可再生能源配額制下電力市場多主體交易決策優(yōu)化模型

王 輝，張芮丹，王軍杰，薛 璐

(上海電力大學(xué)經(jīng)濟與管理學(xué)院，上海 200090)

在化石能源不斷消耗和環(huán)境持續(xù)污染的背景下，可再生能源的發(fā)展成為全球關(guān)注的熱點。相對常規(guī)能源，可再生能源具有對環(huán)境友好和可持續(xù)發(fā)展的優(yōu)勢，為促進可再生能源的消納和發(fā)展，各國均出臺了相應(yīng)的政策目標[1]。2016年, 國家發(fā)改委發(fā)布的“十三五”規(guī)劃指出，為保障2020年實現(xiàn)可再生能源占到一次能源消費比重15%的目標，實施了可再生能源配額制(renewable portfolio standard，RPS)。美國、德國、瑞典、韓國等多個國家開展實施了RPS[2]，并有研究表明RPS加快了可再生能源的發(fā)展[3]。2018年11月,國家能源局發(fā)布第三版《關(guān)于實行可再生能源電力配額制的通知》[4](以下簡稱《通知》)。隨著中國新一輪電力改革的不斷深入推進，2019年1月1日起，配額考核正式施行。根據(jù)最新發(fā)布的《通知》，可再生能源配額制及其配套的綠色證書交易(tradable green certification,TGC)機制，作為配額考核主體之一的售電商要承擔(dān)一定比例的配額義務(wù)。電力市場與綠色證書交易市場之間存在緊密的聯(lián)系，配額考核政策的落實將對電力市場各主體的經(jīng)營決策產(chǎn)生重要影響。因此，研究RPS對電力市場各主體交易決策的影響，對于促進可再生能源的發(fā)展，優(yōu)化電力市場與綠證市場的協(xié)同運行具有重要的現(xiàn)實意義。

目前，關(guān)于可再生能源和配額制的研究主要集中在對發(fā)電商策略行為、對電力市場價格和市場能源結(jié)構(gòu)這三個方面?？抵貞c等[5]在總結(jié)外國可再生能源參與市場的經(jīng)驗和交易模式的基礎(chǔ)上，分析了中國可再生能源的發(fā)展現(xiàn)狀、市場結(jié)構(gòu)和未來研究方向，為可再生能源參與市場提供了參考。Pineda等[6]提出可再生能源已成為電力供給的重要來源，可再生能源配額制能有效地加快可再生能源的發(fā)展。Alizada[7]探討了上網(wǎng)電價和可再生能源配額制這兩種可再生能源政策在全球的發(fā)展進程。肖云鵬等[8]聯(lián)系可再生能源在各國發(fā)展的實際，總結(jié)了含有高比例可再生能源的電力市場上的最新研究，提出了中國面向高比例可再生能源的關(guān)鍵問題。面對中國可再生能源消納帶來的挑戰(zhàn)，馬子明等[9]構(gòu)建了基于配額制的國家可再生能源市場出清模型以及省級日前市場出清模型，為可再生能源的準確預(yù)測和消納問題提供了新思路。余順坤等[10]面對可再生能源發(fā)展的復(fù)雜性，利用系統(tǒng)動力學(xué)模型分析了考慮配額制的可再生能源動態(tài)發(fā)展。劉敦楠等[11]針對電力市場上新能源比例不斷增加的現(xiàn)狀，設(shè)計了可再生能源替代利益補償偏差的計算辦法。孫誼媊等[12]基于綠色證書交易機制提出了發(fā)電商和電力交易中心的非合作博弈雙層優(yōu)化模型，該模型可促進可再生能源消納并提高發(fā)電商收益。以中國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)為例，Zhang等[13]建立了基于上網(wǎng)電價和可再生能源配額制的可再生能源發(fā)電產(chǎn)業(yè)長期發(fā)展的模型。

目前，前人研究多假設(shè)發(fā)電商作為配額承擔(dān)主體，但最新的《通知》已經(jīng)明確規(guī)定配額承擔(dān)主體之一為售電商。在可再生能源配額制下，售電商作為配額承擔(dān)主體參與綠色證書交易市場和電力市場交易的研究還較少?；诖?，以常規(guī)能源發(fā)電商、可再生能源發(fā)電商和售電商為研究對象，研究可再生能源配額制和綠色證書交易制度對電力市場的影響，建立以各市場主體利益最優(yōu)為目標的電力市場均衡模型。通過算例仿真驗證所構(gòu)建模型的可行性，并探討當(dāng)可再生能源配額占比不斷變化時對各電力市場主體行為策略的影響。

1 RPS下電力交易市場架構(gòu)

RPS下常規(guī)能源發(fā)電商和可再生能源發(fā)電商與電力市場和綠色證書交易市場的交易架構(gòu)如圖1所示。常規(guī)能源發(fā)電商生產(chǎn)的常規(guī)火電和可再生能源發(fā)電商生產(chǎn)的可再生綠電在電力市場上通過產(chǎn)量競爭來獲取市場份額，同時可再生能源發(fā)電商可在綠色證書交易市場上出售對應(yīng)的綠色證書。由于可再生能源發(fā)電商的可再生綠電在電力市場上和常規(guī)火電不進行區(qū)分，售電商為完成配額要求，只能在綠色證書交易市場上通過綠色證書交易來完成。因此，監(jiān)管機構(gòu)對配額義務(wù)的承擔(dān)者售電商進行監(jiān)管，約束售電商在綠色證書交易市場上積極參與綠證交易以完成配額義務(wù)，保證可再生能源的消納。各電力市場交易主體在電力市場和綠色證書交易市場上的不同策略行為將對這兩個市場產(chǎn)生互相影響。

圖1 RPS下的電力交易市場架構(gòu)

RPS下各電力市場主體供應(yīng)關(guān)系如圖2所示，常規(guī)能源發(fā)電商出售常規(guī)火電，可再生能源發(fā)電商出售可再生綠電和綠色證書，售電商按照配額要求和用戶負荷預(yù)測進行購買。

圖2 RPS下各電力市場主體供應(yīng)關(guān)系

2 RPS下各市場主體最優(yōu)利潤模型

2.1 模型假設(shè)

(1)考慮可再生能源配額制對發(fā)電商和售電商市場行為的影響，在配額制的約束下，售電商需要承擔(dān)配額考核義務(wù)，配額比例為α。

(2)在電力市場上，常規(guī)能源發(fā)電商和可再生能源發(fā)電商作為發(fā)電側(cè)市場主體展開競爭，市場交易電價與市場需求電量呈逆需求函數(shù)[14]：

(1)

式(1)中：Ps為市場的交易價格；Qc,i、Qr,j分別為常規(guī)能源發(fā)電商和可再生能源發(fā)電商的市場交易電量；A、d分別為市場電價供應(yīng)函數(shù)系數(shù)；I、J分別為常規(guī)能源發(fā)電商和可再生能源發(fā)電商的數(shù)量。

2.2 發(fā)電商的最優(yōu)利潤模型

根據(jù)第三版《可再生能源電力配額制征求意見稿》，各類發(fā)電企業(yè)不承擔(dān)可再生能源配額義務(wù)，售電公司、參與電力直接交易的電力用戶和擁有自備電廠的企業(yè)需要承擔(dān)配額考核，即發(fā)電商不受配額約束，售電商將接受配額考核。在電力市場上，常規(guī)能源發(fā)電商通過出售常規(guī)電力獲利，可再生能源發(fā)電商除出售可再生能源電力，還可在綠色證書交易市場上出售綠色證書以獲取經(jīng)濟利益。

2.2.1 常規(guī)能源發(fā)電商最優(yōu)利潤

常規(guī)能源發(fā)電商i(i=1,2,…，I)的發(fā)電成本和邊際電價較低，在電力市場上占據(jù)一定優(yōu)勢。常規(guī)能源發(fā)電商的利潤由其在電力市場上的交易收益與發(fā)電成本組成，其決策目標為實現(xiàn)經(jīng)濟利益最大化，最優(yōu)利潤模型為

maxTi=PsQc,i-Ci

(2)

式(2)中：Ti為配額制下常規(guī)能源發(fā)電商的收益；Qc,i為常規(guī)能源發(fā)電商的成交電量；Ci為常規(guī)能源發(fā)電商的發(fā)電成本。常規(guī)能源發(fā)電商的二次成本函數(shù)[15]為

Ci=ai(Qc,i)2+biQc,i+ci

(3)

常規(guī)能源發(fā)電商的成交電量在機組的安全出力區(qū)間內(nèi)：

(4)

2.2.2 可再生能源發(fā)電商最優(yōu)利潤

可再生能源相比于常規(guī)能源具有可持續(xù)、對環(huán)境友好等正外部性，實施配額制在有效減小常規(guī)火電對環(huán)境產(chǎn)生負外部性的同時，對可再生能源的消納起了重要的推動作用?？稍偕茉窗l(fā)電商j(j=1,2,…，J)的利潤包括在電力市場上的交易收益，在綠色證書交易市場上的綠證收益，再減去發(fā)電成本，其決策目標為實現(xiàn)經(jīng)濟利益最大化，最優(yōu)利潤模型為

maxTj=PsQr,j+PlQl-Cj

(5)

其中，可再生能源發(fā)電商在綠色證書交易市場上的綠色證書價格隨著市場對綠證的需求變化而變化，綠證價格的供應(yīng)函數(shù)為[14]

(6)

式中：Tj為配額制下可再生能源發(fā)電商的收益；Qr,j為可再生能源發(fā)電商的成交電量；Pl、Ql分別為可再生能源發(fā)電商出售的綠色證書價格和電量；B、f為綠證價格隨綠證需求變化的供應(yīng)函數(shù)系數(shù)。

與常規(guī)能源發(fā)電商相比，可再生能源發(fā)電商雖然沒有燃料消耗成本，但因其強烈的間歇性、波動性和不確定性，發(fā)電成本中運行維修成本和備用成本較高，根據(jù)文獻[16]，假設(shè)可再生能源發(fā)電商具有如式(7)所示的二次成本函數(shù)：

Cj=aj(Qr,j)2+bjQr,j+cj

(7)

可再生能源發(fā)電商的成交電量在機組的安全出力區(qū)間內(nèi)：

(8)

2.3 售電商的最優(yōu)利潤模型

根據(jù)可再生能源配額制，售電商需承擔(dān)配額要求，即購電總量中綠色電力占比需達到α，售電商可向常規(guī)能源發(fā)電商和可再生能源發(fā)電商購買電力，然后在綠色證書交易市場購買一定比例的綠色證書來完成可再生能源配額。

為約束售電商和發(fā)電商簽約的合同電量與用戶實際用電電量保持一定的平衡,對售電商超出一定范圍的偏差電量進行考核，即偏差考核。參考文獻[11]，假設(shè)該地區(qū)的允許偏差范圍為[β%,γ%]，售電商的偏差量為ΔQd。則當(dāng)偏差量ΔQd小于β%時偏差電量為Qd-；當(dāng)偏差量ΔQd大于γ%時偏差電量為Qd+；當(dāng)偏差量ΔQd為β%～γ%時，不懲罰，計算方式如式(9)所示：

ΔQd=Qa-Qp

(9)

(10)

(11)

則售電商k的偏差考核收益為

Td=PdQe

(12)

式中：Td為售電商k的偏差考核收益；Qp為售電商預(yù)測用戶電量；Qa為用戶實際用電量；Qe為考核電量；Pd為懲罰電價；Sd+和Sd-為懲罰電價的上、下邊界。

售電商的利潤為出售電力所得的交易收益，減去其所有成本。成本包括在電力市場上向常規(guī)能源發(fā)電商和可再生能源發(fā)電商的購電成本，在綠色證書交易市場上購買的綠證成本，以及偏差考核成本。售電商的決策目標為實現(xiàn)自身經(jīng)濟利益最大化，綜上所述，其最優(yōu)利潤模型為

(13)

式(13)中：Ts為配額制下售電商的收益；Py、Qy為售電商與用戶的約定電價和電量。

2.4 約束條件

在強制配額義務(wù)與其配套的綠色證書交易機制的約束下，售電商的總購電量中綠電占比需達到或超過α，則

(14)

由式(14)可知，配額占比α可以影響常規(guī)電力和綠電在電力市場上的市場占有率。

3 RPS下各市場主體最優(yōu)決策

假設(shè)市場采用統(tǒng)一出清方式進行出清，利用逆向歸納法求解各電力市場主體最優(yōu)交易決策。假設(shè)某電力市場上有兩家常規(guī)能源發(fā)電商G1和G2，兩家可再生能源發(fā)電商G3和G4，他們的預(yù)測交易電量分別為Q1、Q2、Q3和Q4。

3.1 常規(guī)能源發(fā)電商最優(yōu)交易電量

首先，常規(guī)能源發(fā)電商以初始售電量Qi進行博弈，追求目標函數(shù)收益Ti最大：

(15)

可求出常規(guī)能源發(fā)電商最優(yōu)售電量Q1和Q2：

(16)

(17)

3.2 可再生能源發(fā)電商最優(yōu)交易電量

可再生能源發(fā)電商以初始售電量Qj進行博弈，追求目標函數(shù)收益Tj最大：

(18)

可求出可再生能源發(fā)電商最優(yōu)售電量Q3和Q4：

(19)

(20)

3.3 售電商最優(yōu)交易電量

售電商以購電量Qs進行博弈：

(21)

可求出售電商對應(yīng)的購電量Qs：

(22)

3.4 各市場主體最優(yōu)交易價格

根據(jù)等量傳遞公式[17]，令Q1+Q2+Q3+Q4=Qs，最后將Q1、Q2、Q3、Q4代入式(1)，即可推導(dǎo)出市場均衡狀態(tài)下的市場交易價格Ps的表達式：

Ps=A-d(Q1+Q2+Q3+Q4)

(23)

4 算例分析

4.1 數(shù)據(jù)假設(shè)及各發(fā)電商參數(shù)

假設(shè)在某電力市場上有4家發(fā)電商參與市場競爭，各發(fā)電商的基本參數(shù)如表1所示。

表1 發(fā)電商基本參數(shù)

其中，G1、G2為常規(guī)能源發(fā)電商，G3、G4為可再生能源發(fā)電商，同時，該電力市場中售電商對用戶的售電價按照當(dāng)前市場平均價格475 元/(MW·h)計算。其余參數(shù)選取及基準值的確定如表2所示。

表2 參數(shù)選取及基準值確定

為分析配額制對市場各參與主體的影響，假設(shè)Q1、Q2、T1、T2和Q3、Q4、T3、T4分別為常規(guī)能源發(fā)電商G1、G2及可再生能源發(fā)電商G3、G4的交易量和收益。

4.2 RPS對各發(fā)電商交易電量的影響

在不受配額約束時，相對于可再生能源發(fā)電商，常規(guī)能源發(fā)電商發(fā)電成本、邊際電價較低，在電力市場上競標電價和電量均占有優(yōu)勢，市場份額遠遠高于可再生能源發(fā)電商，使得可再生能源發(fā)電消納問題嚴重。

為了解決和激勵可再生能源消納，在市場上引入可再生能源配額制及其配套的綠色證書交易制度，由圖3可知，隨著市場上配額的逐漸增加，為避免因未完成配額被列入不良信用記錄的聯(lián)合懲罰，售電商作為配額承擔(dān)主體，在電力市場上會隨著配額的增加而加大與可再生能源發(fā)電商的可再生能源電力購買數(shù)量。當(dāng)售電商向可再生能源發(fā)電商購買可再生能源電力的電量不足以滿足配額要求時，售電商將在綠色證書交易市場上購買綠色證書用以補足配額要求，與此同時，售電商將逐漸減少常規(guī)能源發(fā)電的購買數(shù)量。由此可見，配額制的實施能有效地推進可再生能源電力的生產(chǎn)和消納，考慮到常規(guī)能源發(fā)電對環(huán)境帶來的負面影響，實行配額制對環(huán)境有正的促進作用。

圖3 RPS對各發(fā)電商交易量的影響

4.3 RPS對各發(fā)電商利潤的影響

不同配額指標對常規(guī)能源發(fā)電商和可再生能源發(fā)電商利潤的影響如圖4所示。

圖4 RPS對各發(fā)電商利潤的影響

由圖3可知，隨著配額需求的不斷增大，常規(guī)能源發(fā)電商G1和G2的發(fā)電量逐漸減少，可再生能源發(fā)電商G3和G4的發(fā)電量不斷增加。與此對應(yīng)的，如圖4所示，隨著配額的不斷遞增，G1和G2的利潤由于與售電商在電力市場上的購買量的減少而呈遞減趨勢，與之相反，G3和G4的利潤隨著售電商在電力市場上購買量的增加呈較快遞增趨勢。可見，配額對可再生能源的正向激勵不斷擴大，有利于可再生能源的進一步消納和持續(xù)發(fā)展。

4.4 RPS對售電商利潤的影響

由于售電商作為配額承擔(dān)主體，向發(fā)電商購買的電量中可再生能源占比需達到α，而現(xiàn)階段可再生能源電價因其發(fā)電成本較高，導(dǎo)致邊際電價較常規(guī)能源偏高，隨著配額不斷增加，售電商需要同比增加可再生能源電量和綠色證書的購買。而售電商的售電電價無法隨著自身購電成本的不斷增加而同步增加，如圖5可知，這就導(dǎo)致售電商的利潤隨著配額的增加而呈現(xiàn)遞減趨勢。隨著市場不斷的壓縮售電商的利潤，售電商為了增加利潤，未來將向著多能源互補，電力綜合能源服務(wù)的方向，擴充自身的服務(wù)類型和業(yè)務(wù)范圍。

圖5 RPS對售電商利潤的影響

4.5 RPS對電力市場交易價格的影響

圖6為配額占比變化下市場交易電價的變化情況，配額制的實施雖然有利于可再生能源電力的消納，但也使得電力市場的交易價格提高。

圖6 RPS對電力市場交易價格的影響

綜上所述，配額制對環(huán)境有正的促進作用，有利于可再生能源的消納與發(fā)展，對可再生能源發(fā)電商的激勵作用明顯，但對常規(guī)能源發(fā)電商來說是促進其市場轉(zhuǎn)型的重要舉措，常規(guī)能源將更多的承擔(dān)起調(diào)峰調(diào)壓的作用?？稍偕茉窗l(fā)電商通過在綠色證書交易市場對綠色證書進行出售，能夠分攤其較高的生產(chǎn)成本，減輕政府的可再生能源補貼壓力。但是隨著可再生能源發(fā)電商的市場份額不斷增加，可再生能源發(fā)電的不確定性和間歇性可能會對電網(wǎng)的穩(wěn)定運行帶來波動，對電力市場運行帶來一定的風(fēng)險。

5 結(jié)論

通過對仿真結(jié)果進行分析，結(jié)合中國電力市場和可再生能源的發(fā)展情況，對各電力市場主體和可再生能源配額制之間的協(xié)同發(fā)展得出以下結(jié)論。

(1)構(gòu)建出基于可再生能源配額制的結(jié)合電力市場和綠色證書交易市場的最優(yōu)策略模型，用于研究常規(guī)能源發(fā)電商、可再生能源發(fā)電商和售電商在配額發(fā)生變化時的策略影響。

(2)實施可再生能源配額制及其配套的綠色證書交易制度能夠有效地促進可再生能源電力的消納，減輕政府的補貼負擔(dān)。隨著配額需求的不斷增加，可再生能源的市場占有率會持續(xù)增大，售電商和常規(guī)能源發(fā)電商的效益會有明顯下降。根據(jù)可再生能源發(fā)電的特點，高份額的市場占有率會對電網(wǎng)穩(wěn)定運行帶來潛在風(fēng)險。針對這類問題，應(yīng)加快可再生能源技術(shù)更新，降低可再生能源發(fā)電的成本，從而降低可再生能源電力價格，對于常規(guī)能源發(fā)電商來說未來需要更多的承擔(dān)起維持電力市場安全穩(wěn)定運行的調(diào)節(jié)作用。

(3)隨著可再生能源配額制的正式實施，市場競爭愈加激烈。各電力市場主體在制定交易決策時，可綜合考慮用戶的用電偏好和需求響應(yīng)對交易決策的影響，以實現(xiàn)交易決策的進一步優(yōu)化。