多市場情形下燃煤發電企業交易策略分析

張金良，王玉珠

(華北電力大學經濟與管理學院，北京市 102206)

0 引 言

目前，我國二氧化碳排放的主要來源為能源領域的生產和轉換，而其中燃煤發電排放在能源領域占35%左右[1]。因此，隨著“雙碳”目標與新型電力系統規劃的提出，我國針對二氧化碳排放主要來源的燃煤發電行業采取了一系列政策措施。2008年3月，作為電力行業特有的交易類型，我國發電權交易正式開始實施。為減少二氧化碳排放，2017年12月，在發電行業率先開啟碳排放權交易市場。在上述多種競爭市場環境下，利潤最大化成為各個燃煤發電企業追求的目標。發電企業為實現其利潤最大化，可以選擇參加一種或多種市場型政策交易，即制定不同類型市場下的交易策略。因此，研究發電企業的多市場組合交易策略，對發電企業顯得尤為重要。

在單一政策對發電企業的影響上，文獻[2]通過建立火力發電企業參與碳排放權交易時的煤炭平倉價格模型，分析了企業的采購策略和抵御風險的能力。文獻[3-6]利用系統動力學模型，分別研究了碳排放權交易、發電權交易的各因素對發電商的影響機制。文獻[7-8]利用仿真算法模擬發電企業在碳排放權市場中的最優策略行為，來實現發電企業利潤的最大化。文獻[9-10]分析碳排放限額及分配方式對企業交易的影響，并解釋了發電公司在排放管制下基于發電成本和排放強度的戰略行為。文獻[11]研究了碳成本傳導原理及核算模型，以解決碳成本對不同發電機組出清順序和裝機容量不匹配問題。在碳排放權和發電權交易相結合方面，文獻[12-14]認為發電權交易和碳排放權交易有一定的聯系，并研究了2種政策相結合時企業利潤的變化。文獻[15-16]在發電權交易和碳排放權交易背景下，構建以區域利潤最大化為目標的優化函數，并應用適當的利潤分配法對發電機組進行了利潤分配。文獻[17]分析了有無碳配額時的4種交易策略，在此前提下選出發電商在參與發電權交易時的最優交易策略。還有一些研究將碳稅與碳排放權交易相結合，來研究發電商的最優發電計劃[18-20]。

隨著我國電力體制改革進入新的發展階段，全國電力市場交易進入活躍期，在全國碳排放權交易市場正式啟動的背景下，發電商如何科學合理地選擇交易策略，獲得最大化利潤，對燃煤發電商來說顯得尤為重要。然而，目前極少有文獻將燃煤發電企業在電能交易、碳排放權交易和發電權交易結合政策下的策略選擇展開深入討論。

基于上述分析，本文將碳排放權交易和發電權交易引入發電企業參與電力市場交易中，對這3種市場交易構建模型，從燃煤發電商利潤最大化角度，構建發電商在單純進行電能交易、單純進行發電權交易、在電能交易的基礎上進行發電權交易或碳排放權交易、同時進行電能交易和發電權交易及碳排放權交易時的5種交易策略，研究發電商如何選擇策略來獲得最大的利潤。

1 模型構建

1.1 發電權交易市場

發電權交易的實質是具有不同發電成本的機組之間通過自發的交易，實現發電效益的補償[21]。發電份額可以通過初始分配和二級市場交易2種渠道獲得。發電商在發電權交易市場的收益Rg為：

Rg=pg(q0i-qi)

(1)

式中：pg為發電權交易的成交價格；q0i為發電企業i的初始發電份額；qi為發電企業i的實際發電量。q0i-qi>0表明發電商i為賣方；q0i-qi<0表明發電商i為買方；q0i-qi=0表明發電商不參加發電權二級交易市場。

機組的實際發電量要在其允許的最大值qmax與最小值qmin之間，即：qmin≤qi≤qmax。

每個發電商的二次發電成本函數Ci(qi)為：

(2)

式中：ai、bi、ci為企業i發電運行的成本系數。

1.2 碳排放權交易市場

碳排放權交易是通過市場經濟抑制二氧化碳排放的重要機制。根據一個地區的碳排放總量，運用基線法或其他分配方式[22]，按照一定的分配比例將碳排放配額分配給各發電企業，發電企業根據自身的生產和碳排放實際情況，決定是否在碳市場中對碳配額進行交易。

免費分配為目前我國碳排放配額分配的主要方式，但在實際碳排放權交易試點地區中，大多數試點地區已經開始實行有償分配模式。假設發電企業分得的免費初始碳排放權配額為：

(3)

表1 各類別機組碳排放基準值Table 1 Carbon-emission benchmark values of various types of units

表2 常規燃煤純凝發電機組負荷系數修正系數Table 2 Correction coefficient of load coefficient of conventional coal-fired pure-condensing generator set

(4)

(5)

式中：δ為一級碳市場中發電企業拍賣調整系數。

(6)

式中：θ為當企業超出碳排放限額時的懲罰系數。

2 發電商交易策略

發電企業作為理性經濟人，做決策時會根據自身發電量的情況，綜合考慮碳排放權交易市場、發電權交易市場及電能交易市場中的交易情況，使其自身利潤達到最大。所以，發電企業有以下5種決策情形：

情形1：發電企業在發電權市場購買發電權來增加發電量，在電力市場進行電能交易，并對剩余或短缺的碳排放權進行交易。此時，發電企業的利潤函數為：

(7)

代入式(1)—(6)，即發電企業的最優決策模型為：

(8)

s.t.qmin≤qi≤qmax

(9)

(10)

式中：pi為電力市場中發電企業i上網電量的成交價格。

式(9)表示發電機組的出力約束；式(10)表示發電企業的碳排放約束，即發電企業通過免費分配、一級碳市場拍賣和二級碳市場交易的總碳配額要大于企業實際碳排放。

情形2：發電企業將所有的發電份額出售，來獲得利潤，此時發電企業的利潤函數為：

π2=pgq0i

(11)

情形3：發電企業根據自己獲得的初始發電權量進行發電，并在電力市場上進行出售電能來獲取利潤，購買或出售多余或者短缺的碳排放權。發電企業的利潤函數為：

(12)

代入式(2)—(6)，得發電企業的最優決策模型為：

(13)

在情形3中，發電機組除滿足出力約束外，還要滿足免費分配到的碳配額與在一級市場中拍賣到的碳配額以及在二級碳市場中交易到的碳配額總和大于企業實際的碳排放。

情形4：發電企業按照初始發電份額進行發電并交易電量。當實際碳排放大于免費配額，則懲罰函數大于0；當實際碳排放小于免費配額，則懲罰函數等于0。發電企業的利潤函數為：

(14)

代入式(2)—(6)，得發電企業的最優決策模型為：

(15)

情形5：發電企業發電權市場進行部分發電份額交易，并在電能市場出售電量，但不進行碳排放權交易，只對超出配額的部分支付罰金。發電企業的利潤函數為：

(16)

代入式(1)—(6)，得發電企業的最優決策模型為：

(17)

在情形4和情形5中，由于發電企業不進行碳排放權交易，所以其只須滿足出力約束，對超出初始碳配額的碳排放量，由企業付出相應的懲罰成本。

3 算例分析

3.1 參數設置

本文以碳排放權交易、發電權交易與電力市場交易為基礎，構建了5種情形下以燃煤發電企業利潤最大化為目標的規劃模型，對燃煤發電企業在多種市場情形下的交易電量和交易碳配額進行決策分析。以3家發電企業參與市場運營為例，各發電企業的參數如表3所示。在電力市場交易中，上網電價為450元/(MW·h)，發電權交易價格為270元/(MW·h)，二級碳市場價格為40元/t，一級碳市場價格為28元/t。

表3 發電企業參數Table 3 Parameters of power generation enterprises

3.2 結果分析

根據表3設定的參數，調用Matlab軟件中的fmincon函數對5種情形下發電企業決策模型進行求解，取初始拍賣系數為0.05，懲罰系數為2，所得結果見表4。

由表4可知，從情形1與其他4個情形的利潤比較可以得出，對于大容量環保發電企業，通過購買發電權增加發電量，并在電能市場和碳排放權交易市場上進行電能交易和碳排放權交易時利潤最大。情形2表明，對于一些計劃關停或發電成本較高的小火電機組，在其他情形下，利潤為負值，可將其全部發電權電量賣給大容量環保火電機組，以此獲得一定的收益。情形3下發電企業1、發電企業2、發電企業3的利潤相較于情形4分別增加0.7%、2.7%、8.1%，即相比于單純的電能交易，發電企業在電能交易的基礎上進行碳排放權交易更能有效地增加企業的利潤。情形4下發電企業的利潤相較于情形5有所增加，即在不進行碳排放權交易時，相較于按照初始發電份額進行生產，發電企業進行發電權交易獲得的利潤更高。

表4 發電企業在不同情形下的最優交易策略Table 4 Optimal transaction strategies of power generation enterprises in different situations

3.3 靈敏度分析

本文從碳排放權市場和發電權市場出發，分別分析發電權交易價格、碳配額比例、碳交易價格對發電企業利潤的影響。

1)發電權價格對企業利潤的影響。

不同發電權價格下的各企業利潤如圖1所示。在考慮發電權價格對發電企業利潤的影響時，由于在情形3和情形4下企業不參與發電權交易，所以只考慮剩余3種情況下發電企業的利潤變化。從圖1可以看出，在情形1和情形5下，發電企業參與的交易包含發電權交易時，企業利潤會先隨著發電權交易價格的增加而減少，當發電權價格增加到一定值時，企業利潤會緩慢增加。例如企業2在發電權價格為300元/(MW·h)以前，利潤會隨著發電權價格增加而減少，利潤在發電權價格為300元/(MW·h)時達到最低點后，又會隨著發電權價格的增加而提升。其原因為在利潤達到最低點后，發電企業會滿足最小發電約束后，將剩余的發電權出售來獲得利潤。

圖1 不同發電權價格下的各企業利潤Fig.1 Profits of enterprises under different power-generation right prices

另一方面，從圖1可以看出，發電企業在發電權處于不同價格時的交易策略。例如企業3，在發電權價格為150～215元/(MW·h)和230～300元/(MW·h)時，優先選擇情形1的策略進行決策；發電權價格在215～230元/(MW·h)時，優先選擇情形5進行交易；發電權價格在300～450元/(MW·h)時，優先選擇情形2進行交易。

2)有償拍賣比例對企業利潤和碳排放量的影響。

(1)對企業利潤的影響。

圖2為發電企業在不同拍賣比例下的利潤?？梢钥闯?，在5種情形下，企業利潤都隨著拍賣比例的增加而下降，但下降幅度有所不同。情形1和情形3下，企業參加的交易包含碳排放權交易，此時，企業利潤與拍賣比例基本呈線性關系。并且可以看出，利潤隨拍賣比例下降的幅度與企業初始發電計劃有關。初始發電計劃越大，隨著拍賣比例的遞增，大容量環保型發電企業利潤下降越快，初始發電計劃越小，拍賣比例對其影響也越小。即發電企業在參加碳排放權交易時，當拍賣比例較小時，大容量環保企業不僅可以將初始獲得的部分免費配額用于自身生產排放，而且剩余的免費碳配額可以在二級碳排放權市場出售從而轉化為收益。當有償拍賣比例不斷增加時，可以出售的免費配額量逐漸減少，發電企業購買碳配額的成本也隨之增加，導致企業利潤下降。

圖2 不同拍賣比例下的企業利潤Fig.2 Corporate profits under different auction ratios

發電企業在情形4和情形5下，即不參加碳排放權交易時，其利潤會在拍賣比例為一定值前沒有變化，超過一定量的拍賣比例，其利潤會隨著拍賣比例下降。如在情形5下，當拍賣比例小于0.6時，發電企業1的利潤一直保持在1 990萬元。當拍賣比例超過0.6時，企業利潤開始隨著拍賣比例的增加而下降。原因在于，發電企業不參加碳排放權交易時，拍賣比例會影響其初始碳排放額和罰金。當拍賣比例較小時，其免費獲得的排放額高于實際排放量，此時不會有罰金的存在，不存在碳成本。當拍賣比例增大到某一值時，實際排放量超過初始免費碳排放額，企業就必須支付罰金，即產生碳成本，從而降低企業的利潤。

在情形2下，發電企業將所有的發電份額出售獲取利潤，即企業不進行發電。在這種情況下，碳配額拍賣比例的大小與企業的利潤無關，所以在此不予討論。

(2)對碳排放量的影響。

圖3為情形1中各拍賣比例下發電企業的二氧化碳排放總量?？梢钥闯觯斕寂馁u比例增加時，發電企業排放的二氧化碳隨之減少。并且由于不同企業排放特性不同，其碳排放量變動幅度也不同：企業碳排放因子越大，排放量隨拍賣比例變化的趨勢更明顯。在其余情形下，不同碳拍賣比例下的碳排放量變化趨勢與情形1大致相同，所以本文只表示情形1中各拍賣比例下發電企業的二氧化碳排放總量。

圖3 不同拍賣比例下的碳排放量Fig.3 Carbon emissions under different auction ratios

3)碳價對企業利潤的影響。

由于在情形2和情形5下發電企業不參與碳排放權交易，所以只考慮情形1、情形3和情形4三種情況下碳排放權價格對發電企業的利潤影響。不同碳價下的企業利潤如圖4所示。由圖4可知，隨著碳市場交易價格的上升，大容量發電企業的利潤隨之增加，小容量發電企業利潤隨之減少。這是因為，大容量企業獲得的免費配額除了供應自身之外，還可以將剩余的免費碳配額在碳排放權市場出售來獲得利潤，此時碳價越高，企業的利潤就會越高。而小企業只能通過購買配額或支付罰金，對小企業來說，碳配額交易價格越高，其碳成本越大，企業利潤越低。另外，對于燃煤發電企業來說，相較于單純按照初始發電份額進行發電并進行電能交易，在電能交易的基礎上進行發電權交易能更有效地增加企業的利潤。

4 結 論

本文以發電權交易和碳排放權交易為背景，構建了燃煤發電企業參與電力市場交易的5種交易策略，并以發電商利潤最大為目標，對發電商的發電計劃和利潤影響因素進行了優化分析。得出的主要結論如下：

1)大容量發電企業可以通過購買發電權來獲得較多的發電份額，并在電能市場和碳排放權市場上進行電能交易和碳排放權交易更能提高企業的利潤。

2)發電成本較高或即將關停的小發電企業，最好的交易策略是將其所有的發電權出售給高效的大容量機組來獲得利潤。這樣不僅可以平衡各主體的利益，還可以減少發電環節二氧化碳的排放。

3)對發電企業來說，相比于單純地進行電能交易即按照初始發電份額發電并出售電量，在進行電能交易的基礎上進行碳排放權交易或發電權交易，更能促進企業利潤的增加。

4)企業參加碳排放權交易時，其利潤會隨拍賣比例的增加而減少；當企業參加的交易不包括碳排放權交易時，在拍賣比例為一定值時，企業利潤可能會保持不變，超過定值時，利潤才會隨著拍賣比例的增加而下降。

5)企業可以在不同的發電權價格區間選擇不同的交易策略，并且企業利潤剛開始會隨著發電權價格的增加而減少，當利潤降低到最低點時，企業會選擇滿足最小發電約束，出售自己剩余的發電權來增加利潤。

隨著可再生能源政策體系的不斷完善，本文后續擬加入綠色電力證書、可再生能源配額制等政策做進一步研究，來擴大本文的適用范圍。