QT,bs,net為時(shí)段t內(nèi)的市場(chǎng)供求偏差量,即該時(shí)段的碳配額購(gòu)買競(jìng)標(biāo)總量與碳配額出售競(jìng)標(biāo)總量之差;Q和Q分別為第m個(gè)碳配額購(gòu)買者的履約壓力承受閾值和市場(chǎng)供求承受閾值,只有履約壓力和市場(chǎng)供求偏差量超出對(duì)應(yīng)閾值,碳配額購(gòu)買者才會(huì)提升報(bào)價(jià),否則θ和ρ均為1。在確認(rèn)時(shí)段t之后的最小碳成交價(jià)格時(shí),某些場(chǎng)景下市場(chǎng)主體可能需要綜合考慮價(jià)格預(yù)測(cè)值、預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性等因素再做出決策。具體而言,碳配額購(gòu)買者為確定π,t,min的取值,采用概率預(yù)測(cè)等方法,逐一估計(jì)未來各個(gè)時(shí)段的碳價(jià)和與之對(duì)應(yīng)的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度(如置信水平),然后,選取碳價(jià)最小且準(zhǔn)確度最大的時(shí)刻作為理想的交易時(shí)刻,該時(shí)刻對(duì)應(yīng)的碳價(jià)即為π,t,min。然而,當(dāng)碳價(jià)預(yù)測(cè)值和預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度普遍較低時(shí),在碳價(jià)預(yù)測(cè)值和預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度之間的取舍取決于碳配額購(gòu)買者的風(fēng)險(xiǎn)承受能力。風(fēng)險(xiǎn)承受能力越強(qiáng),則越看中未來市場(chǎng)的低碳價(jià);反之,則在保證預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度的前提下,追求相對(duì)較低的碳價(jià)。圖2為不同企業(yè)報(bào)價(jià)依據(jù)選擇示例。一般認(rèn)為,距離當(dāng)前時(shí)段越近的碳價(jià)預(yù)測(cè)值,其預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度越高。如圖2 所示,C點(diǎn)的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度大于D點(diǎn),因此,保守型企業(yè)傾向于選擇C點(diǎn)對(duì)應(yīng)的碳價(jià)(A點(diǎn))作為報(bào)價(jià)依據(jù),而激進(jìn)型企業(yè)則更可能選擇碳價(jià)的最低值(B點(diǎn))作為報(bào)價(jià)依據(jù)。

        圖2 不同企業(yè)報(bào)價(jià)依據(jù)選擇示例Fig.2 Example of selecting quotation basis from different enterprises

        綜上所述,針對(duì)交易時(shí)段t后的各個(gè)交易時(shí)段,根據(jù)企業(yè)對(duì)于碳價(jià)趨勢(shì)的預(yù)測(cè)結(jié)果,選取最優(yōu)碳價(jià)期望作為企業(yè)的報(bào)價(jià)依據(jù),即,t,min計(jì)算公式如下:

        式中:r為碳配額購(gòu)買者的風(fēng)險(xiǎn)承受系數(shù)(r>1),且碳配額購(gòu)買者風(fēng)險(xiǎn)承受能力越強(qiáng),r越大,τ為第m個(gè)碳配額購(gòu)買者預(yù)測(cè)的時(shí)段t后各個(gè)時(shí)段的碳成交價(jià)格,pm,τ為其對(duì)應(yīng)的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度。

        2)碳配額供應(yīng)者

        此時(shí),該主體QT,bid>0,價(jià)格申報(bào)函數(shù)如下:

        式中:π為第n個(gè)碳配額供應(yīng)者在時(shí)段t的報(bào)價(jià);,t,max為第n個(gè)碳配額供應(yīng)者預(yù)測(cè)的時(shí)段t之后的最大碳成交價(jià)格。碳配額供應(yīng)者雖然暫不需要重點(diǎn)關(guān)注邊際碳減排成本、未履約懲罰金額等影響因素,但同樣受到碳配額售出壓力和市場(chǎng)供求關(guān)系的影響。因此,本文引入系數(shù)θ和ρ,其計(jì)算方法如下:

        式中:θ為時(shí)段t第n個(gè)碳配額供應(yīng)者的碳配額售出壓力系數(shù),隨著履約日期的臨近,碳配額供應(yīng)者會(huì)根據(jù)市場(chǎng)供求關(guān)系相應(yīng)提高或降低報(bào)價(jià);QT,net為截至?xí)r段t市場(chǎng)主體n的碳配額凈積累量;ρ為時(shí)段t第n個(gè)碳配額供應(yīng)者的市場(chǎng)供求關(guān)系系數(shù),當(dāng)市場(chǎng)出現(xiàn)供大于求的情況時(shí),碳配額供應(yīng)者傾向于酌情降低報(bào)價(jià);c為碳配額供應(yīng)者的售出壓力系數(shù)基數(shù),取c>0;d為碳配額供應(yīng)者的市場(chǎng)供求關(guān)系系數(shù)基數(shù),取d<1;Q和Q分別為第n個(gè)碳配額供應(yīng)者的碳配額售出壓力承受閾值和市場(chǎng)供求偏差量承受閾值。

        與碳配額購(gòu)買者同理,碳配額供應(yīng)者在選取時(shí)段t之后的最大碳成交價(jià)格時(shí),也會(huì)出現(xiàn)需要在碳價(jià)預(yù)測(cè)值與預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度之間進(jìn)行權(quán)衡的情況。采用類似的處理方式,πt,max計(jì)算方法如下:

        式中:π為第n個(gè)碳配額供應(yīng)者預(yù)測(cè)的時(shí)段t后各個(gè)時(shí)段的碳成交價(jià)格,pn,τ為對(duì)應(yīng)的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度。

        3.4 碳市場(chǎng)出清模型

        對(duì)于時(shí)段t的碳市場(chǎng),出清模型如下所示。其中,目標(biāo)函數(shù)為社會(huì)福利最大化(或總成本費(fèi)用最小化),如式(29)所示;式(30)和式(31)分別為碳配額供應(yīng)者和碳配額購(gòu)買者的中標(biāo)量上、下限約束;式(32)為碳配額供需平衡約束。

        式中:QT,s和QT,bid,s分別為時(shí)段t第n個(gè)碳配額供應(yīng)者的中標(biāo)量和申報(bào)量;QT,b和Q,bid,b分別為時(shí)段t第m個(gè)碳配額購(gòu)買者的中標(biāo)量和申報(bào)量。

        與傳統(tǒng)的集中出清模型不同,該碳市場(chǎng)出清模型在實(shí)際運(yùn)行時(shí)保持了市場(chǎng)主體競(jìng)價(jià)需求在各個(gè)交易時(shí)段的“連續(xù)性”,即當(dāng)碳市場(chǎng)進(jìn)入下一個(gè)時(shí)段時(shí),對(duì)當(dāng)前時(shí)段未達(dá)成交易的用戶報(bào)價(jià)進(jìn)行保留,并令其參與下一個(gè)時(shí)段的市場(chǎng)出清。這意味著市場(chǎng)主體的競(jìng)標(biāo)申請(qǐng)會(huì)連續(xù)參與投標(biāo)完成后的各交易時(shí)段的集中出清,直到競(jìng)標(biāo)成功或市場(chǎng)主體主動(dòng)改變報(bào)價(jià),以盡可能符合實(shí)際碳市場(chǎng)的摘掛牌交易過程。

        4 算例分析

        4.1 參數(shù)設(shè)置

        選取IEEE 24 節(jié)點(diǎn)輸電系統(tǒng)構(gòu)建仿真模型,以論證所提模型的有效性。設(shè)置8 臺(tái)發(fā)電機(jī)組和4 個(gè)電力用戶作為發(fā)用電主體同時(shí)參與電力現(xiàn)貨市場(chǎng)和碳市場(chǎng)。發(fā)電機(jī)組中,前5 臺(tái)為燃煤發(fā)電機(jī)組,后3 臺(tái)為燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組。各發(fā)用電主體參數(shù)如表1 所示。為更加簡(jiǎn)明、清晰地展示算例結(jié)果,假設(shè)碳市場(chǎng)的一個(gè)履約周期總時(shí)長(zhǎng)覆蓋50 個(gè)電碳市場(chǎng)時(shí)段,且在履約期結(jié)束后,對(duì)于未能清繳足量配額的市場(chǎng)主體,規(guī)定其按照2 倍市場(chǎng)價(jià)格上繳罰款。根據(jù)預(yù)先進(jìn)行的大量市場(chǎng)仿真計(jì)算所得的數(shù)據(jù)結(jié)果,設(shè)置市場(chǎng)主體碳交易決策模型參數(shù),詳見附錄B 表B1 和表B2。

        表1 發(fā)用電主體仿真參數(shù)設(shè)置Table 1 Setting of simulation parameters of power generators and consumers

        4.2 單履約期內(nèi)結(jié)果分析

        面向一級(jí)市場(chǎng)碳配額分配的不同情況,分析單個(gè)履約期內(nèi)的碳市場(chǎng)出清結(jié)果和各發(fā)用電主體的市場(chǎng)行為。以碳配額發(fā)放總量為基準(zhǔn)值,設(shè)置以下場(chǎng)景:1)場(chǎng)景1 為將初始碳配額發(fā)放總量提高10%;2)場(chǎng)景2 為不改變初始碳配額發(fā)放總量;3)場(chǎng)景3 為將初始碳配額發(fā)放總量縮減10%。

        在單履約期內(nèi)不同場(chǎng)景下的碳價(jià)變化情況如圖3 所示??傮w來看,3 種場(chǎng)景下的碳價(jià)曲線變化趨勢(shì)總體相似,均呈現(xiàn)履約初期下跌、中期較為平穩(wěn)、后期持續(xù)上升,并在履約末期價(jià)格大幅度波動(dòng)的趨勢(shì)。其原因在于,在履約初期,市場(chǎng)主體的碳配額儲(chǔ)備較為充足,市場(chǎng)需求不夠旺盛,碳價(jià)總體處于低位。同時(shí),碳配額購(gòu)(售)雙方分別基于未來市場(chǎng)中可能出現(xiàn)的低(高)價(jià)對(duì)碳配額進(jìn)行估值,并將其作為報(bào)價(jià)參考,從而導(dǎo)致市場(chǎng)初期的碳配額交易量相對(duì)較少。然而,隨著履約日期的臨近,一些碳配額需求較為迫切的購(gòu)買者提高報(bào)價(jià),推動(dòng)碳價(jià)持續(xù)走高,直至履約期結(jié)束,碳價(jià)整體處于較高水平。與此同時(shí),對(duì)比不同場(chǎng)景的計(jì)算結(jié)果可知,碳配額發(fā)放總量的降低會(huì)在一定程度上抬高碳價(jià)。在臨近履約末期(時(shí)段45 至50)時(shí),場(chǎng)景1 的碳價(jià)呈下降趨勢(shì),而場(chǎng)景3 的碳價(jià)總體呈現(xiàn)上升趨勢(shì),其原因在于,不同場(chǎng)景下履約末期碳配額的供求關(guān)系不同。在場(chǎng)景1中,較多的碳配額總量發(fā)放使得碳市場(chǎng)供大于求,碳配額出售者不得不在履約末期降低報(bào)價(jià)以出售多余的碳配額;而在場(chǎng)景3 中,碳市場(chǎng)供不應(yīng)求,導(dǎo)致碳配額購(gòu)買者不斷抬高報(bào)價(jià)以滿足自身的履約需求,同時(shí)碳配額出售者為追求更高利潤(rùn),也不斷提升報(bào)價(jià),導(dǎo)致價(jià)格水漲船高。

        圖3 單履約期內(nèi)不同場(chǎng)景下的碳價(jià)變化曲線Fig.3 Variation curves of carbon price in different scenarios during a single compliance period

        單履約期內(nèi)不同場(chǎng)景下的碳排放量變化如圖4所示。從圖中可見,與場(chǎng)景2 和場(chǎng)景3 相比,過量發(fā)放碳配額會(huì)導(dǎo)致市場(chǎng)主體的碳排放量有所增加。此外,場(chǎng)景1、場(chǎng)景2 和場(chǎng)景3 的碳排放總量均呈現(xiàn)出一定的波動(dòng)性,與場(chǎng)景1 相比,場(chǎng)景2 和場(chǎng)景3 的碳排放量波動(dòng)更為劇烈。其原因在于,由于碳配額相對(duì)緊缺,促使市場(chǎng)主體不斷改變其在電力市場(chǎng)和碳市場(chǎng)的競(jìng)價(jià)策略,隨著碳配額發(fā)放總量的進(jìn)一步收緊,碳排放量曲線的波動(dòng)程度更為劇烈。

        圖4 單履約期內(nèi)不同場(chǎng)景下的碳排放量變化曲線Fig.4 Variation curves of carbon emission in different scenarios during a single compliance period

        選取碳配額凈積累量作為各市場(chǎng)主體交易行為的評(píng)價(jià)指標(biāo),計(jì)算結(jié)果如附錄C 圖C1 所示。其中,場(chǎng)景2 下不同市場(chǎng)主體的碳配額積累量曲線波動(dòng)情況相對(duì)接近,在履約期結(jié)束時(shí)普遍能夠較好地完成配額清繳。相對(duì)地,場(chǎng)景1 下發(fā)放的碳配額總量較多,即市場(chǎng)主體持有碳配額相對(duì)富余,此時(shí)普遍選擇擴(kuò)大生產(chǎn)和用電,參與碳交易的積極性有所下降。場(chǎng)景1 下,3 號(hào)電力用戶的碳配額量不斷積累,與其他市場(chǎng)主體存在一定差異,其原因在于:一方面,該用戶在現(xiàn)貨電能量市場(chǎng)中不具備競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì),難以在交易中中標(biāo)更多電能;另一方面,其碳排放因子較低,造成持有的配額量存在一定盈余,即使到履約期結(jié)束,其碳配額量尚未能全部出售。由此可見,碳配額發(fā)放量過多既不利于碳市場(chǎng)通過市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)交易發(fā)現(xiàn)碳配額的真實(shí)價(jià)值,也不利于碳排放強(qiáng)度較低的市場(chǎng)主體健康發(fā)展。場(chǎng)景3 下各市場(chǎng)主體的碳配額積累量在較小范圍內(nèi)波動(dòng)。這是因?yàn)樘寂漕~發(fā)放量減少,各市場(chǎng)主體為了降低違約風(fēng)險(xiǎn),主動(dòng)調(diào)整生產(chǎn)規(guī)模,以避免出現(xiàn)碳配額的大量虧空。

        單履約期內(nèi)不同場(chǎng)景下各發(fā)電主體的收益情況如圖5 所示。從圖中可見,隨著碳配額發(fā)放總量的收緊,燃煤發(fā)電機(jī)組等主體的碳成本上升,導(dǎo)致發(fā)電主體利潤(rùn)空間被壓縮,促使其主動(dòng)減少發(fā)電量規(guī)模,提高電力現(xiàn)貨市場(chǎng)報(bào)價(jià)。但對(duì)于碳排放強(qiáng)度較低的燃?xì)鈾C(jī)組,其利潤(rùn)空間受影響程度相對(duì)較低。綜上可知,引入碳排放權(quán)交易后,合理的碳配額發(fā)放規(guī)模將有助于清潔發(fā)電主體獲得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì),激勵(lì)高排放的市場(chǎng)主體的節(jié)能低碳改造和綠色轉(zhuǎn)型。

        圖5 單履約期內(nèi)不同場(chǎng)景下的各發(fā)電主體收益情況Fig.5 Income of each power generator in different scenarios during a single compliance period

        4.3 多履約期連續(xù)仿真結(jié)果分析

        為驗(yàn)證所提模型在多個(gè)履約期連續(xù)進(jìn)行時(shí)的有效性,選定200 個(gè)電碳市場(chǎng)時(shí)段(即上述案例的4 個(gè)履約期)進(jìn)行仿真計(jì)算,結(jié)果如圖6 所示。

        圖6 各發(fā)電主體多履約期連續(xù)仿真下的碳市場(chǎng)出清結(jié)果Fig.6 Carbon market clearing results of each power generator under continuous simulation during multiple compliance periods

        在第1 履約期內(nèi),碳成交價(jià)格整體呈現(xiàn)先降后漲的趨勢(shì),說明市場(chǎng)主體在履約初期碳配額較為充足,在履約期臨近結(jié)束時(shí),迫于履約壓力,碳配額購(gòu)買者抬升報(bào)價(jià),碳價(jià)上漲,市場(chǎng)成交量總體增多。在第2 履約期內(nèi),根據(jù)前一個(gè)履約期末段碳價(jià)大漲的歷史數(shù)據(jù),市場(chǎng)主體在履約初期碳價(jià)相對(duì)較低時(shí),傾向于選擇大量購(gòu)入碳配額,使得碳價(jià)迅速上升,成交量亦同步有所增加。隨后,碳價(jià)維持在較高水平,與之對(duì)應(yīng)的成交量卻較少,這是因?yàn)檩^高的碳價(jià)打擊了碳配額購(gòu)買者的交易積極性,使其選擇適當(dāng)減少發(fā)電量或縮小生產(chǎn)規(guī)模,以規(guī)避履約風(fēng)險(xiǎn)。在履約末期,碳價(jià)出現(xiàn)回落,原因在于為減少發(fā)電量或縮小生產(chǎn)規(guī)模的碳配額購(gòu)買者的配額購(gòu)買需求急劇減少,碳配額供大于求,碳配額售出者不得不降低報(bào)價(jià)以出售其囤積的碳配額。在第3 履約期內(nèi),碳價(jià)出現(xiàn)大幅波動(dòng),各市場(chǎng)主體對(duì)碳價(jià)的未來預(yù)期出現(xiàn)分歧,此階段的市場(chǎng)成交量分布呈現(xiàn)一定的波動(dòng)態(tài)勢(shì),至履約期末,碳價(jià)再次出現(xiàn)下跌,說明碳配額購(gòu)買者購(gòu)買積極性整體偏低。在第4 履約期初期,碳價(jià)延續(xù)了第3 履約期末段的走勢(shì),在60 元/t 的價(jià)格附近上下波動(dòng)。至履約期末,碳配額的需求量增加,碳配額價(jià)格再度趨于上漲,該履約期內(nèi)的市場(chǎng)成交量多集中在末段。綜上所述,所得仿真結(jié)果基本反映了碳市場(chǎng)的供需情況,驗(yàn)證了所提模型能夠良好反映碳市場(chǎng)主體競(jìng)價(jià)決策過程。

        5 結(jié)語

        在綜合考慮碳市場(chǎng)與電力市場(chǎng)協(xié)同運(yùn)行的前提下,應(yīng)充分發(fā)揮電力行業(yè)碳減排對(duì)實(shí)現(xiàn)“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)的重要作用。在市場(chǎng)成員同時(shí)參與電力市場(chǎng)和碳市場(chǎng)的前提下,本文建立了發(fā)用電主體實(shí)施碳排放權(quán)交易決策的總體框架。同時(shí),基于電力現(xiàn)貨市場(chǎng)出清結(jié)果,構(gòu)建了考慮排放權(quán)配額缺口、履約期壓力等因素的碳市場(chǎng)主體競(jìng)價(jià)決策模型。最后,從單履約期和多履約期2 個(gè)角度開展了算例分析。算例結(jié)果基本反映了碳市場(chǎng)的供需情況,驗(yàn)證了所提模型能夠良好反映碳市場(chǎng)主體競(jìng)價(jià)決策過程,能夠?yàn)殚_展市場(chǎng)主體決策行為分析和電、碳市場(chǎng)機(jī)制優(yōu)化設(shè)計(jì)提供有益參考。此外,合理的碳配額發(fā)放規(guī)模將有助于低碳排放主體獲得市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì),能夠促進(jìn)高碳排放市場(chǎng)主體的低碳改造和綠色轉(zhuǎn)型。

        在后續(xù)研究中,可考慮對(duì)電、碳市場(chǎng)協(xié)同運(yùn)行對(duì)行業(yè)主體低碳轉(zhuǎn)型的促進(jìn)作用展開進(jìn)一步的深化研究,適當(dāng)考慮引入CCER 等碳信用要素,以更好地兼容風(fēng)電、光伏等清潔能源發(fā)電主體,更加客觀、全面地衡量市場(chǎng)協(xié)同運(yùn)行的積極意義。

        附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx),掃英文摘要后二維碼可以閱讀網(wǎng)絡(luò)全文。

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