摘 要：從發(fā)電端、固碳端與市場(chǎng)端三端共同發(fā)力的角度出發(fā)，提出一種基于合作博弈理論的綜合能源系統(tǒng)（IES）綠證-碳交易交互模型。其中發(fā)電端通過綜合能源系統(tǒng)集中調(diào)度的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)碳捕集電廠主體與可再生能源發(fā)電主體的靈活互動(dòng)；固碳端通過引入碳捕集設(shè)備與電轉(zhuǎn)氣設(shè)備，實(shí)現(xiàn)IES的低碳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行；市場(chǎng)端通過建立綠證-碳交易交互機(jī)制，提高IES的整體經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)利用合作博弈理論，討論合作成立條件，并基于Shapley值法對(duì)合作剩余進(jìn)行合理分配。算例以內(nèi)蒙古東部某綜合能源系統(tǒng)為實(shí)例進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明，所提方法可顯著減少系統(tǒng)棄電量，發(fā)揮火電機(jī)組深度調(diào)峰作用，實(shí)現(xiàn)IES低碳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，并為探究存量火電與可再生能源項(xiàng)目的合作可行性，探索燃煤電廠靈活性改造新途徑提供了理論參考。

關(guān)鍵詞：合作博弈；綠證市場(chǎng)；碳交易；火電機(jī)組；碳捕集與利用

中圖分類號(hào)： O225；TK01；TM73" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

當(dāng)前，世界正處在新科技革命和產(chǎn)業(yè)革命的交匯點(diǎn)，加快能源結(jié)構(gòu)改革、促進(jìn)能源消費(fèi)向可再生能源方向發(fā)展是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要途徑。目前，發(fā)展中國(guó)家對(duì)于化石能源較為依賴，中國(guó)電力系統(tǒng)仍以煤電為主的事實(shí)短期內(nèi)難以逆轉(zhuǎn)，為優(yōu)化非化石能源發(fā)展布局，不斷提高非化石能源發(fā)電占比［1］，低碳戰(zhàn)略需從發(fā)電端、固碳端與市場(chǎng)端三端共同發(fā)力的角度出發(fā)。對(duì)于發(fā)電端與固碳端，建立耦合碳捕集利用與封存技術(shù)（carbon capture，utilization and storage，CCUS）和可再生能源發(fā)電的新型綜合能源系統(tǒng)是發(fā)展的必然趨勢(shì)［2］；對(duì)于市場(chǎng)端，中國(guó)先后試行了碳排放配額考核與消納責(zé)任權(quán)重考核制度，建立市場(chǎng)化的綠色能源交易機(jī)制［3］。盡管如此，中國(guó)碳交易機(jī)制（carbon emission trading，CET）與綠證交易制度（green certificate trading，GCT）尚不完善［4］，各市場(chǎng)主體能否基于現(xiàn)行交易體系展開合作，以發(fā)揮綜合能源系統(tǒng)多能互補(bǔ)、能流互濟(jì)的優(yōu)勢(shì)仍有待探索，因此已有許多國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)上述方面展開討論。

低碳技術(shù)與市場(chǎng)機(jī)制并行，已成為當(dāng)下各國(guó)實(shí)現(xiàn)碳中和的主要路徑。就低碳技術(shù)而言，綜合能源系統(tǒng)可通過聚合系統(tǒng)內(nèi)各主體的信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)多種能源出力的靈活調(diào)控，從而提升可再生能源的消納水平，從發(fā)電端減少化石能源的消耗［5］。大量研究表明，在系統(tǒng)中引入CCUS與電轉(zhuǎn)氣（power to gas，P2G）技術(shù)，也是減少碳排放的主要技術(shù)手段［6］，CCUS技術(shù)可從源頭捕捉化石能源燃燒產(chǎn)生的CO2，而P2G則有效解決了可再生能源的消納問題，提升了可再生能源的利用率。其中，文獻(xiàn)［7］基于合作博弈理論證明P2G與CCUS的聯(lián)合運(yùn)行是減少碳排放量與棄電量有效途徑。文獻(xiàn)［8］利用獎(jiǎng)懲階梯碳交易機(jī)制，增加碳捕集系統(tǒng)和電轉(zhuǎn)氣設(shè)備的出力，減少了系統(tǒng)的碳排放。

就市場(chǎng)機(jī)制而言，碳交易相較于碳稅等其他減排政策，具有靈活高效的優(yōu)勢(shì)，是各國(guó)實(shí)現(xiàn)碳中和的主要選擇［9］，文獻(xiàn)［10-11］引入階梯式碳交易機(jī)制，減少了傳統(tǒng)模型的運(yùn)行成本和能量的梯級(jí)損耗。文獻(xiàn)［12］提出基于獎(jiǎng)懲因子的季節(jié)性碳交易機(jī)制，建立電氣熱多能流供需動(dòng)態(tài)一致性模型。上述研究考慮了能源間的互補(bǔ)利用與碳交易機(jī)制，一定程度上解決了系統(tǒng)的碳排放問題，但由于國(guó)家推行風(fēng)、光平價(jià)上網(wǎng)與電力市場(chǎng)化交易［13］，因此，探究如何通過市場(chǎng)化手段促進(jìn)可再生能源的消納，提升系統(tǒng)中綠電出力占比同樣至關(guān)重要?？稍偕茉聪{責(zé)任權(quán)重作為可再生能源消納保障機(jī)制的核心指標(biāo)體系，是促進(jìn)可再生能源電力開發(fā)和消納的重要制度［14］。然而在綠證交易與碳交易雙軌并行的市場(chǎng)機(jī)制下，如何在綜合能源系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)二者的良性互動(dòng)仍有待探索。文獻(xiàn)［15-16］建立綠證制度與碳交易制度聯(lián)合的交易模型，有效的減少碳排放量、推動(dòng)能源轉(zhuǎn)型；文獻(xiàn)［17］針對(duì)相鄰國(guó)家能源市場(chǎng)機(jī)制不同、多邊協(xié)同調(diào)度難度大等問題，提出一種考慮碳-綠證聯(lián)合交易的跨境綜合能源系統(tǒng)協(xié)同運(yùn)行優(yōu)化方法，文獻(xiàn)［18］所提模型不僅能降低供能穩(wěn)定性還可實(shí)現(xiàn)電-碳-氣系統(tǒng)的低碳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行；文獻(xiàn)［19］以綠證交易結(jié)合碳交易制度為基礎(chǔ)，建立“源-荷”雙側(cè)需求響應(yīng)模型。

上述文獻(xiàn)雖然同時(shí)考慮了綠證交易與碳交易制度，但事實(shí)上，由于綠證是綠色電力中環(huán)保價(jià)值的體現(xiàn)，而碳排放配額則代表化石能源消耗帶來的環(huán)境成本，二者在交互中難免產(chǎn)生碳足跡的重復(fù)計(jì)算［20］，基于此，文獻(xiàn)［21］考慮GCT背后可再生能源供能的碳減排量，在碳排放權(quán)考核時(shí)抵消該部分碳排放的影響。

上述文獻(xiàn)為綠證交易與碳交易的良性互動(dòng)做出了理論支撐，但其均視綜合能源系統(tǒng)內(nèi)各運(yùn)營(yíng)主體為合作聯(lián)盟，分析對(duì)象為IES整體。然而在現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中，綜合能源系統(tǒng)中各主體獨(dú)立運(yùn)營(yíng)，存量火電項(xiàng)目需響應(yīng)靈活 性改造政策，并在升級(jí)后，投入高昂成本新建同等調(diào)峰 規(guī)模的保障性并網(wǎng)可再生能源項(xiàng)目，以滿足消納責(zé)任權(quán) 重考核指標(biāo)，最終實(shí)現(xiàn)可再生能源對(duì)化石能源的有序替代：而存量可再生能源發(fā)電項(xiàng)目則由于補(bǔ)貼退坡，且依賴靈活性資源平抑功率波動(dòng)，被迫壓縮發(fā)電側(cè)利潤(rùn)［22］?？煽闯?，二者在供需端有互補(bǔ)性，因此有必要深入探究合作聯(lián)盟成立的可能性，并就合作產(chǎn)生的剩余價(jià)值進(jìn)行合理分配，以探索火電項(xiàng)目靈活性改造新途徑。此問題本質(zhì)上為多主體綜合能源系統(tǒng)合作博弈中產(chǎn)生的利 益分配問題，Shapley值法因其能依據(jù)合作參與者的邊際貢獻(xiàn)確定合作參與者的應(yīng)得經(jīng)濟(jì)效益，被廣泛用于該問題的求解中［23］。

通過上述分析可知，在電力系統(tǒng)中同時(shí)考慮碳交易機(jī)制和綠證制度的經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度研究已有了初步的發(fā)展，針對(duì)現(xiàn)有研究的不足，本文綜合考慮發(fā)電端、固碳端與市場(chǎng)端在低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度中的優(yōu)勢(shì)，提出一種基于合作博弈理論的綜合能源系統(tǒng)綠證-碳交易交互模型，以系統(tǒng)整體經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)為目標(biāo)，并采用Shapley值法對(duì)合作剩余進(jìn)行分配，模型以內(nèi)蒙古東部某綜合能源系統(tǒng)為例，分析綠證交易機(jī)制與碳交易機(jī)制對(duì)P2G-CCUS聯(lián)合運(yùn)行模式下的綜合能源系統(tǒng)低碳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的影響，通過仿真算例驗(yàn)證所提方法的有效性。

1 綜合能源系統(tǒng)框架

如圖1所示，本文所提綜合能源系統(tǒng)由兩個(gè)運(yùn)營(yíng)主體組成。其中，可再生能源發(fā)電主體由風(fēng)力發(fā)電設(shè)備、光伏發(fā)電設(shè)備、電轉(zhuǎn)氣設(shè)備構(gòu)成，電轉(zhuǎn)氣設(shè)備包含兩個(gè)工作階段，第一階段為電解水制氫，第二階段為氫氣與二氧化碳重整制取甲烷，其所產(chǎn)生的天然氣直接送入天然氣管網(wǎng)；碳捕集電廠主體由火電機(jī)組、碳捕集設(shè)備構(gòu)成，碳捕集設(shè)備采用燃燒后捕集技術(shù)，可捕捉火電機(jī)組產(chǎn)生的CO2?，F(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中，上述兩主體通常獨(dú)立運(yùn)行，在滿足各自負(fù)荷需求的同時(shí)，還需完成消納責(zé)任權(quán)重考核與碳排放配額考核；而在本文所提綜合能源系統(tǒng)中，二者可建立合作聯(lián)盟，接受統(tǒng)一調(diào)度，共同滿足區(qū)域負(fù)荷需求，同時(shí)實(shí)現(xiàn)資源的合理配置與互補(bǔ)利用。

2 消納責(zé)任權(quán)重與碳交易機(jī)制原理

2.1 碳交易制度

碳交易制度是一種以市場(chǎng)化的手段通過買賣碳排放權(quán)，以實(shí)現(xiàn)各企業(yè)碳配額考核的碳定價(jià)方式。該制度在平衡各企業(yè)碳排放量的同時(shí)，降低了碳排放成本，實(shí)現(xiàn)綜合能源系統(tǒng)低碳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。當(dāng)前中國(guó)采用基準(zhǔn)線法免費(fèi)分配碳排放權(quán)配額，其計(jì)算公式為：

[ECE=t=1TρcPFtQCE=t=1TρcPFt] （1）

式中：[ECE]、[QCE]——火電機(jī)組的實(shí)際碳排放和碳配額量；[ρc]——碳捕集電廠單位發(fā)電量所產(chǎn)生的CO2量，t；[PFt]——碳捕集電廠實(shí)際出力，MW。

2.2 綠證交易制度

依據(jù)國(guó)家能源發(fā)展戰(zhàn)略和可再生能源發(fā)展相關(guān)規(guī)劃，可再生能源消納責(zé)任權(quán)重是可再生能源消納保障機(jī)制的核心指標(biāo)體系，是促進(jìn)可再生能源電力開發(fā)和消納的重要制度。綠證可用市場(chǎng)化的方式替代原有可再生能源補(bǔ)貼政策，促進(jìn)可再生能源發(fā)展。目前中國(guó)GCT參與主體為可再生能源發(fā)電商、售電企業(yè)和電力用戶，由于本文所提綜合能源系統(tǒng)內(nèi)部未考慮售電企業(yè)，因此綠證購買主體可視為碳捕集電廠主體。

2.2.1 綠證產(chǎn)生量

本文在原有綠證考核制度的基礎(chǔ)上，考慮新能源出力準(zhǔn)確度對(duì)綠證分配的影響，以行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)作為參考，根據(jù)可再生能源預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確度相應(yīng)的增加或減少綠證數(shù)量作為激勵(lì)或懲罰，提高可再生能源預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度，同時(shí)，綠證只有在考核周期內(nèi)才有效，獲得的綠證數(shù)量公式為：

[NGC，re=（1+η）t=1TΔt?（PWt+PVt）η=κE（θ-θs）] （2）

式中：[NGC，re]——可再生能源發(fā)電商獲得的綠證數(shù)量，張；[PWt、PVt]——調(diào)度周期內(nèi)風(fēng)電、光伏發(fā)電功率，MW；[T]——調(diào)度周期；[η]——功率預(yù)測(cè)影響參數(shù)；[κE]——功率預(yù)測(cè)影響權(quán)重；[θ]——上期功率預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度；[θs]——預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度標(biāo)準(zhǔn)值；[Δt]——單位調(diào)度時(shí)段。

2.2.2 綠證需求量

為準(zhǔn)確計(jì)算全生命周期內(nèi)綜合能源系統(tǒng)綠證需求總量，本文根據(jù)歷史配額完成情況確定當(dāng)下配額目標(biāo)電量，所需綠證數(shù)量公式為：

[NGC，de=Pq?Δtpq=α（1+γ）t=1TΔt（PVF1t+PVF2t）γ=β（δa-δ）] （3）

式中：[NGC，de]——系統(tǒng)滿足考核所需的綠證數(shù)量；[pq]——可再生能源配額需求電量；[α]——可再生能源配額系數(shù)；[γ]——?dú)v史綠證考核完成度影響系數(shù)；[β]——?dú)v史綠證考核完成度影響權(quán)重；[PVF1t]、[PVF2t]——可再生能源發(fā)電主體、碳捕集電廠主體的電負(fù)荷，MW；[δ]——系統(tǒng)歷史可再生能源配額完成系數(shù)；[δa]——?dú)v史可再生能源配額完成度平均值。

2.3 CET與GCT交互模型

為避免信息重復(fù)計(jì)算，當(dāng)發(fā)電企業(yè)滿足碳配額考核時(shí)，應(yīng)扣除相應(yīng)的綠證環(huán)保屬性，此時(shí)發(fā)電企業(yè)并未直接參與碳交易，而是通過購買綠證參與碳交易。此時(shí)綠證成本為：

[CGC=φGC（NGC，re-NGC，de）] （4）

式中：[CGC]——系統(tǒng)參與綠證交易成本，美元；[φGC]——單位綠證交易價(jià)格，美元。

碳交易收益為：

[ICE=φCE[（ECE-QCE）+μc·NGC，re]] （5）

式中：[ICE]——系統(tǒng)碳交易收益；[φCE]——單位碳配額交易價(jià)格，美元；[μc]——全國(guó)發(fā)電碳排放因子平均值。

3 IES多主體合作博弈模型

3.1 聯(lián)盟成立合理性分析

在本文所提綜合能源系統(tǒng)中，將可再生能源發(fā)電主體與碳捕集電廠主體組成一個(gè)聯(lián)盟，并基于CET與GCT交互的市場(chǎng)機(jī)制將聯(lián)盟收益進(jìn)行重新分配，在提高系統(tǒng)整體經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)，還能滿足個(gè)體收益最大化。

當(dāng)合作聯(lián)盟成立時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)發(fā)電側(cè)出力與用電側(cè)需求由IES統(tǒng)一調(diào)度，CCUS所需能耗可由可再生能源發(fā)電主體提供，所捕獲CO2可供給P2G作為生產(chǎn)原料，其價(jià)格均按市場(chǎng)價(jià)格計(jì)入成員貢獻(xiàn)，參與收益分配。同時(shí)，碳配額與綠證均按合作聯(lián)盟為整體進(jìn)行核算，并在收益分配環(huán)節(jié)計(jì)算歸屬，按貢獻(xiàn)分配給各合作成員。

3.2 IES設(shè)備模型與約束條件

3.2.1 碳捕集電廠

在合作運(yùn)行時(shí)，碳捕集設(shè)備的能耗由風(fēng)電、光伏與火電機(jī)組共同提供，此時(shí)碳捕集電廠運(yùn)行模型為：

[POAt=PWCAt+PVCAt+PCAtPCJt=PFt-PCAtPF，min≤PFt≤PF，maxΔPF，min≤PFt+1-PFt≤ΔPF，max] （6）

式中：[POAt]、[PCJt]、[PCAt]——[t]時(shí)段碳捕集設(shè)備運(yùn)行能耗、碳捕集電廠主體上網(wǎng)功率和火電機(jī)組提供的碳捕集能耗，MW；[PWCAt]、[PVCAt]——風(fēng)電、光伏提供的碳捕集能耗；[PF，max]、[PF，min]——碳捕集主體出力最大、最小值，MW；[ΔPF，max]、[ΔPF，min]——碳捕集發(fā)電爬坡功率最大、最小值，MW。

碳捕集設(shè)備通過捕捉火電機(jī)組產(chǎn)生的CO2，并輸送至新的生產(chǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行循環(huán)利用，以節(jié)約封存成本，減少CO2排放，其捕獲的CO2量為：

[WCBt=POAt/κC] （7）

式中：[WCBt]——碳捕集電廠捕集的CO2總量，t；[κC]——碳捕集設(shè)備處理單位CO2的運(yùn)行能耗，MW/t。

此時(shí)，碳捕集電廠二氧化碳凈排放量為：

[WCJt=ρcPCDt-WCBt] （8）

式中：[WCJt]——[t]時(shí)段碳捕集電廠的CO2凈排放量。

3.2.2 可再生能源發(fā)電主體模型

本系統(tǒng)的可再生能源發(fā)電主體由風(fēng)力發(fā)電設(shè)備、光伏發(fā)電設(shè)備、電轉(zhuǎn)氣設(shè)備構(gòu)成，就電轉(zhuǎn)氣設(shè)備而言，由于電解水制氫及H2、CO2重整制取甲烷的過程均存在能量的嚴(yán)重?fù)p耗，電轉(zhuǎn)氣設(shè)備僅在可再生能源發(fā)電與負(fù)荷需求不匹配時(shí)，用于消納富余電量，其模型為：

[PP2Gt=PWPt+PVPtWP2Gt=λCO2μP2GPP2GtGP2Gt=3.6μP2GPP2G/hg] （9）

式中：[WP2Gt]——P2G設(shè)備在[t]時(shí)段消耗的CO2總量；[PP2Gt]——[t]時(shí)段P2G設(shè)備能耗，MW；[λCO2] ——生成單位功率天然氣時(shí)需要的CO2量；[μP2G]——P2G設(shè)備的電轉(zhuǎn)氣的轉(zhuǎn)換效率；[PWPt]、[PVPt]—— [t]時(shí)段風(fēng)電、光伏供給P2G功率，MW；[GP2Gt]——[t]時(shí)段P2G生成天然氣的體積，[m3]；[hg]——天然氣的熱值，取39 MJ/[m3]。

合作運(yùn)行時(shí)，P2G設(shè)備所需CO2部分由碳捕集設(shè)備提供，其余不足部分則向外界購買，具體可表示為：

[WBT=WP2G-QP2G] （10）

式中：[QP2G]——捕集的CO2供給P2G的量，t；[WBT]——二氧化碳購買量，t。

就風(fēng)電與光伏發(fā)電而言，其還需滿足出力上下限約束與功率平衡約束，具體可表示為：

[0≤PWNt+PWCAt+PWPt≤PWt0≤PtVN+PVCAt+PVPt≤PVtPCJt+PWNt+PVNt=PVF1t+PVF2t] （11）

式中：[PWNt]、[PVNt]——[t]時(shí)段風(fēng)電、光伏發(fā)電上網(wǎng)功率，MW；[PWCAt]、[PVCAt]——[t]時(shí)段風(fēng)電、光伏機(jī)組提供的碳捕集能耗，MW；[PWPt]、[PVPt]——[t]時(shí)段風(fēng)電、光伏供給P2G設(shè)備的功率，MW；[PWt]、[PVt]——[t]時(shí)段風(fēng)電機(jī)組出力和光伏機(jī)組預(yù)測(cè)出力，MW。

3.3 目標(biāo)函數(shù)

本文基于CET與GCT交互的市場(chǎng)機(jī)制，以IES整體經(jīng)濟(jì)性[CCOP]最優(yōu)為目標(biāo)構(gòu)建函數(shù)為：

[minCCOP=CF-ICE+CP2G+CTS+CVB1+" " " " " " " " " " " " " " " " " " "CM+CQ-KA-CGC-GS] （12）

其中，碳捕集電廠燃料成本為：

[CF=ηfPCD] （13）

式中：[CF]——碳捕集設(shè)備燃料成本，美元；[ηf]——燃料成本系數(shù)。

電轉(zhuǎn)氣設(shè)備的成本為：

[CP2G=ηCO2WBT+ηP2GPP2G] （14）

式中：[CP2G]——P2G成本，美元；[ηCO2]、[ηP2G]——購買CO2的固定價(jià)格和P2G運(yùn)行成本系數(shù)，美元/t、美元/MWh。

碳封存成本為：

[CTS=φTS（WCBt-QP2G）] （15）

式中：[CTS]——二氧化碳的碳封存成本，美元；[φTS]——封存單位CO2的固定價(jià)格，取4.89美元/t。

當(dāng)可再生能源發(fā)電主體獨(dú)立運(yùn)行時(shí)，其出力往往與負(fù)荷需求難以匹配，因此需向電網(wǎng)購電以滿足電功率平衡，而當(dāng)IES處于合作運(yùn)行模式時(shí)，則由系統(tǒng)整體調(diào)度是否向電網(wǎng)購電，此時(shí)系統(tǒng)購電成本為：

[CVB1=?bPEM1] （16）

式中：[CVB1]——系統(tǒng)購電成本；[?b]——分時(shí)電價(jià)；[PEM1]——系統(tǒng)向電網(wǎng)購電量。

系統(tǒng)運(yùn)維成本為：

[CM=εwPWt+εvPVt] （17）

式中：[CM]——系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)成本，美元；[εw]、[εv]——風(fēng)電和光伏的單位維護(hù)成本，美元/（MWh）。

棄風(fēng)棄光成本為：

[CQ=αq（PWQ+PVQ）PWQ=PQ-PWNt+PWCAt+PWPtPVQ=PV-PVNt+PVCAt+PVPt] （18）

式中：[CQ]——棄風(fēng)棄光成本，美元；[PWQ]、[PVQ]——棄風(fēng)、棄光量。

IES售電收益為：

[KA=γm（K1+K2）K1=γm（PWN+PVN）K2=γmPCJt] （19）

式中：[KA]——IES售電收益，美元；[K1]——可再生能源發(fā)電主體售電收益；[K2]——碳捕集電廠主體售電收益；[γm]——單位售電成本。

天然氣出售收益為：

[GS=t=1TφgGP2Gt] （20）

式中：[φg]——天然氣單位價(jià)格，美元/m3。

為便于計(jì)算各主體在合作中的貢獻(xiàn)，對(duì)可再生能源發(fā)電主體與碳捕集電廠主體收益分別進(jìn)行計(jì)算，可表示為：

[Z1=CQ+CM+CP2G-K1-GSt-CGC+CVB1Z2=K2+CTS-ICE+CF-ηCO2QP2G] （21）

式中：[Z1]、[Z2]——可再生能源供應(yīng)商的收益與碳捕集電廠主體的收益，美元。

4 算例分析

本文以內(nèi)蒙古某園區(qū)綜合能源系統(tǒng)為研究對(duì)象構(gòu)建模型。針對(duì)該模型，本文在Matlab環(huán)境下調(diào)用商業(yè)求解器CPLEX進(jìn)行求解。

4.1 仿真場(chǎng)景設(shè)置

為驗(yàn)證所提策略的有效性，本文在表1所示的4種運(yùn)行場(chǎng)景下進(jìn)行比較分析。

4.2 仿真結(jié)果分析

綜合表2、表3可看出，場(chǎng)景2相較于場(chǎng)景1未考慮綠證交易對(duì)綜合能源系統(tǒng)的影響，此時(shí)可再生能源發(fā)電主體無法通過綠證市場(chǎng)參與碳交易，系統(tǒng)僅依靠碳捕集設(shè)備捕捉CO2以獲取可出售碳排放配額，故碳交易收益和總收益均較場(chǎng)景1分別下降11749美元與35176美元；場(chǎng)景3相較于場(chǎng)景1未考慮碳交易對(duì)綜合能源系統(tǒng)的影響，此時(shí)碳捕集設(shè)備無積極性，系統(tǒng)富余電量?jī)H依賴P2G設(shè)備消納，故電懲罰成本增加了1088美元，且電轉(zhuǎn)氣的成本增加了11659美元，相應(yīng)地，天然氣出售收益增加8767美元，此時(shí)系統(tǒng)環(huán)境價(jià)值收益相較場(chǎng)景1下降17467美元，且由于碳捕集設(shè)備未出力，系統(tǒng)實(shí)際碳排放量相較于場(chǎng)景1增加1603 t。綜上，綠證交易與碳交易交互機(jī)制可提高系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性，減少CO2排放量，促使IES實(shí)現(xiàn)低碳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

場(chǎng)景4相較于場(chǎng)景1，P2G運(yùn)行成本與購電成本明顯較高，這是由于可再生能源出力具有隨機(jī)性與波動(dòng)性的特點(diǎn)，因此當(dāng)可再生能源發(fā)電主體獨(dú)立運(yùn)營(yíng)時(shí)，電源出力與負(fù)荷需求并不匹配，系統(tǒng)富余電量依賴電轉(zhuǎn)氣設(shè)備消納，而電力缺口則依靠電網(wǎng)補(bǔ)足，然而由于P2G設(shè)備調(diào)節(jié)能力有限，因此系統(tǒng)仍存在大量棄電，棄電成本相較場(chǎng)景1增加22027美元。而當(dāng)IES以合作模式運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)統(tǒng)一調(diào)度電源出力與負(fù)荷需求，此時(shí)碳捕集電廠主體發(fā)揮深度調(diào)峰作用，系統(tǒng)最大程度消納可再生能源出力，因此場(chǎng)景1可再生能源運(yùn)維成本升高17659美元，碳捕集電廠燃料成本減少31422美元，雖然碳交易凈收益（碳交易收益與碳封存成本之差）相較場(chǎng)景4降低2000美元，但這是由于場(chǎng)景4碳捕集電廠出力較高，碳排放配額較多，而實(shí)際碳排放量場(chǎng)景1較場(chǎng)景4減少123 t。綜上，合作運(yùn)行相較于獨(dú)立運(yùn)行碳排放量減少，環(huán)保性提高，且系統(tǒng)總收益增加73620美元，經(jīng)濟(jì)性顯著提高，因此合作符合整體理性。然而，由于合作運(yùn)行模式碳捕集電廠主體接受統(tǒng)一調(diào)度而使售電收益減小，而所節(jié)約的棄電成本及購電成本等則由可再生能源發(fā)電主體獲得，因此合作運(yùn)行模式碳捕集電廠主體收益相較于獨(dú)立運(yùn)行模式減少22540美元，這顯然并不合理，因此需引入Shapley值法對(duì)合作剩余進(jìn)行合理分配。

4.3 合作聯(lián)盟合理性驗(yàn)證

Shapley值法是按成員對(duì)聯(lián)盟的邊際貢獻(xiàn)率將利益進(jìn)行分配的方法，即成員[i]所分得的利益等于該成員為他所參與聯(lián)盟創(chuàng)造的邊際利益的平均值，其可解決多個(gè)局中人在合作過程中因利益分配而產(chǎn)生的矛盾。

根據(jù)Shapley值理論，收益分配公式為：

[φiv=i∈SWSvS-vS＼iWS=n-S！S-1！n！] （22）

式中：[φiv]——成員[i]的收益分?jǐn)偡桨?；[vS]——聯(lián)盟[S]的收益；[vS-vS＼i]——成員[i]參與不同聯(lián)盟[S]為自身參與聯(lián)盟創(chuàng)造的邊際貢獻(xiàn)；[WS]——加權(quán)因子，即成員[i]對(duì)于聯(lián)盟整體所應(yīng)分得利益的權(quán)重。

驗(yàn)證聯(lián)盟合理性過程如下?；赟hapley值法的分配過程如表4、表5所示。4.2節(jié)分析表明，本文所提合作模型符合整體理性，下面對(duì)合作聯(lián)盟進(jìn)行個(gè)體理性檢驗(yàn)。

[REG：φREG=103664gt;vSREG=66853.8CCPP：φCCPP=114677gt;vSCCPP=77866.8] （23）

可看出，Shapley值法分配后，可再生能源發(fā)電主體與碳捕集電廠主體收益均高于其未參與合作前收益，故個(gè)體理性條件成立。

4.4 合作模式調(diào)度結(jié)果分析

場(chǎng)景1的IES運(yùn)行結(jié)果如圖3所示，01：00—07：00，IES總負(fù)荷較低，而此時(shí)可再生能源出力同樣較小，08：00—10：00，負(fù)荷開始爬升，而此時(shí)段光伏開始出力，上述時(shí)段可再生能源出力總體呈跟隨趨勢(shì)，而碳捕集電廠主體在該時(shí)段出力狀態(tài)較為穩(wěn)定，綜合圖5可看出，此時(shí)段系統(tǒng)碳排放量維持在150 t/h，處于中等排放水平。由于IES總負(fù)荷在10：00—23：00均維持在較高水平，故碳捕集電廠受爬坡功率限制，需提前爬升至較高出力水平以滿足16：00—20：00的負(fù)荷需求，因此11：00—15：00光伏發(fā)電上網(wǎng)功率呈下降趨勢(shì)，結(jié)合圖4可看出，可再生能源在此時(shí)段開始依賴CCUS與P2G設(shè)備進(jìn)行消納，而系統(tǒng)內(nèi)CO2排放量則降至最低水平。

16：00—20：00，系統(tǒng)內(nèi)可再生能源出力表現(xiàn)出明顯反調(diào)峰特性，此時(shí)系統(tǒng)依靠碳捕集電廠出力以補(bǔ)足IES所需電量，系統(tǒng)富余電量較小，故CCUS出力水平較低，IES碳排放量較高，21：00—24：00，可再生能源出力再次表現(xiàn)出跟隨趨勢(shì)，故此時(shí)段碳捕集電廠出力持續(xù)下降且系統(tǒng)碳排放量較低。綜上，當(dāng)合作聯(lián)盟成立時(shí)IES可發(fā)揮其聚集信息、集中調(diào)度的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)碳捕集電廠主體與可再生能源發(fā)電主體的靈活互動(dòng)，側(cè)面證明了二者合作是實(shí)現(xiàn)火電項(xiàng)目靈活性改造的可行途徑之一。

4.5 綠證-碳交易交互機(jī)制分析

圖6和圖7分析了合作模式下可再生能源滲透率對(duì)IES的影響，此時(shí)碳捕集設(shè)備能耗可由可再生能源發(fā)電主體提供，當(dāng)可再生能源滲透率增加而負(fù)荷不變時(shí)，火電機(jī)組出力減小而碳捕集設(shè)備出力增加，因此，系統(tǒng)內(nèi)CO2排放量也隨之減小，碳交易收益逐漸提高。而由式（2）可知，綠證產(chǎn)出量與可再生能源出力呈正比，因此綠證交易收益也隨之上升。可見碳交易收益與綠證交易收益均與可再生能源滲透率呈正相關(guān)趨勢(shì)并于可再生能源滲透率為100%時(shí)達(dá)到最大，故二者之和（即IES環(huán)境價(jià)值收益，后文同）亦隨可再生能源滲透率的增加而提高，且系統(tǒng)總收益也隨之上升。由于可再生能源滲透率在本文所提模型中與碳捕集電廠參與靈活性改造所提供的調(diào)峰能力有關(guān)，而環(huán)境價(jià)值收益則可視為系統(tǒng)環(huán)保屬性的體現(xiàn)，因此，上述分析證明，當(dāng)火電機(jī)組靈活性改造程度增加時(shí)，系統(tǒng)環(huán)保性與經(jīng)濟(jì)性均不斷提高，IES實(shí)現(xiàn)低碳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

另一方面，IES經(jīng)濟(jì)性與環(huán)保性還與外部市場(chǎng)因素相關(guān)。綜合圖8和圖9可知，碳配額基價(jià)的上升對(duì)CO2減排有正向激勵(lì)作用，且影響幅度在碳配額基價(jià)突破100美元/t后表現(xiàn)更為明顯，此時(shí)環(huán)境價(jià)值收益，受碳配額基價(jià)加速增加和二氧化碳排放量加速減少的雙重影響而迅速提升。同理，綠證交易基價(jià)對(duì)系統(tǒng)環(huán)境價(jià)值收益同樣具有正向激勵(lì)作用，且由于系統(tǒng)綠證產(chǎn)出及消耗量較為確定，故此時(shí)環(huán)境價(jià)值收益與綠證基價(jià)成同比例增長(zhǎng)趨勢(shì)，且系統(tǒng)總收益也隨之增加，因此，綜合考慮綠證交易基價(jià)與碳交易基價(jià)可使系統(tǒng)低碳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行效果更為顯著。

4.6 IES消納能力與碳減排結(jié)果分析

合作模式與非合作模式可再生能源消納量如圖10所示，可看出，當(dāng)可再生能源發(fā)電主體不參與合作時(shí)，在08：00—16：00出現(xiàn)大量棄電，結(jié)合圖2可知，這是由于此時(shí)段風(fēng)電、光伏出力均高于負(fù)荷需求，此時(shí)僅依靠P2G設(shè)備，難以消納該部分富余電量，而當(dāng)可再生能源發(fā)電主體加入合作后，結(jié)合圖3、圖4可知，IES一方面利用P2G設(shè)備與CCUS設(shè)備的協(xié)同運(yùn)行，增加用電需求，另一方面依靠火電機(jī)組的深度調(diào)峰能力，減少火電機(jī)組出力，提高可再生能源上網(wǎng)電量，因此合作運(yùn)行模式下棄電量大幅減少，僅在12：00—16：00出現(xiàn)少量棄電。

綜上所述，市場(chǎng)端層面，GCT政策更傾向于激勵(lì)可再生能源消納水平，而CET政策則旨在提高CO2減排能力，因此二者雙軌并行使得外部激勵(lì)措施更為完善，更有利于提高IES的環(huán)保水平；發(fā)電端與固碳端層面，合作運(yùn)行模式可充分發(fā)揮火電機(jī)組深度調(diào)峰能力及和P2G、CCUS的調(diào)節(jié)能力，大幅提高IES消納水平并減少系統(tǒng)碳排放量，最小化IES棄電懲罰成本，最大化IES環(huán)境價(jià)值收益，最終在實(shí)現(xiàn)IES經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的同時(shí)充分發(fā)揮其多能互補(bǔ)、綠色低碳、高效安全的特點(diǎn)。

5 結(jié) 論

為優(yōu)化非化石能源發(fā)展布局，不斷提高非化石能源發(fā)電占比，本文基于合作博弈理論，從發(fā)電端、固碳端與市場(chǎng)端三端共同發(fā)力的角度出發(fā)，發(fā)電端發(fā)揮綜合能源系統(tǒng)集中調(diào)度優(yōu)勢(shì)，固碳端依靠碳捕集設(shè)備與電轉(zhuǎn)氣設(shè)備技術(shù)手段優(yōu)勢(shì)，市場(chǎng)端圍繞綠證-碳交易交互體系優(yōu)勢(shì)，建立基于合作博弈理論的綜合能源系統(tǒng)綠證-碳交易交互模型，并通過算例分析得出以下結(jié)論：

1）可再生能源發(fā)電主體與碳捕集電廠主體的合作運(yùn)行可有效減少系統(tǒng)棄電量，實(shí)現(xiàn)IES低碳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，且碳減排量與經(jīng)濟(jì)性均隨可再生能源滲透率的增加而提高。

2）綠證-碳交易交互機(jī)制可顯著提升IES環(huán)境價(jià)值收益，且綠證交易基價(jià)與碳交易基價(jià)的上升均對(duì)系統(tǒng)環(huán)保性與經(jīng)濟(jì)性起到正向激勵(lì)作用，綜合考慮二者可使系統(tǒng)低碳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行效果更為顯著。

3）在綠證-碳交易交互的市場(chǎng)體系下，碳捕集電廠主體與可再生能源發(fā)電主體合作合理可行，且二者合作可充分發(fā)揮火電機(jī)組深度調(diào)峰能力及和P2G、CCUS的調(diào)節(jié)能力，為探索火電項(xiàng)目靈活性改造的新途徑提供了理論參考。

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LOW CARBON ECONOMIC DISPATCH OF IES BASED ON

GREEN CERTIFICATE-CARBON TRADING INTERACTION

MECHANISM AND COOPERATIVE GAME THEORY

Xu Ruijie，Ren Yongfeng，Zhu Rong，He Bin，F(xiàn)ang Chenzhi，Pan Yu

（College of Energy and Power Engineering， Inner Mongolia University of Technology， Hohhot 010051， China）

Abstract：With the continuous promotion of carbon peaking and carbon neutrality goals in China， to promote the consumption of renewable energy and reduce the carbon emission of the system， this paper proposes a green certificate-carbon emissions trading interaction model based on cooperative game theory for an integrated energy system from the perspective of joint efforts of power generation， carbon sequestration， and the market mechanism. The simulation is carried out in an integrated energy system in eastern Inner Mongolia. In this model， the generation side realizes the flexible interaction between the carbon capture power plant and the renewable energy generation entity with the advantage of centralized dispatching of the integrated energy system （IES）； the carbon sequestration side realizes the low carbon economic operation of IES through carbon capture equipment and power-to-gas equipment （P2G）； the market side improves the integral economy of IES through the establishment of the green certificate-carbon emissions trading interaction mechanism， and based on the Shapley value to reasonably allocate the cooperation surplus. The results show that the proposed method can significantly reduce the system power curtailment， make full use of deep peak-regulation of thermal power units， realize the low-carbon economic operation of IES， and provide a theoretical reference for exploring the feasibility of cooperation between the existing thermal power and renewable energy projects， and exploring a new way of coal-fired power plant flexibility transformation.

Keywords：cooperative game； green certificate market； carbon trading； thermal power plants； carbon capture and utilization