考慮綠證和碳排放權(quán)交易的電力市場協(xié)同減碳效應與仿真

摘要：為解決電力行業(yè)降碳問題，同時考慮綠證和碳排放權(quán)交易機制，對兩種交易機制的協(xié)同降碳效果進行定量分析，建立以各廠商利潤最大化為目標的雙層博弈模型，分析可再生能源配額比例和碳減排率對廠商決策行為的影響。針對免費碳配額的分配提出一種新的碳配額核定策略，并利用Karush-Kuhn-Tucker（KKT）條件將雙層模型轉(zhuǎn)化為單層模型進行求解。研究結(jié)果表明：新的碳配額核定策略既可以促進可再生能源發(fā)展，抑制煤電增長，又可以減少碳排放，助力“雙碳”目標實現(xiàn)。該研究為各廠商聯(lián)動及通過優(yōu)化配置資源結(jié)構(gòu)推動能源轉(zhuǎn)型提供了參考。

關(guān)鍵詞：碳減排；綠證交易市場；碳排放權(quán)交易市場；Stackelberg 博弈；利潤均衡

中圖分類號：TM 73 文獻標志碼：A

當前，氣候變化問題已引起世界各國和社會各界的普遍重視，并成為眾多學者討論的熱點話題。習近平主席在第七十五屆聯(lián)合國大會上宣布，中國要努力爭取在2030 年前二氧化碳排放達到峰值，在2060 年前實現(xiàn)碳中和這一重要目標。電力行業(yè)作為中國目前最大的碳排放行業(yè)，是落實“雙碳”目標應重點關(guān)注的領域[1]。為了盡快實現(xiàn)“雙碳”目標，國家出臺了一系列政策，如可再生能源配額制（ renewable portfolio standard，RPS）、綠色證書（簡稱“綠證”）交易機制（greencertificate trading， GCT） 和碳排放權(quán)交易機制（carbon emission trading， CET）等。圍繞上述交易機制，大量學者進行了研究。董福貴等[2] 有針對性地在發(fā)電側(cè)設計了一種盡量保證綠證供需平衡的RPS 及配套的GCT，有效解決了可再生能源消納問題。楊柳等[3] 以虛擬電廠碳交易成本及經(jīng)濟成本最小為目標，引入CET，通過構(gòu)建新型低碳經(jīng)濟調(diào)度模型，實現(xiàn)了低碳與經(jīng)濟的協(xié)同優(yōu)化。張磊、徐基光等[4-5] 提出基于GCT 的電力系統(tǒng)優(yōu)化模型，減少系統(tǒng)運行成本的同時促進了可再生能源消納。但是，上述文獻只單獨考慮了GCT 或CET，未研究兩種機制聯(lián)合運行對系統(tǒng)產(chǎn)生的影響。由于缺乏可再生能源廠商和煤電廠商聯(lián)動降碳的機制，單獨采用某種交易機制，可再生能源消納和碳減排的效果并不顯著，且煤電廠商在生產(chǎn)電力的過程中會產(chǎn)生大量污染物，對社會環(huán)境具有負外部性影響[6]，但往往在發(fā)電成本中并沒有體現(xiàn)這種負外部性。如能設計一種使兩者有效融合的機制，或能兼顧兩者優(yōu)勢，則可充分挖掘可再生能源消納和碳減排的潛力。

綠證和碳排放權(quán)交易的目的均是為促進節(jié)能減排和生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展，綠證交易主要側(cè)重于對可再生能源廠商的激勵，而碳排放權(quán)交易主要側(cè)重于對煤電廠商的懲罰。兩個交易市場從本質(zhì)上來講都是通過市場化手段來對溫室氣體進行減排，都以總量控制為目標，在一個設定好的總量目標之下，再繼續(xù)向下細化可再生能源指標或碳配額的分配[7]。這說明兩種交易模式可以協(xié)同發(fā)展，因此有必要考慮兩者的聯(lián)合市場設計。綠證交易市場和碳排放權(quán)交易市場的協(xié)同發(fā)展一直以來都是備受關(guān)注的話題，對兩個市場之間的協(xié)同機制進行深入探討，將有助于發(fā)揮政府綜合調(diào)控功能，為“雙碳”目標的實現(xiàn)貢獻力量[8]。但是綠證和碳排放權(quán)交易市場融合也存在一些難點，如兩個市場通過可再生能源廠商和煤電廠商連接，并通過綠證價格、碳價以及眾多內(nèi)生外生變量相互作用，整體研究對象是一個很復雜的系統(tǒng)，需要基于系統(tǒng)的觀點進行整體考量。

馮昌森等[9] 提出一種綠證和碳聯(lián)合交易市場模式，同時基于以太坊平臺構(gòu)建了“去中心化”的雙邊聯(lián)合交易市場，目的是保護數(shù)據(jù)安全和用戶隱私。Feng 等[10] 基于均衡和系統(tǒng)動力學理論和模型，分析和模擬了GCT 和CET 對電力市場的雙重影響，目的是證實兩種制度在中國具有激勵兼容性。楊雪等[11] 提出基于區(qū)塊鏈的綠證和碳交易市場聯(lián)合激勵機制，目的是激勵可再生能源交易。蘇宜強等[12] 建立了基于碳交易成本和綠證交易成本的源–荷互動優(yōu)化調(diào)度模型，目的是實現(xiàn)發(fā)電側(cè)資源及多種柔性負荷資源的優(yōu)化分配。雖然上述文獻對聯(lián)合交易市場進行了相關(guān)研究，但都存在一個共性問題，即未從定量角度對兩種交易機制的協(xié)同降碳效果進行深入細致的分析。此外，碳交易市場的高效活躍運行必須以碳交易政策的明確制定與規(guī)劃為基礎，而碳配額分配方式又是碳交易政策設計的基礎，如何保證碳配額分配公正合理，是碳市場建設工作的重中之重。Kong 等[13]使用DEA 模型和熵值法，基于公平和效率原則，對我國碳配額分配進行了省域和區(qū)域兩個角度的分析。巫瑞等[14] 基于歷史法和基準法兩種碳配額分配方式構(gòu)建碳減排費用不同承擔模式的博弈模型，對比分析了兩種方式對碳減排的影響。徐健騰等[15] 通過構(gòu)建歷史法和基準線碳配額分配方式下企業(yè)減排運作決策的魯棒優(yōu)化模型，探索了兩種方式對企業(yè)減排運作策略及利潤和碳排放的影響。上述文獻有關(guān)于免費碳配額分配方式的研究主要集中于歷史法與基準線法兩種形式，鮮有研究將免費碳配額分配與綠證交易相結(jié)合展開分析。

針對上述問題，首先，本文建立以各廠商利潤最大化為目標的雙層博弈模型，對綠證和碳排放權(quán)交易的協(xié)同降碳效果進行定量分析，并探究了RPS 比例和碳減排率對廠商決策行為的影響。其次，針對免費碳配額的分配，提出一種新的碳配額核定策略，即將某個煤電廠商綠證購買量占所有煤電廠商綠證購買總量的比例看作其獲得免費碳配額的比例，實現(xiàn)了碳交易市場和綠證交易市場的有效聯(lián)動。最后，運用KKT 條件將雙層模型轉(zhuǎn)化為單層模型， 運用Matlab 軟件里的fmincon 函數(shù)對模型進行求解，通過仿真分析驗證了本文所提碳配額核定策略的有效性，以期為聯(lián)合交易市場的降碳問題提供參考。