考慮可再生能源電力消納權重的市場交易決策研究

李 明，林廷康，曠世芳，賀薪穎，張凱琳，曾 鳴

（1.中國能源建設集團 廣東省電力設計研究院有限公司，廣州 510600；2.華北電力大學新能源電力系統國家重點實驗室，北京 102206）

0 引言

為了應對能源緊缺與化石燃料污染問題，國際社會積極開展能源資源優化配置和氣候治理措施，制定了一系列碳減排組合機制。電力行業各主體參與碳交易與綠證交易是解決電力生產負外部性的有效市場化手段［1］。美國、澳大利亞、英國等多個國家和地區均出臺了可再生能源配額制（renewable portfolio standard，RPS）政策、碳配額制政策及相應的配套政策，對推動地區清潔低碳發展發揮了重要作用［2］。2019年5月《關于建立健全可再生能源電力消納保障機制的通知》的頒布，是我國開始對可再生能源消納的責任權重進行考核的標志，與之相配套的綠色證書交易機制（tradable green certification，TGC）［3］為被考核主體完成責任考核提供了有效途徑：可通過購買綠證的方式完成消納權重指標，從而增加消費群體對綠證的交易意愿，使綠證市場和可再生能源消納量市場兩者達到動態平衡狀態。此外，自2011年起，我國在北京、天津、上海、重慶、深圳、湖北、廣東等7個省市開展碳市場建設的試點工作，2017年全國碳市場建設正式啟動，并于2021年7月實現全國碳排放市場上線交易，地方試點市場與全國碳市場并存［4］。

現階段對于電力市場的研究以電力市場多主體交易決策和市場優化運行為主，包括容量市場和輔助服務市場機制及市場優化控制等方面［3,5］，對碳配額或可再生能源消納權重考核政策下的各主體行為策略方面的研究相對較少，主要集中在碳市場、綠證市場及可再生能源配額的引入所帶來的市場風險、發電商市場策略以及對電力市場能源結構的影響等方面。文獻［6］建立了主導企業競爭邊緣模型，通過RPS實施中的市場力問題，分析了可再生能源證書的價格和用戶上網電價受不同主導企業市場力影響的程度問題。文獻［7］分析了碳市場影響可再生能源發電行業的機制，并以北京、廣東和湖北碳市場建設試點為例，量化分析碳價對電價成本的影響。文獻［8］在考慮碳成本的基礎上，采用發電機組經濟性影響模型，定量分析了碳市場不同發展階段對發電機組發電成本的影響，定量評價不同能源結構投資收益經濟性。文獻［9］將碳交易和綠色證書交易機制引入到發電權交易模型中，構建了基于區域凈利潤最大化的發電權交易模型。文獻［10］在分析綠色證書市場和電力批發市場的基礎上，建立聯合均衡模型，但沒有考慮到發電廠商策略受現行固定電價制體系約束的影響。

綜上分析可知，在綜合考慮碳市場、綠證市場和可再生能源消納權重下，對不同責任主體的交易策略方面的研究還較少?；诖?，本文將碳市場、綠證市場和可再生能源消納責任權重共同引入不同考核主體的決策因素中，以各市場主體利益最優為目標，建立市場均衡模型，研究碳市場、綠證市場引入對各主體利益的影響程度。

1 碳市場、綠證市場和電力市場耦合下多主體交易體系架構

常規火電機組、新能源發電機組和售電商等多主體將共同參與碳市場、綠證市場和電力市場的交易，并在不同市場間形成交互影響，形成多市場多主體的交易體系和架構，如圖1所示。

碳市場、綠證市場和電力市場的耦合，重點在于可再生能源消納責任權重和碳配額。可再生能源消納責任權重聯通了電力市場和綠證市場，在滿足消納責任權重要求的情況下，售電商需要從電力市場購買綠電或者從綠證市場購買綠證，這就要求售電商均衡兩個市場優化決策購電量，進而影響新能源機組的市場交易量。碳配額聯通了電力市場和碳市場，在滿足碳排放要求的情況下，常規火電機組需要衡量市場交易電量和碳市場購售碳排放權的成本效益，影響了常規火電和綠電的市場份額。就電力商品而言，新能源生產的綠電和常規能源發電機組生產的火電屬于無差別商品，在電力市場上獲取市場份額，需要進行市場競價，其中常規火電機組的交易電量所占份額將會影響到碳市場碳價，新能源發電機組的交易電量份額將會影響到綠證市場的綠證價格。根據可再生能源消納考核辦法，售電商必須完成可再生能源消納責任要求。

2 多市場耦合下各主體的交易決策模型

2.1 多市場耦合下各主體成本收益分析

2.1.1 發電商成本收益分析

（1）常規火電機組成本收益

常規火電機組i（i=1,2,…,m）的成本包括發電成本、碳排放成本和收益。收益為市場交易電量收益。

常規火電機組的發電成本Cc,i是其市場成交電量qc,i的函數，選取二次成本函數形式如下

式中：ai、bi、ci為常規火電機組發電成本系數。

此外，在考慮碳市場情況下，常規火電機組的碳配額系數為β，碳市場價格為Pc，碳排放值與其交易電量呈線性關系，碳排放因子為ce，如果其碳排放量小于碳配額，則其可以通過碳市場出售碳配額獲得收益，反之則要通過碳市場購買碳配額。因此，參與碳市場的收益為

常規能源發電機組的收益為機組參與電力市場交易電量所獲得的收益，設電力市場交易均衡價格為Pe，常規火電機組成交量為qc,i，則其收益為

（2）新能源發電機組成本收益

新能源發電機組j（j=1,2,…,n）的成本為發電成本，收益包括市場交易電量收益和出售綠證收益。由于新能源機組的發電成本主要體現在運維成本和備用成本，利用二次成本函數表征新能源發電機組的發電成本如下

式中：aj、bj和cj為新能源發電成本系數；qg,j滿足機組的安全出力區間。

新能源發電機組的收益包括在電力市場上的交易收益以及在綠證交易市場上出售綠證獲得的收益，設定綠證市場的交易價格為Pg，新能源機組綠證市場綠證成交量為，則新能源發電機組參與電力市場和綠證市場的收益為

2.1.2 售電商成本收益分析

售電商的成本主要包括購電成本、綠證成本，收益為售電收益。售電商從電力市場購電再進行售電，其購電量qs為從常規火電機組購電量和從新能源機組購電量之和。此外，售電商在綠證市場上購買綠證保證其完成新能源電力消納權重，使得總購電量中綠電占比達到要求。

因此其成本為

其總購電量售電商的收益Bs為

式中：Ps為售電電價；q′s為售電量。

2.2 多市場耦合下多主體交易決策模型

2.2.1 各主體交易決策目標

（1）常規火電機組決策目標

常規火電機組的決策原則是實現自身利潤最大化，根據2.1.1節常規火電機組的成本和收益分析，得到其決策目標為

（2）新能源發電機組決策目標

新能源發電機組j（j=1，2，…，n）的決策目標同樣為利潤最大化，根據2.1.1節的成本收益分析，得其決策目標為

（3）售電商決策目標

售電商的決策目標為自身利潤最大化，根據

2.1.1 節成本收益分析，其決策目標描述為

（4）約束條件

在可再生能源電力消納責任權重α的約束下，售電商可以通過購買新能源電力或通過購買綠證來完成權重考核，則

2.2.2 各主體交易決策策略

根據2.2.1節分析得到各主體進行市場決策的目標，分析不同類型能源機組和售電商的最優交易電量，以各發電機組和售電商的購售電量為決策變量進行市場交易平衡分析。

（1）常規火電機組最優決策

常規火電機組以利潤Wc,i最大為目標，通過決定自身售電量qc,i參與市場交易

根據市場供給規律，當交易電量增多時，電力市場均衡價格將會下降，得到電力市場交易均衡價格和市場供給的函數關系為

式中：re和ke為市場電價供應函數系數。

根據市場需求規律，當火電機組市場交易電量越多時，碳配額需求越大，碳市場價格越高，得到碳市場交易價格的函數關系為

式中：rc和kc為碳市場價格需求函數系數。

結合式（12）—式（14）可求出常規火電機組的售電量決策值

（2）新能源發電機組最優決策

新能源發電機組j以利潤Wg,i最大為目標，通過決定自身售電量qg,j參與電力市場交易

根據市場供給曲線，得到綠證市場交易均衡價格和市場供給的函數關系為

式中：rg和kg為綠證市場綠證供應函數系數。

結合式（13）、式（16）、式（17）可求出新能源發電機組最優售電量qg,j

（3）售電商最優決策

售電商以自身利潤Ws最大為目標，通過決定自身購電量確定參與電力市場

可求出售電商對應的購電量qs如下

基于多主體交易決策模型，可以得到各主體購售電量的最優決策。各主體通過電力市場決定了購售電量目標后，常規火電機組在碳市場購售碳配額量和售電商在綠證市場上購售綠證數量也可以對應計算得出。

3 算例分析

本節就多市場耦合下的兩個關鍵參數：可再生能源消納責任權重α和碳配額系數β，開展算例分析，闡釋兩個參數對市場主體交易決策的影響。

3.1 數據選取及各發電機組參數

設定電力市場存在4家發電機組，全部參與市場競爭，其機組成本系數和容量的基本參數如表1所示［4］。

發電機組編號1號2號3號4號各機組成本系數a 0.21 0.26 0.86 0.87 b 63 81 347 363 c 0000容量/MW 90 90 40 40碳排放因子/（t·MWh-1）0.75 0.82 00

其中，1號和2號為常規火電機組，3號和4號為新能源發電機組。在該電力市場的交易價格方面，采用當前市場平均價格475元/MWh進行計算。其它參數的選取及基準值的確定如表2所示。

參數取值r e 700 k e 0.148 r c 40 k c 0.050 r g 180 k g 0.036

假設qc,1、qc,2、Wc,1、Wc,2和qg,3、qg,4、Wg,3、Wg,4分別為常規火電機組1號、2號及新能源發電機組3號、4號的交易量和收益，以便分析新能源消納權重對市場各個參與主體的影響情況。

3.2 結果分析

3.2.1 可再生能源配額制對各發電機組交易電量及利潤的影響

可再生能源配額制對各發電機組交易量及利潤的影響如圖2所示。

由圖2可以看出，隨著新能源配額比例的不斷升高，常規火電機組的成交電量不斷下降，而新能源發電機組的成交電量不斷提升。這是由于新能源配額制及綠證制度的實施，使售電商成為被考核主體。當未完成配額指標時，售電商會受到聯合懲罰，為避免其受到懲罰，售電商會購買足夠的新能源電量，且購買數量隨著配額比例的不斷調高而增加，促使新能源電廠的成交電量不斷提升。與此同時，售電商會減少常規能源的購電量。這說明新能源配額制的有效實施能夠顯著增加售電商對于新能源電力的需求，在市場機制下，促進新能源的并網和消納，推動我國能源清潔化轉型。

隨著可再生能源配額比例的不斷增加，新能源和常規火電機組的成交電量分別呈下降和上升趨勢。通過機組交易決策最優模型可知，常規火電機組利潤主要取決于成交電量，因此在成交電量不斷下降的情況下，利潤水平同樣隨著配額比例的提高而逐步降低；新能源的發電機組利潤主要取決于成交電量和成交綠證數量，因此利潤的增加包括電量和綠證兩部分，且利潤增長速度較快。由此可知，可再生能源配額制和綠證制度對新能源的發展產生有效激勵。

3.2.2 碳配額對各發電機組交易電量及利潤的影響

圖3所示為碳配額對各發電機組交易電量及利潤的影響。由圖3可以看出，隨著碳配額系數的減少，新能源機組的交易電量逐漸增加，利潤也相應增加，常規火電機組的交易電量逐步減少，相應利潤也有所減少，并且排放因子較小的1號常規火電機組的交易電量相對減少較小，而排放因子較大的2號常規火電機組的交易電量減少較大。這是由于碳排放的限制，當碳排放政策收緊時，碳排放因子較大的機組成本提升，甚至通過碳市場購買碳配額，成本增加導致其交易電量減少，進而壓縮了常規火電機組的利潤。新能源機組則通過較多的交易電量獲得更多利潤。

綜上，可再生能源配額制、綠證制度和碳配額能夠實現對售電商和常規火電機組的有效考核，提高電力市場中的新能源交易占比，提升新能源成交電量，促進新能源的并網消納。碳配額可以有效激發新能源機組市場活力，抑制高排放常規火電機組的發展。綠證制度能夠通過綠證市場降低新能源機組生產成本，減輕政府的補貼壓力。

4 結束語

在碳市場、綠證市場和電力市場等多市場耦合環境下，結合可再生能源消納責任權重要求和碳配額制，針對各主體市場行為開展研究，建立了多市場多主體交易決策模型，通過算例仿真進行驗證分析，得到以下結論。

（1）在可再生能源配額制的前提下，構建了碳市場、綠證市場和電力市場多市場耦合下多主體交易決策模型，研究了各電力市場主體的行為策略隨新能源配額、碳配額變化時的變化，可用于分析適用于不同配額比例的新能源發電商、常規能源發電商和售電商的交易策略，對新能源電力消納權重背景下的市場交易決策提供一定參考價值。

（2）在碳配額、可再生能源配額制和綠證交易的促進下，售電商對新能源電力的需求得到了有效增長，電力市場中新能源的成交電量增加，促進了新能源消納。常規火電機組和售電商受利潤減少的影響，會逐步向綜合化、清潔化轉型。D