多市場情形下燃煤發(fā)電企業(yè)交易策略分析

張金良，王玉珠

(華北電力大學(xué)經(jīng)濟與管理學(xué)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(lǐng)域的生產(chǎn)和轉(zhuǎn)換，而其中燃煤發(fā)電排放在能源領(lǐng)域占35%左右[1]。因此，隨著“雙碳”目標(biāo)與新型電力系統(tǒng)規(guī)劃的提出，我國針對二氧化碳排放主要來源的燃煤發(fā)電行業(yè)采取了一系列政策措施。2008年3月，作為電力行業(yè)特有的交易類型，我國發(fā)電權(quán)交易正式開始實施。為減少二氧化碳排放，2017年12月，在發(fā)電行業(yè)率先開啟碳排放權(quán)交易市場。在上述多種競爭市場環(huán)境下，利潤最大化成為各個燃煤發(fā)電企業(yè)追求的目標(biāo)。發(fā)電企業(yè)為實現(xiàn)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(fā)電企業(yè)的多市場組合交易策略，對發(fā)電企業(yè)顯得尤為重要。

在單一政策對發(fā)電企業(yè)的影響上，文獻[2]通過建立火力發(fā)電企業(yè)參與碳排放權(quán)交易時的煤炭平倉價格模型，分析了企業(yè)的采購策略和抵御風(fēng)險的能力。文獻[3-6]利用系統(tǒng)動力學(xué)模型，分別研究了碳排放權(quán)交易、發(fā)電權(quán)交易的各因素對發(fā)電商的影響機制。文獻[7-8]利用仿真算法模擬發(fā)電企業(yè)在碳排放權(quán)市場中的最優(yōu)策略行為，來實現(xiàn)發(fā)電企業(yè)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(yè)交易的影響，并解釋了發(fā)電公司在排放管制下基于發(fā)電成本和排放強度的戰(zhàn)略行為。文獻[11]研究了碳成本傳導(dǎo)原理及核算模型，以解決碳成本對不同發(fā)電機組出清順序和裝機容量不匹配問題。在碳排放權(quán)和發(fā)電權(quán)交易相結(jié)合方面，文獻[12-14]認為發(fā)電權(quán)交易和碳排放權(quán)交易有一定的聯(lián)系，并研究了2種政策相結(jié)合時企業(yè)利潤的變化。文獻[15-16]在發(fā)電權(quán)交易和碳排放權(quán)交易背景下，構(gòu)建以區(qū)域利潤最大化為目標(biāo)的優(yōu)化函數(shù)，并應(yīng)用適當(dāng)?shù)睦麧櫡峙浞▽Πl(fā)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(fā)電商在參與發(fā)電權(quán)交易時的最優(yōu)交易策略。還有一些研究將碳稅與碳排放權(quán)交易相結(jié)合，來研究發(fā)電商的最優(yōu)發(fā)電計劃[18-20]。

隨著我國電力體制改革進入新的發(fā)展階段，全國電力市場交易進入活躍期，在全國碳排放權(quán)交易市場正式啟動的背景下，發(fā)電商如何科學(xué)合理地選擇交易策略，獲得最大化利潤，對燃煤發(fā)電商來說顯得尤為重要。然而，目前極少有文獻將燃煤發(fā)電企業(yè)在電能交易、碳排放權(quán)交易和發(fā)電權(quán)交易結(jié)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(quán)交易和發(fā)電權(quán)交易引入發(fā)電企業(yè)參與電力市場交易中，對這3種市場交易構(gòu)建模型，從燃煤發(fā)電商利潤最大化角度，構(gòu)建發(fā)電商在單純進行電能交易、單純進行發(fā)電權(quán)交易、在電能交易的基礎(chǔ)上進行發(fā)電權(quán)交易或碳排放權(quán)交易、同時進行電能交易和發(fā)電權(quán)交易及碳排放權(quán)交易時的5種交易策略，研究發(fā)電商如何選擇策略來獲得最大的利潤。

1 模型構(gòu)建

1.1 發(fā)電權(quán)交易市場

發(fā)電權(quán)交易的實質(zhì)是具有不同發(fā)電成本的機組之間通過自發(fā)的交易，實現(xiàn)發(fā)電效益的補償[21]。發(fā)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(fā)電商在發(fā)電權(quán)交易市場的收益Rg為：

Rg=pg(q0i-qi)

(1)

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

機組的實際發(fā)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(fā)電商的二次發(fā)電成本函數(shù)Ci(qi)為：

(2)

式中：ai、bi、ci為企業(yè)i發(fā)電運行的成本系數(shù)。

1.2 碳排放權(quán)交易市場

碳排放權(quán)交易是通過市場經(jīng)濟抑制二氧化碳排放的重要機制。根據(jù)一個地區(qū)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(fā)電企業(yè)，發(fā)電企業(yè)根據(jù)自身的生產(chǎn)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(quán)交易試點地區(qū)中，大多數(shù)試點地區(qū)已經(jīng)開始實行有償分配模式。假設(shè)發(fā)電企業(yè)分得的免費初始碳排放權(quán)配額為：

(3)

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

表2 常規(guī)燃煤純凝發(fā)電機組負荷系數(shù)修正系數(shù)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(fā)電企業(yè)拍賣調(diào)整系數(shù)。

(6)

式中：θ為當(dāng)企業(yè)超出碳排放限額時的懲罰系數(shù)。

2 發(fā)電商交易策略

發(fā)電企業(yè)作為理性經(jīng)濟人，做決策時會根據(jù)自身發(fā)電量的情況，綜合考慮碳排放權(quán)交易市場、發(fā)電權(quán)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(fā)電企業(yè)有以下5種決策情形：

情形1：發(fā)電企業(yè)在發(fā)電權(quán)市場購買發(fā)電權(quán)來增加發(fā)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(quán)進行交易。此時，發(fā)電企業(yè)的利潤函數(shù)為：

(7)

代入式(1)—(6)，即發(fā)電企業(yè)的最優(yōu)決策模型為：

(8)

s.t.qmin≤qi≤qmax

(9)

(10)

式中：pi為電力市場中發(fā)電企業(yè)i上網(wǎng)電量的成交價格。

式(9)表示發(fā)電機組的出力約束；式(10)表示發(fā)電企業(yè)的碳排放約束，即發(fā)電企業(yè)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(yè)實際碳排放。

情形2：發(fā)電企業(yè)將所有的發(fā)電份額出售，來獲得利潤，此時發(fā)電企業(yè)的利潤函數(shù)為：

π2=pgq0i

(11)

情形3：發(fā)電企業(yè)根據(jù)自己獲得的初始發(fā)電權(quán)量進行發(fā)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(quán)。發(fā)電企業(yè)的利潤函數(shù)為：

(12)

代入式(2)—(6)，得發(fā)電企業(yè)的最優(yōu)決策模型為：

(13)

在情形3中，發(fā)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(yè)實際的碳排放。

情形4：發(fā)電企業(yè)按照初始發(fā)電份額進行發(fā)電并交易電量。當(dāng)實際碳排放大于免費配額，則懲罰函數(shù)大于0；當(dāng)實際碳排放小于免費配額，則懲罰函數(shù)等于0。發(fā)電企業(yè)的利潤函數(shù)為：

(14)

代入式(2)—(6)，得發(fā)電企業(yè)的最優(yōu)決策模型為：

(15)

情形5：發(fā)電企業(yè)發(fā)電權(quán)市場進行部分發(fā)電份額交易，并在電能市場出售電量，但不進行碳排放權(quán)交易，只對超出配額的部分支付罰金。發(fā)電企業(yè)的利潤函數(shù)為：

(16)

代入式(1)—(6)，得發(fā)電企業(yè)的最優(yōu)決策模型為：

(17)

在情形4和情形5中，由于發(fā)電企業(yè)不進行碳排放權(quán)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(yè)付出相應(yīng)的懲罰成本。

3 算例分析

3.1 參數(shù)設(shè)置

本文以碳排放權(quán)交易、發(fā)電權(quán)交易與電力市場交易為基礎(chǔ)，構(gòu)建了5種情形下以燃煤發(fā)電企業(yè)利潤最大化為目標(biāo)的規(guī)劃模型，對燃煤發(fā)電企業(yè)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(fā)電企業(yè)參與市場運營為例，各發(fā)電企業(yè)的參數(shù)如表3所示。在電力市場交易中，上網(wǎng)電價為450元/(MW·h)，發(fā)電權(quán)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(fā)電企業(yè)參數(shù)Table 3 Parameters of power generation enterprises

3.2 結(jié)果分析

根據(jù)表3設(shè)定的參數(shù)，調(diào)用Matlab軟件中的fmincon函數(shù)對5種情形下發(fā)電企業(yè)決策模型進行求解，取初始拍賣系數(shù)為0.05，懲罰系數(shù)為2，所得結(jié)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(huán)保發(fā)電企業(yè)，通過購買發(fā)電權(quán)增加發(fā)電量，并在電能市場和碳排放權(quán)交易市場上進行電能交易和碳排放權(quán)交易時利潤最大。情形2表明，對于一些計劃關(guān)?；虬l(fā)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(fā)電權(quán)電量賣給大容量環(huán)保火電機組，以此獲得一定的收益。情形3下發(fā)電企業(yè)1、發(fā)電企業(yè)2、發(fā)電企業(yè)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(fā)電企業(yè)在電能交易的基礎(chǔ)上進行碳排放權(quán)交易更能有效地增加企業(yè)的利潤。情形4下發(fā)電企業(yè)的利潤相較于情形5有所增加，即在不進行碳排放權(quán)交易時，相較于按照初始發(fā)電份額進行生產(chǎn)，發(fā)電企業(yè)進行發(fā)電權(quán)交易獲得的利潤更高。

表4 發(fā)電企業(yè)在不同情形下的最優(yōu)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(quán)市場和發(fā)電權(quán)市場出發(fā)，分別分析發(fā)電權(quán)交易價格、碳配額比例、碳交易價格對發(fā)電企業(yè)利潤的影響。

1)發(fā)電權(quán)價格對企業(yè)利潤的影響。

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

圖1 不同發(fā)電權(quán)價格下的各企業(yè)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(fā)電企業(yè)在發(fā)電權(quán)處于不同價格時的交易策略。例如企業(yè)3，在發(fā)電權(quán)價格為150～215元/(MW·h)和230～300元/(MW·h)時，優(yōu)先選擇情形1的策略進行決策；發(fā)電權(quán)價格在215～230元/(MW·h)時，優(yōu)先選擇情形5進行交易；發(fā)電權(quán)價格在300～450元/(MW·h)時，優(yōu)先選擇情形2進行交易。

2)有償拍賣比例對企業(yè)利潤和碳排放量的影響。

(1)對企業(yè)利潤的影響。

圖2為發(fā)電企業(yè)在不同拍賣比例下的利潤?？梢钥闯?，在5種情形下，企業(yè)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(yè)參加的交易包含碳排放權(quán)交易，此時，企業(yè)利潤與拍賣比例基本呈線性關(guān)系。并且可以看出，利潤隨拍賣比例下降的幅度與企業(yè)初始發(fā)電計劃有關(guān)。初始發(fā)電計劃越大，隨著拍賣比例的遞增，大容量環(huán)保型發(fā)電企業(yè)利潤下降越快，初始發(fā)電計劃越小，拍賣比例對其影響也越小。即發(fā)電企業(yè)在參加碳排放權(quán)交易時，當(dāng)拍賣比例較小時，大容量環(huán)保企業(yè)不僅可以將初始獲得的部分免費配額用于自身生產(chǎn)排放，而且剩余的免費碳配額可以在二級碳排放權(quán)市場出售從而轉(zhuǎn)化為收益。當(dāng)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(fā)電企業(yè)購買碳配額的成本也隨之增加，導(dǎo)致企業(yè)利潤下降。

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

發(fā)電企業(yè)在情形4和情形5下，即不參加碳排放權(quán)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(dāng)拍賣比例小于0.6時，發(fā)電企業(yè)1的利潤一直保持在1 990萬元。當(dāng)拍賣比例超過0.6時，企業(yè)利潤開始隨著拍賣比例的增加而下降。原因在于，發(fā)電企業(yè)不參加碳排放權(quán)交易時，拍賣比例會影響其初始碳排放額和罰金。當(dāng)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(dāng)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(yè)就必須支付罰金，即產(chǎn)生碳成本，從而降低企業(yè)的利潤。

在情形2下，發(fā)電企業(yè)將所有的發(fā)電份額出售獲取利潤，即企業(yè)不進行發(fā)電。在這種情況下，碳配額拍賣比例的大小與企業(yè)的利潤無關(guān)，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(fā)電企業(yè)的二氧化碳排放總量。可以看出，當(dāng)碳拍賣比例增加時，發(fā)電企業(yè)排放的二氧化碳隨之減少。并且由于不同企業(yè)排放特性不同，其碳排放量變動幅度也不同：企業(yè)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(fā)電企業(yè)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(yè)利潤的影響。

由于在情形2和情形5下發(fā)電企業(yè)不參與碳排放權(quán)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(quán)價格對發(fā)電企業(yè)的利潤影響。不同碳價下的企業(yè)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(fā)電企業(yè)的利潤隨之增加，小容量發(fā)電企業(yè)利潤隨之減少。這是因為，大容量企業(yè)獲得的免費配額除了供應(yīng)自身之外，還可以將剩余的免費碳配額在碳排放權(quán)市場出售來獲得利潤，此時碳價越高，企業(yè)的利潤就會越高。而小企業(yè)只能通過購買配額或支付罰金，對小企業(yè)來說，碳配額交易價格越高，其碳成本越大，企業(yè)利潤越低。另外，對于燃煤發(fā)電企業(yè)來說，相較于單純按照初始發(fā)電份額進行發(fā)電并進行電能交易，在電能交易的基礎(chǔ)上進行發(fā)電權(quán)交易能更有效地增加企業(yè)的利潤。

4 結(jié) 論

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

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

2)發(fā)電成本較高或即將關(guān)停的小發(fā)電企業(yè)，最好的交易策略是將其所有的發(fā)電權(quán)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(fā)電環(huán)節(jié)二氧化碳的排放。

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

4)企業(yè)參加碳排放權(quán)交易時，其利潤會隨拍賣比例的增加而減少；當(dāng)企業(yè)參加的交易不包括碳排放權(quán)交易時，在拍賣比例為一定值時，企業(yè)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(yè)可以在不同的發(fā)電權(quán)價格區(qū)間選擇不同的交易策略，并且企業(yè)利潤剛開始會隨著發(fā)電權(quán)價格的增加而減少，當(dāng)利潤降低到最低點時，企業(yè)會選擇滿足最小發(fā)電約束，出售自己剩余的發(fā)電權(quán)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(xù)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。