陳勇,芮俊,肖雷鳴,鄧超
(1.杭州市電力設計院有限公司余杭分公司,杭州 311121;2.杭州電子科技大學 自動化學院,杭州 310018)
隨著經濟社會的高速發(fā)展,與日俱增的碳排放量驅使人類社會向綠色低碳轉型。2020 年第七十五屆聯(lián)合國大會上,國家主席習近平提出了“雙碳”目標[1]。能源行業(yè)作為碳排放的主力軍,是低碳轉型的先行者。IES(綜合能源系統(tǒng))是多種異質能源組成的復雜系統(tǒng),其多能耦合的特性賦予其巨大的減排潛力[2]。目前,國內外已有大量關于IES低碳化的研究[3-4]。文獻[3]通過建立碳排放目標,在日內滾動調度中為IES 安排以最低碳為目標的調度和以經濟最優(yōu)為目標的調度兩種優(yōu)化方案。文獻[4]將階梯式碳交易引入電-氣-熱IES低碳經濟調度模型,綜合考慮系統(tǒng)的低碳性和經濟性,實現(xiàn)系統(tǒng)低碳經濟調度。
碳交易是實現(xiàn)IES低碳減排的有效舉措之一。文獻[5]引入碳交易機制,將碳配額作為一種商品在市場上進行售賣,并在碳排放的約束下構建系統(tǒng)低碳優(yōu)化調度模型。目前國內的碳交易市場機制還不夠完善,制定合理的碳交易機制以及系統(tǒng)內部低碳經濟調度亟待進一步研究完善[6-7]。文獻[8-9]采用傳統(tǒng)固定碳價的碳交易模式引導IES低碳運行,但由其結果可見固定碳價的引導獎懲效果并不顯著。隨著碳市場研究的不斷深入,階梯式獎懲碳價逐漸替代傳統(tǒng)固定碳價模式,成為碳交易市場的主流[10-11]。文獻[12]在考慮電轉氣兩階段運行的情況下研究階梯式碳交易機制下IES的低碳性和經濟性,文獻[13]對傳統(tǒng)碳交易定價模型和獎懲階梯型碳交易模型進行了對比分析。
目前碳交易機制是以年度進行結算的,存在碳交易配額與碳排放不匹配的問題,導致碳排放量嚴重超標、不能滿足碳交易年度配額、碳交易成本增加等問題。為保證碳排放配額分配的合理性,避免年度結算時碳排放量超標導致環(huán)境污染加劇,文獻[14]打破原有的年度碳排放交易策略,提出了一種基于獎懲因子的季節(jié)性碳交易機制,實現(xiàn)IES 低碳經濟調度。在此基礎上,本文繼續(xù)深入研究碳市場交易周期機制,建立日前碳交易機制,實現(xiàn)碳市場每日清算。
碳交易市場中,各IES具有不同的利益訴求,因此多主體之間的利益協(xié)調至關重要。博弈論是解決不同市場主體利益沖突的重要方法之一[15]。文獻[16]建立一種考慮IES 內四方利益主體的Stackelberg 博弈模型,實現(xiàn)區(qū)域IES 低碳經濟優(yōu)化調度。文獻[17]提出一種基于雙層主從博弈的IES多主體低碳經濟運行策略,促進各主體利益均衡,實現(xiàn)系統(tǒng)的低碳經濟運行。上述文獻均是研究能源系統(tǒng)內部或者IES 與能源市場之間進行博弈互動,考慮中間運營商聚合多個IES 參與碳交易的互動博弈競價模型方法還有待深入研究。
針對上述問題,本文基于已有的碳交易市場,設計碳配額日前分配、日前交易、日內執(zhí)行的市場交易背景,聯(lián)合若干IES 共同構建一個區(qū)域日前聯(lián)合碳交易市場,提出一種基于IES與JMO(聯(lián)合市場運營商)的動態(tài)非合作Stackelberg博弈決策模型交易機制,并為IES 設計一種低碳排和低成本雙重激勵選擇策略。最后,通過算例驗證所提機制和策略可實現(xiàn)IES的低碳經濟運行。
IES通常包括能源供給側、負荷、能量轉換3個部分,通過靈活調節(jié)設備的出力,達到降低系統(tǒng)碳排放量的目的[18]。
構建包含電、熱、氣3種能源形態(tài)協(xié)調的IES模型,如圖1所示。主要的外部能源輸入包括外部電網(wǎng)和天然氣源;供能設備包括CHP(電熱聯(lián)產機組)、GB(燃氣鍋爐)、EB(純電鍋爐)、可再生能源電廠,其中可再生能源電廠包含風機和光伏。目前國內針對上述IES 設備的建模已有較多研究[19-20],本文不再贅述。
圖1 IES結構Fig.1 The IES structure
IES內部的碳排放源主要有CHP和GB。根據(jù)CHP 和GB 的工作機理,其溫室氣體的排放主要來自天然氣的開采、運輸和燃燒使用,具體碳排放系數(shù)計算公式如下:
式中:μpg和μtg分別為天然氣開采、運輸環(huán)節(jié)所產生單位電量的碳排放系數(shù);λgas為天然氣采集過程中的氣體自逸率;Epg為天然氣的碳排放強度;n為天然氣開采過程中排放的溫室氣體種類數(shù)量;λi為第i種溫室氣體折算成二氧化碳的折算系數(shù);Eg_c,i為第i種溫室氣體的碳排放強度;Egt和Elt分別為天然氣以氣態(tài)和液態(tài)兩種形式進行運輸?shù)奶寂欧艔姸?;kpt為天然氣管道傳輸方式輸送量在總輸送量中的占比;μCHP和μGB分別為CHP和GB的實際碳排放系數(shù);ECHP和EGB分別為CHP和GB燃燒單位天然氣的碳排放強度。
在式(1)—(4)基礎上,結合CHP 和GB 的輸出功率,可得到其實際碳排放量:
式中:T為1個周期內的總時段數(shù);QCHP和QGB分別為CHP 和GB 實際的碳排放量;ηCHP和ηGB分別為CHP 和GB 的能量轉換系數(shù);和分別為CHP在時段t的輸出電、熱功率;φ為供熱量折算成發(fā)電量的折算系數(shù);H(t)GB為GB 在時段t的輸出熱功率。
基于可再生能源電廠和EB的工作機理,其實際碳排放量可忽略不計。除此之外,IES需要從外部電網(wǎng)購電以滿足電負荷端的需求。IES在外部能源網(wǎng)絡購得的電能主要來源于火電機組,其生產過程伴隨一定的二氧化碳排放。2022年12月國家生態(tài)環(huán)境部印發(fā)了《企業(yè)溫室氣體排放核算與指南-發(fā)電設施》,明確指出電網(wǎng)購電方需要為所購電量承擔相應的碳排放量,故外部購電也是IES的一大碳排放源,其對應的碳排放量為:
式中:Qgrid為外部電網(wǎng)購電量對應的碳排放量;μgrid為生產單位電量的碳排放系數(shù);為時段t外部電網(wǎng)購電的供電功率。
綜上所述,對IES 的各部分機組進行碳排放分析,得到IES實際碳排放量Qdis為:
進行碳交易之前,首先要確定碳排放額度。目前我國采用免費分配的方法,基于基線法為系統(tǒng)分配碳排放權[21],初始碳排放權與生產商實際發(fā)電量有關。碳交易的碳配額分配模型如下:
本文提出一種基于日前碳交易市場的運行優(yōu)化模型,參與碳交易的市場主體包括JMO 和多個IES,它們構成的多主體主從博弈互動框架如圖2所示。
圖2 多主體主從博弈互動框架Fig.2 Framework of master-slave game interaction with multiple agents
JMO 是市場多主體主從博弈互動機制中的主導者和協(xié)調者,負責碳交易聯(lián)合市場每日的運行和清算。
IES是市場多主體主從博弈互動機制中的跟隨者,各個IES 通過政府監(jiān)管部門提前一天獲取碳排放源的無償碳配額,且這部分碳配額僅在日內有效。擁有多余碳配額的IES 盡可能多地出售自身多余的碳配額以獲得更多利益,缺少碳配額的IES盡可能降低自身的碳交易成本。
單一IES 在一級市場中的交易體量較小,沒有明顯的競價優(yōu)勢,故本文僅考慮各IES 在聯(lián)合市場中售碳的場景。IES根據(jù)分時電價和購、售碳配額價格,對日內各電廠生產計劃、可再生能源電廠的出力情況進行預測,并計算當日碳排放量。該碳排放量是以IES碳排放量最小為目標對IES內部單元優(yōu)化的結果,其目標函數(shù)為:式中:下標i表示第i個IES 的參數(shù),下同;優(yōu)化過程的時間步長為15 min,優(yōu)化周期為24 h。
IES 在時段t滿足電功率、熱功率供需平衡,具體如下:
為保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行,各部分功率輸出需滿足以下約束:
在上述策略下,IES的運行成本計算公式為:
式中:fee1為IES的運行成本;kCHP,e,i和kCHP,h,i分別為CHP生產單位電量、熱量的生產成本;kGB,h,i和kEB,h,i分別為GB 和EB 生產單位熱量的生產成本;為電網(wǎng)購電的分時電價。
根據(jù)分配到的碳配額Qp,i,IES 決定參與聯(lián)合市場日前競價的碳配額量QIES,i:
在上述場景中,聯(lián)合市場中的IES 分為Qdis,i≤Qp,i和Qdis,i>Qp,i兩種情況。
1)Qdis,i≤Qp,i時
Qdis,i≤Qp,i時,IES需要在聯(lián)合市場出售多余碳配額,其參與市場博弈的過程中以自身收益最大化為目標,目標函數(shù)為:
為限制JMO 單方面獲利,本文提出IES 可容忍最低售碳底價λmin,i這一概念,即λsell≥λmin,i時第i個IES 接受市場出清碳價,在當日選擇出售多余碳配額,否則拒絕出售碳配額。
上文中IES 以最低碳排為目標優(yōu)化得出最低碳排量,但這種運行方式的成本不是經濟性最優(yōu)的,如在電價相對較高時,為了實現(xiàn)低碳目標,系統(tǒng)會選擇多購入低碳排系數(shù)的電網(wǎng)電能,犧牲了一定的經濟效 益。當IES在Qdis,i≤Qp,i的約束下,即在碳配額限制內IES可最大化消耗碳配額,以運行成本最低為目標可得到最大化的經濟效益。利用兩種運行策略的經濟差值和碳排放量差值之比,可計算出IES的可容忍最低售碳價。
首先,系統(tǒng)以運行成本最小為目標調整生產計劃,目標函數(shù)為:
式中:fee2為IES 的以運行成本最小化為目標調整的生產計劃運行成本,該優(yōu)化過程的時間步長為15 min,優(yōu)化周期為24 h。
同時,需滿足碳平衡、功率供需平衡、可再生能源電廠輸出功率約束以及外部電網(wǎng)聯(lián)絡線交互功率約束(見式(18)),其他功率平衡約束條件同式(12)、式(13)。
利用上述計算的以成本最小化為目標調整生產計劃的生產成本fee2,得到可容忍的最低售碳價:
式中:λmin,i為第i個IES可容忍的最低售碳價。
各IES 的售碳底價λmin,i都有所不同,故IES參與市場交易需滿足約束:
在聯(lián)合市場競價過程中,此類IES 向JMO 上報出售碳配額市場根據(jù)市場報價的整體情況向各IES返回聯(lián)合市場出清售碳價λsell。若λsell≥λmin,i,則該IES 選擇出售碳配額以獲利;若λsell<λmin,i,則該IES 選擇拒絕出售碳配額,等待聯(lián)合市場下一輪博弈,直到售碳價λsell≥λmin,i,選擇出售碳配額。若直到市場博弈結束,λsell<λmin,i,則該IES 選擇以系統(tǒng)運行成本最小為目標調整生產計劃,不參與當日聯(lián)合市場的碳交易。IES的競價流程如圖3所示。
圖3 IES競價流程Fig.3 The IES bidding process
對于整個市場而言,IES的可容忍最低售碳價防止了市場的惡性競爭,聯(lián)合市場的出清售碳價必須不小于成功參與當日售碳的所有IES 的可容忍最低售碳價即λsell≥
2)Qdis,i>Qp,i時
Qdis,i>Qp,i時,IES需從市場買入一定碳配額。此情況下的IES有兩種選擇,一是選擇為碳排放的超標交碳稅罰款,二是在市場中購買碳配額。
這類IES 在日前以最小化碳稅成本為目標,優(yōu)化自身購碳策略,并參與市場博弈,目標函數(shù)為:
為了達到進一步的減排目標,刺激該部分IES的低碳減排發(fā)展,政府監(jiān)管部門的碳稅定價采用懲罰階梯定價模型。以各IES 分配到的無償碳配額為基準,將碳排放量劃分為多個區(qū)間,碳排放量越高的區(qū)間,單位碳配額的售價越高。具體計價模型為:
式中:u為稅收基準價格;l為劃分的碳排放量區(qū)間長度;α為懲罰階梯碳交易因子;N為懲罰階梯數(shù)。
此外,IES向聯(lián)合市場提交交易申請,上報自身需要購買的碳配額量JMO根據(jù)市場調控向IES 返回市場碳配額的購買價格λbuy。根據(jù)市場報價,IES調整購碳策略并再次上報信息。
在上述兩種渠道中,IES根據(jù)成本計算,選擇合適的分配比例處理缺少的碳配額,以實現(xiàn)成本最小化的目標。
JMO 在日前博弈中根據(jù)底層上報信息調整市場價格,其目標是最大化聯(lián)合市場經濟效益,目標函數(shù)為:
式中:EJMO為JMO的市場總收益;Nn為自身碳配額不足的IES 數(shù)量;Nm為需出售多余碳配額的IES數(shù)量;Qsub為JMO需在外部一級市場交易的碳配額,其值由區(qū)域碳交易聚合體內的各IES 供需關系決定;λsub為JMO 在外部一級市場的交易碳價。
一級市場存在最小交易量限制,JMO 參與外部一級碳市場的碳交易量必須不低于最小交易量Qmin,否則JMO 不允許進入一級市場交易,故JMO有如下約束條件:
本文采用動態(tài)非合作Stackelberg 博弈框架描述JMO 和IES 追求各自目標最優(yōu)的決策過程。該Stackelberg博弈模型表示為:
該模型包含了參與者、策略和效用,其中:參與者包括領導者JMO 和跟隨者IES;策略包括JMO 的購、售碳配額價格λJMO,以及IES 市場出售、買入的碳配額量、;各參與者的效用為第2 章優(yōu)化模型中各利益主體的目標函數(shù)。該Stackelberg均衡存在性證明如下。
上層JMO 的策略集合為λJMO,下層IES 的策略集合為{,},顯然,所有博弈參與者的策略集合均為博弈策略空間中的緊子集(有限閉集)。根據(jù)文獻[22]可知,當博弈滿足下述條件1、條件2時,Stackelberg博弈均衡解存在。
1)條件1,JMO與IES的收益均為關于各自策略集合的連續(xù)函數(shù)。條件1的證明如下:
對于JMO 與IES 的決策模型,其收益均為各自策略集合的連續(xù)函數(shù),條件1成立。
2)條件2,下層IES的收益為關于其策略集合的擬凸函數(shù)。條件2的證明如下:
下層IES收益可表示為:
在博弈過程中,當任何利益主體都不能單方面改變均衡解的策略來獲取利益時,說明該博弈達到Stackelberg 均衡,且滿足式(31)的條件,則
式中:上標*號表示最優(yōu)均衡解。
采用ADE(自適應差分進化)算法與Gurobi 求解器對所建立的多主體動態(tài)非合作Stackelberg 博弈模型進行求解。主從博弈求解流程如圖4 所示,其中K為當前迭代次數(shù),Kmax為最大迭代次數(shù)。
圖4 主從博弈求解流程Fig.4 The solving process of master-slave game
選擇4個典型IES(IES1—IES4)組成區(qū)域碳交易聯(lián)合市場為算例進行分析,以驗證本文所提交易機制的可行性。4 個IES 均配備風力和光伏機組,其可再生能源及電、熱負荷日前功率預測曲線如圖5所示。本文采用實時電價方案,實時電價分布如圖6所示。IES碳排放及碳交易基本參數(shù)如表1所示。
表1 IES碳交易基本參數(shù)Table 1 Parameters for IES carbon trading
圖6 實時電價分布情況Fig.6 The distribution of real-time electricity price
為了驗證文本提出的IES 優(yōu)化策略與聯(lián)合市場交易機制的有效性,4個典型IES的設備存在差異,具體如表2所示。
表2 IES設備差異情況Table 2 Differences in IES devices
針對4個IES的設備差異情況,優(yōu)化內部各設備出力情況。
對于IES1,以碳排放最小為目標得到的系統(tǒng)功率優(yōu)化結果如圖7所示。低碳排放系數(shù)的EB在熱功率中出力較多,電網(wǎng)購電出力較多,系統(tǒng)對電網(wǎng)的依賴程度較高,碳排放量較低,但系統(tǒng)運行成本較高。由于其碳排放量小于碳配額,為計算其可容忍最低售碳價,以成本最小化為目標得到系統(tǒng)功率優(yōu)化結果,如圖8所示。在碳配額約束下,電網(wǎng)購電量減小,高成本的EB 出力減小,CHP 出力增加,碳排放量增加,但有效降低了系統(tǒng)運行成本。
圖7 IES1低碳排功率優(yōu)化結果Fig.7 Power optimization results of IES1 aiming at carbon emission reduction
圖8 IES1低成本功率優(yōu)化結果Fig.8 Low-cost power optimization result of IES1
對于IES2,以碳排放最小為目標得到的系統(tǒng)功率優(yōu)化結果如圖9所示。低碳排放系數(shù)的EB在熱功率中出力較多,電網(wǎng)購電出力較多,但EB的功率增加會導致系統(tǒng)電負荷增加,從而增加系統(tǒng)碳排放量,同時也對EB功率輸出有一定的約束作用。另外,IES2 缺少碳配額,需為此承擔一定的碳稅成本。
圖9 IES2低碳排功率優(yōu)化結果Fig.9 Power optimization results of IES2 aiming at carbon emission reduction
對于IES3,以碳排放最小為目標得到的系統(tǒng)功率優(yōu)化結果如圖10 所示??梢钥闯觯缘吞寂艦槟繕藭r,系統(tǒng)對電網(wǎng)的依賴程度更高。因其碳排放量小于分配到的碳配額,以成本最低為目標優(yōu)化系統(tǒng)設備功率輸出,優(yōu)化結果如圖11所示。
圖10 IES3低碳排功率優(yōu)化結果Fig.10 Power optimization results of IES3 aiming at carbon emission reduction
圖11 IES3低成本功率優(yōu)化結果Fig.11 Low-cost power optimization result of IES3
對于IES4,以碳排放最小為目標得到的優(yōu)化結果如圖12所示。因缺少CHP,系統(tǒng)通過電網(wǎng)購電和可再生能源電廠出力滿足電負荷需求,同時選擇低碳排系數(shù)的EB 作為主要供熱設備。IES4缺少碳配額,因此以買家的身份參與市場。
圖12 IES4低碳排功率優(yōu)化結果Fig.12 Power optimization results of IES4 aiming at carbon emission reduction
由上述分析可知,不同IES 均能在低碳排和低成本雙重激勵選擇策略下有效地優(yōu)化調控,并以合適的身份參與市場交易。
4 個典型IES 優(yōu)化后得到的基礎數(shù)據(jù)如表3 所示。IES1和IES3可交易配額為正,可在聯(lián)合市場中出售多余碳配額;IES2 和IES4 可交易配額為負,需在聯(lián)合市場購買一定的配額以填補自身配額空缺。
表3 IES優(yōu)化結果數(shù)據(jù)Table 3 Data from IES optimization results
圖13給出了市場博弈的收斂情況,可知ADE算法與本文所述交易模型的適配性良好,算法的收斂表現(xiàn)良好。博弈結果數(shù)據(jù)如表4 所示。IES3的可容忍最低售碳價為58.18 元/t,高于一級市場交易價,JMO放棄收購IES1的碳配額,因此將售碳價定至IES3的可容忍最低售碳價。IES2的超排量較少,選擇以繳納罰款的方式處理碳配額的空缺。IES4 的超排量較多,選擇為80 t 超排量繳納罰款,并在市場中購買162.28 t 碳配額。結果表明,不同情況的IES 均能選擇效益最大化的競價策略,最后博弈達到Stackelberg 均衡時,可實現(xiàn)所有主體利益最大化。
表4 市場博弈結果數(shù)據(jù)Table 4 Data from market game result
圖13 市場博弈收斂情況Fig.13 The convergence of market game
4個IES在日前聯(lián)合碳交易機制中的系統(tǒng)運行成本及碳交易收益情況見表5,在不同的交易方案下,4個IES獲得了不同的經濟收益。IES1由于市場售碳價低于自身最低售碳價,拒絕市場交易碳配額,選擇降低系統(tǒng)運行成本以獲得一定的經濟效益。IES3 的收益情況最為明顯,其出售了全部多余碳配額,在聯(lián)合碳市場中獲利。IES2和IES4均缺少碳配額,需參與市場交易,而IES4缺少的量更大,其承擔的經濟代價更大。在本文提出的市場機制中,低碳減排效果優(yōu)秀的IES 能夠獲得更多的經濟收益,這也進一步激勵了更多IES 在市場中出售碳配額,增加碳配額在區(qū)域內的流通量。
表5 日前聯(lián)合碳交易機制下的成本與收益情況Table 5 Costs and benefits under day-ahead collaborative carbon trading mechanism 元
為了有效驗證本文提出的日前聯(lián)合碳交易機制相較于傳統(tǒng)碳交易機制的優(yōu)勢,將上述4個IES置于傳統(tǒng)交易市場模型中進行交易,系統(tǒng)運行成本及碳交易收益情況見表6。在傳統(tǒng)市場中,持有多余碳配額的IES1和IES2按固定的碳市場售碳價出售碳配,其獲利情況相較于日前聯(lián)合碳交易市場交易結果有所降低,系統(tǒng)總成本升高。IES2 缺少的碳配額量較少,在日前聯(lián)合碳交易機制中選擇不參與聯(lián)合市場內購碳,因此其收益情況與傳統(tǒng)碳交易機制下的相同。IES4缺少的碳配額較多,在傳統(tǒng)碳交易機制中的碳稅成本較高,因此總成本相較于日前聯(lián)合碳交易市場交易結果有所升高?;诒?和表6的數(shù)據(jù)分析可知,在本文提出的日前聯(lián)合碳交易機制下,各個IES 的經濟效益較傳統(tǒng)碳交易方法均有提升。
表6 傳統(tǒng)交易機制下的成本與收益情況Table 6 Costs and benefits under traditional trading mechanisms 元
綜上所述,考慮多利益主體博弈互動交易既符合目前能源市場的多主體競爭特點,又能夠保障多方主體利益。在多主體博弈互動框架中采用超排階梯懲罰機制以及低碳排、低成本雙重激勵選擇策略,能同時保證區(qū)域內IES 的經濟性和低碳性。
本文設計了碳配額日前市場交易背景,聯(lián)合若干IES 共同構建了區(qū)域日前聯(lián)合碳交易市場,并提出基于IES 與JMO 的動態(tài)非合作Stackelberg博弈決策模型交易機制,實現(xiàn)區(qū)域內多IES 主體與JMO 的博弈互動以及IES 內部多能耦合的低碳經濟優(yōu)化調度。具體結論如下:
1)建立多主體動態(tài)非合作Stackelberg 博弈模型,JMO 綜合考慮各IES 的交易策略、市場供需關系及自身收益情況得到最優(yōu)的碳配額售購方案,引導IES 優(yōu)化系統(tǒng)內功率情況和交易策略,保證IES低碳經濟運作。
2)在聯(lián)合碳交易市場主從博弈模型中引入了超排階梯懲罰機制,分析各IES 在碳約束環(huán)境下的決策行為,并提出了IES 低碳排和低成本雙重激勵選擇策略,充分發(fā)揮各主體對市場導向的調節(jié)能力。仿真結果表明,不同情況的IES 均能在交易機制內選擇對自身效益最大化的競價策略。
3)系統(tǒng)成本和收益分析表明,在市場交易自身多余碳配額可獲得較多經濟收益,這一直觀結果將提高IES 的低碳減排積極性,提高碳配額的流通性及優(yōu)化區(qū)域內的整體低碳減排效果。
后續(xù)研究中需進一步考慮多主體Stackelberg博弈模型中多能源競價策略以及IES 之間的交易互動。