面向含氫綜合能源系統(tǒng)的電-碳-氫耦合交易市場(chǎng)研究綜述

李 奇，霍莎莎，蒲雨辰，陳維榮

（西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，四川 成都 611756）

0 引言

隨著全球氣候危機(jī)的來臨，全球能源轉(zhuǎn)型和能源短缺問題愈加顯著。各國都在不斷協(xié)調(diào)推進(jìn)綠色低碳發(fā)展和能源供應(yīng)，朝著高效、清潔、多樣化的方向積極發(fā)展能源［1］。含氫綜合能源系統(tǒng)因其對(duì)清潔能源氫能的高效利用與多能協(xié)同規(guī)劃優(yōu)勢(shì)得到廣泛關(guān)注［2］。同時(shí)，在大力發(fā)展市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的背景下，通過市場(chǎng)機(jī)制采用價(jià)格傳導(dǎo)優(yōu)化各類資源的配置也成為一大研究重點(diǎn)［3］。目前，如何利用市場(chǎng)機(jī)制，將外部成本內(nèi)部化，激發(fā)相關(guān)企業(yè)的創(chuàng)新活力，助力含氫綜合能源系統(tǒng)發(fā)展，進(jìn)而加速我國能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型成為亟需解決的問題。

對(duì)于我國電力行業(yè)而言，碳、氫交易市場(chǎng)與電力市場(chǎng)的交易主體、發(fā)展目標(biāo)高度重合。在碳中和、碳達(dá)峰目標(biāo)背景下，三市場(chǎng)之間互相交叉、彼此影響，呈現(xiàn)出緊密耦合的發(fā)展態(tài)勢(shì)［4］。若在此背景下只關(guān)注電能交易市場(chǎng)的發(fā)展，將氫能僅作為各能源間的轉(zhuǎn)換介質(zhì)，則系統(tǒng)對(duì)氫能的“制、儲(chǔ)、運(yùn)、用”水平有限，當(dāng)氫能需求大量增加時(shí)，系統(tǒng)的靈活性與可靠性會(huì)大幅度降低，同理，若不考慮與碳交易市場(chǎng)間的耦合關(guān)系，則各類生產(chǎn)活動(dòng)將舍棄環(huán)保性換取經(jīng)濟(jì)性，不利于“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。故近年來以不同能源市場(chǎng)間耦合關(guān)系為對(duì)象的研究逐漸增加，文獻(xiàn)［5］提出在電力市場(chǎng)交易過程中融合碳屬性指標(biāo)，形成能夠在滿足用戶用能需求的同時(shí)減少碳屬性消費(fèi)的電-碳市場(chǎng)機(jī)制。文獻(xiàn)［6］構(gòu)建了電-碳-氣-綠證多級(jí)市場(chǎng)耦合下的電氫綜合能源系統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化模型，驗(yàn)證了電氫綜合能源系統(tǒng)同時(shí)參與多級(jí)耦合市場(chǎng)在經(jīng)濟(jì)與低碳環(huán)保方面的優(yōu)越性。文獻(xiàn)［7］以歐洲電力系統(tǒng)為研究對(duì)象，將氫氣市場(chǎng)作為電力市場(chǎng)的附加市場(chǎng)整合到現(xiàn)有的長期優(yōu)化電力市場(chǎng)調(diào)度模型中，并應(yīng)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)對(duì)市場(chǎng)進(jìn)行了建模，分析了此模型中氫能和電力市場(chǎng)的相互依存關(guān)系。

在含氫綜合能源系統(tǒng)中，氫能作為優(yōu)質(zhì)的長期儲(chǔ)能載體，可使系統(tǒng)更好地利用不穩(wěn)定的可再生能源，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)電、熱、冷等能源的平穩(wěn)供應(yīng)，避免各能源生產(chǎn)與耦合設(shè)備不合理運(yùn)行造成二氧化碳的大量排放，有利于碳減排［8-9］。文獻(xiàn)［10］建立了含多種氫能利用設(shè)備的氫能綜合利用單元，研究了該單元與多能系統(tǒng)運(yùn)行的調(diào)度策略，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明規(guī)?；脷淠艿木C合能源系統(tǒng)具有更高的靈活性與風(fēng)光消納水平。文獻(xiàn)［11］將包含氫儲(chǔ)能與碳捕集的園區(qū)綜合能源系統(tǒng)交易決策模型引入博弈框架，利用改進(jìn)差分進(jìn)化算法驗(yàn)證了含氫綜合能源系統(tǒng)對(duì)風(fēng)光資源的充分消納特性與低碳性。含氫綜合能源系統(tǒng)不僅為氫能交易市場(chǎng)發(fā)展提供了市場(chǎng)主體，其清潔生產(chǎn)特性與對(duì)可再生能源的高效利用特性也有助于碳交易市場(chǎng)與電能交易市場(chǎng)的發(fā)展，即含氫綜合能源系統(tǒng)與電-碳-氫耦合交易市場(chǎng)之間彼此影響、相互促進(jìn)。

本文以電、碳、氫3 種能源為樞紐，整合分析了面向含氫綜合能源系統(tǒng)的電-碳-氫耦合交易市場(chǎng)機(jī)制的相關(guān)研究。首先對(duì)含氫綜合能源系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)與電-碳、電-氫交易市場(chǎng)運(yùn)行機(jī)制進(jìn)行了分析介紹。在此基礎(chǔ)上，考慮到電、碳、氫能源交易市場(chǎng)均是能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型低碳減排的有效解決方案，在分析對(duì)比了幾種市場(chǎng)機(jī)制建立方法的基礎(chǔ)上，建立了電-碳-氫耦合交易市場(chǎng)機(jī)制。然后從市場(chǎng)形成要素角度總結(jié)了含氫綜合能源系統(tǒng)參與多能耦合交易市場(chǎng)機(jī)制所帶來的影響，此外，對(duì)實(shí)現(xiàn)耦合交易市場(chǎng)均衡的能源定價(jià)策略與市場(chǎng)出清機(jī)制進(jìn)行了歸納分析。最后，總結(jié)并展望了面向含氫綜合能源系統(tǒng)的電-碳-氫交易市場(chǎng)的相關(guān)挑戰(zhàn)與后續(xù)研究方向。

1 含氫綜合能源系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

含氫綜合能源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。綜合能源系統(tǒng)主要由如下4 個(gè)部分組成：能源輸入層、轉(zhuǎn)換層、存儲(chǔ)層和需求層。能源輸入層主要由光伏、風(fēng)電等可再生能源組成，當(dāng)能源輸入層無法滿足負(fù)荷需求時(shí)，非孤島式綜合能源系統(tǒng)可以從外部購買能源以滿足用戶需求。能源轉(zhuǎn)換層可以通過各種能源轉(zhuǎn)換設(shè)備實(shí)現(xiàn)不同形式能源的轉(zhuǎn)換，如電鍋爐可將電能轉(zhuǎn)化為熱能，燃?xì)廨啓C(jī)可將天然氣轉(zhuǎn)化為電能與熱能。能源存儲(chǔ)層采用各種儲(chǔ)能設(shè)備來解決供需的時(shí)空不一致問題。能源需求層主要包括用戶對(duì)電、熱、冷等負(fù)荷的需求［12］。

圖1 含氫綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of integrated energy system with hydrogen

相較于傳統(tǒng)綜合能源系統(tǒng)，在含氫綜合能源系統(tǒng)中氫能不單以緩沖能源形式存在于系統(tǒng)中，主要以儲(chǔ)氫系統(tǒng)、運(yùn)輸載體與氫能負(fù)荷幾種形式存在，能夠滿足綜合能源系統(tǒng)長時(shí)間尺度儲(chǔ)能［13］、跨空間尺度運(yùn)輸［14］、能源清潔高效利用等需求［15-16］，氫能在系統(tǒng)中的需求量與重要性大幅增加。氫氣作為一種清潔燃料，可以替代傳統(tǒng)的化石燃料，如煤、石油、天然氣等，在綜合能源系統(tǒng)中常以儲(chǔ)氫系統(tǒng)形式存在，利用電解槽制氫、儲(chǔ)氫罐儲(chǔ)氫和燃料電池耗氫形成一個(gè)集氫氣制取、儲(chǔ)存、消耗于一體的氫能子系統(tǒng)，氫能子系統(tǒng)的大量應(yīng)用可大量減少高碳排能源，如煤炭、天然氣等能源的使用，文獻(xiàn)［9］將儲(chǔ)氫系統(tǒng)引入綜合能源系統(tǒng)中，利用氫氣的清潔與儲(chǔ)能特性提高了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)環(huán)保性與功能可靠性。氫氣還可以作為能源運(yùn)輸載體，氫能的低自損耗與高能量密度特性使其相較于其他能源載體在進(jìn)行能源存儲(chǔ)與運(yùn)輸時(shí)更高效。在中短距離運(yùn)輸時(shí)，一般利用長管拖車通過交通系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)輸，能夠適應(yīng)不同路線的需求，靈活性高［17］。而遠(yuǎn)距離運(yùn)氫則可采用天然氣管道摻氫或純氫管道運(yùn)輸，基于目前的天然氣管網(wǎng)進(jìn)行再開發(fā)的摻氫管道運(yùn)輸具有運(yùn)輸成本低、能耗小、可實(shí)現(xiàn)氫的規(guī)模化連續(xù)性運(yùn)輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)，天然氣管道摻氫比例理論上已可高達(dá)24 %，常用于大區(qū)域間的供應(yīng)；純氫管道運(yùn)輸是指專門建設(shè)的氫氣管道運(yùn)輸系統(tǒng)，相較于前者具有更大規(guī)模、更長距離的特點(diǎn)，主要用于跨國運(yùn)輸或供應(yīng)大型工業(yè)領(lǐng)域，我國的“西氫東送”工程已有距離長達(dá)400 km 的純氫長輸管道正在建設(shè)［18-19］。氫能還可以負(fù)荷形式存在于含氫綜合能源系統(tǒng)中，含氫綜合能源系統(tǒng)通過對(duì)負(fù)荷響應(yīng)的過程提高對(duì)氫能子系統(tǒng)的調(diào)度，增加系統(tǒng)對(duì)氫能的利用率，政府和相關(guān)機(jī)構(gòu)可以從氫負(fù)荷角度激勵(lì)各工業(yè)或其他商業(yè)領(lǐng)域?qū)淠茉吹男枨?，從荷端引?dǎo)能源變革［20-21］。

多能流耦合是綜合能源系統(tǒng)區(qū)別于智能電網(wǎng)的重要特征之一，而氫能接入綜合能源系統(tǒng)為多能流管理提供了新的解決方案［22-23］。綜合能源系統(tǒng)最基本的特征是由多種異質(zhì)能流系統(tǒng)組成，而不同能流系統(tǒng)的特性差異很大，因此建模、分析以及控制方法各不相同。傳統(tǒng)的單能流系統(tǒng)的能量管理方法無法直接適用于綜合能源系統(tǒng)，需要考慮各能流之間的相互轉(zhuǎn)化關(guān)系。氫能在此扮演著重要的角色，它作為一種優(yōu)質(zhì)的能量載體，可以很好地緩沖各能流之間的轉(zhuǎn)換，為綜合能源系統(tǒng)多能流能量管理提供更豐富的解決方案，避免耦合帶來的不利影響［24］。在傳統(tǒng)能源體系中，電力、熱能、氣能等屬于不同的行業(yè)，存在行業(yè)壁壘，使得綜合能源系統(tǒng)中存在多個(gè)管理主體。這造成了信息隱私、操作權(quán)限、目標(biāo)差異等方面的問題，進(jìn)一步增加了能量管理的難度。為實(shí)現(xiàn)綜合能源系統(tǒng)的全局安全和高效運(yùn)轉(zhuǎn)目標(biāo)，需要引入必要的能源轉(zhuǎn)換技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多能源互相協(xié)作、協(xié)同控制的目標(biāo)，如文獻(xiàn)［25］分析了混合儲(chǔ)能、氫能汽車、電動(dòng)汽車在綜合能源系統(tǒng)中的作用，探究了能源轉(zhuǎn)換技術(shù)對(duì)系統(tǒng)成本與碳排放的影響，并拓展總結(jié)了能源轉(zhuǎn)換技術(shù)對(duì)建筑和交通領(lǐng)域減碳的積極作用。同時(shí)，各能源具有不同的動(dòng)態(tài)過程，對(duì)應(yīng)著不同的時(shí)間尺度，其中電力系統(tǒng)慣性最小，調(diào)節(jié)速度最快，天然氣次之，熱力系統(tǒng)最慢。因此，由多種能源組成的綜合能源系統(tǒng)也會(huì)表現(xiàn)為多時(shí)間尺度的特點(diǎn)，進(jìn)而增加不同能源間相互作用的復(fù)雜性。氫能具有長時(shí)間存儲(chǔ)、方便運(yùn)輸、高能量密度等特點(diǎn)，可以作為連接各時(shí)間尺度下能源的橋梁，提高多能源協(xié)同管理的效益［26-28］。

2 電、碳、氫交易市場(chǎng)運(yùn)行機(jī)制

電力交易市場(chǎng)、碳交易市場(chǎng)、氫能交易市場(chǎng)分別是以電能、溫室氣體排放權(quán)、氫能為商品進(jìn)行交易的市場(chǎng)［29］，這種基于供求關(guān)系與價(jià)格信號(hào)產(chǎn)生的自由競爭的市場(chǎng)機(jī)制可以引導(dǎo)用戶自發(fā)地改變需求，從而倒逼相關(guān)行業(yè)部門進(jìn)行改革創(chuàng)新。電力交易市場(chǎng)通過競價(jià)方式協(xié)調(diào)電力供求關(guān)系，提高資源配置效率，促進(jìn)清潔能源發(fā)展，降低用能成本。碳交易市場(chǎng)通過買賣碳排放權(quán)形式對(duì)碳排放企業(yè)進(jìn)行獎(jiǎng)懲，將環(huán)保問題轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)問題，實(shí)現(xiàn)資源的優(yōu)化配置［30-31］。而氫能交易市場(chǎng)則通過提供經(jīng)濟(jì)激勵(lì)與相關(guān)政策的支持，促進(jìn)氫能技術(shù)的創(chuàng)新和商業(yè)化應(yīng)用，為碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)、能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型提供支持［32］?？梢婋姟⑻?、氫能源交易市場(chǎng)都是實(shí)現(xiàn)減排目標(biāo)和社會(huì)低碳轉(zhuǎn)型的重要路徑，如果它們彼此之間深度融合，則將加快我國碳中和的步伐［33］。

2.1 電、碳、氫交易市場(chǎng)之間的耦合

目前電、碳、氫交易市場(chǎng)多以電-碳、電-氫的方式進(jìn)行耦合，即電能是多能源耦合的橋梁，故在多能耦合市場(chǎng)中電力市場(chǎng)也起到連接各市場(chǎng)的作用。我國電力交易市場(chǎng)是指經(jīng)國家能源局批準(zhǔn)設(shè)立的，為保障電力市場(chǎng)公平、公正、公開競爭和安全穩(wěn)定運(yùn)行，促進(jìn)電力資源配置優(yōu)化與消費(fèi)端靈活需求響應(yīng)的電力交易。我國電力交易市場(chǎng)多采用集中撮合方式進(jìn)行交易［34-35］。委托人可通過自主報(bào)價(jià)或申報(bào)量的形式提交電量委托，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)購售雙方的報(bào)價(jià)信息進(jìn)行撮合交易，匹配成功后生成交易清單并計(jì)算交易價(jià)格。在我國電力市場(chǎng)交易機(jī)制中，實(shí)施多元化的交易模式，包括現(xiàn)貨市場(chǎng)、長期協(xié)議市場(chǎng)、跨區(qū)調(diào)節(jié)市場(chǎng)等多個(gè)子市場(chǎng)。我國電力交易市場(chǎng)擁有完善的運(yùn)行機(jī)制，包括委托撮合方式、多元化交易模式、電量交易風(fēng)險(xiǎn)管理體系、專業(yè)化的管理團(tuán)隊(duì)和監(jiān)管機(jī)制等。這些措施有利于電力交易市場(chǎng)公平競爭，優(yōu)化資源配置，推動(dòng)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型。

2.1.1 電-碳交易市場(chǎng)

隨著全球環(huán)保意識(shí)的提高，碳排放量已成為影響企業(yè)經(jīng)濟(jì)利益的重要因素之一。2017年12月，國家發(fā)展和改革委員會(huì)印發(fā)了《全國碳排放權(quán)交易市場(chǎng)建設(shè)方案（發(fā)電行業(yè)）》，并將發(fā)電企業(yè)作為首批納入行業(yè)參與全國碳交易市場(chǎng)的對(duì)象。通過減少碳排放，電力企業(yè)可以獲得收益或避免罰款。隨著相關(guān)政策不斷出臺(tái)和市場(chǎng)需求的提高，電-碳耦合交易市場(chǎng)逐漸受到重視和推廣。

碳交易市場(chǎng)是指以溫室氣體排放配額或溫室氣體減排信用為標(biāo)的物所進(jìn)行交易的市場(chǎng)。在碳交易市場(chǎng)中，控排企業(yè)可以獲得一定的排放配額，若在履約周期內(nèi)排放量高于企業(yè)獲取的配額數(shù)，則必須從市場(chǎng)中購買其他企業(yè)未使用的配額來彌補(bǔ)超額排放量；若排放量低于企業(yè)獲取的配額數(shù)，則可以出售多余的配額給其他需要的企業(yè)，實(shí)現(xiàn)減排效益和經(jīng)濟(jì)效益的雙贏。此外，我國可再生能源、林業(yè)碳匯、甲烷利用項(xiàng)目的溫室氣體減排效果可以通過量化核證自愿登記參與碳交易市場(chǎng)，用來抵消一定比例的碳排放［36］。

電、碳2 種能源形式可以通過市場(chǎng)機(jī)制相互聯(lián)系，從而深刻地影響發(fā)電企業(yè)等市場(chǎng)參與者的行為決策。如在電力市場(chǎng)交易過程中融合碳屬性，構(gòu)建“能量+碳”的電力交易指標(biāo)，將碳價(jià)與電價(jià)深度耦合，形成滿足用戶用能需求的同時(shí)減少碳屬性消費(fèi)的電-碳交易市場(chǎng)，并通過一些中間變量如發(fā)電量、裝機(jī)容量和碳配額量來傳遞市場(chǎng)信息和狀態(tài)［37］。當(dāng)前，電力碳交易的核心技術(shù)主要包括碳足跡核算、節(jié)能改造、碳捕集利用與封存技術(shù)、碳資產(chǎn)管理4 個(gè)方面［38］。文獻(xiàn)［39］為了定量評(píng)價(jià)系統(tǒng)降碳能力，建立了多能流與物料流的全生命周期清單進(jìn)行碳足跡評(píng)價(jià)，指出了減碳的可行路徑。文獻(xiàn)［40］從用戶角度，根據(jù)潮流與碳流追蹤模型獲得用戶側(cè)電力來源的碳排放強(qiáng)度，為用戶側(cè)承擔(dān)碳排放責(zé)任提供了依據(jù)。在技術(shù)方面的節(jié)能改造可從碳排放源頭減少燃煤等傳統(tǒng)發(fā)電企業(yè)的碳排放［41］，與之相對(duì)的是碳捕集利用與封存技術(shù)，該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)已產(chǎn)生的碳排放的吸納與轉(zhuǎn)化，降低碳排放對(duì)環(huán)境的影響［42］。同時(shí)，隨著電-碳交易市場(chǎng)的不斷深入，碳資產(chǎn)逐漸得到電力企業(yè)重視，加強(qiáng)自身碳資產(chǎn)的管理，也可有效規(guī)避履約風(fēng)險(xiǎn)尋求碳收益。

2.1.2 電-氫交易市場(chǎng)

風(fēng)能、太陽能等可再生能源在減緩氣候變化方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用，這些可再生能源因政策支持與生產(chǎn)成本的降低，在發(fā)電中的份額不斷增加，將電力和氫能交易市場(chǎng)進(jìn)行整合運(yùn)用可以有效地解決可再生能源出力的間歇性問題，提高能源利用效率，實(shí)現(xiàn)電力和氫能的相互轉(zhuǎn)化、互補(bǔ)利用，實(shí)現(xiàn)能源的優(yōu)化配置，降低能源消耗和碳排放，也可為清潔能源的廣泛應(yīng)用提供市場(chǎng)條件。

氫能市場(chǎng)是以氫能源為主導(dǎo)的交易市場(chǎng)，通過氫能的獲取，氫能的定價(jià)、交易和結(jié)算等步驟完成氫能交易市場(chǎng)的運(yùn)行。在氫能市場(chǎng)中供應(yīng)商將利用電解水、天然氣重整等方式獲得的氫能輸入市場(chǎng)中，以合約交易模式或自由交易模式進(jìn)行交易［43］，最后通過配套的物流服務(wù)將氫能順利送達(dá)買方手中。在氫能市場(chǎng)中，氫能不僅可以作為能源進(jìn)行銷售和利用，還可以作為商品進(jìn)行交易和投資。

電和氫2 種能源形式可從市場(chǎng)角度相互耦合，當(dāng)市場(chǎng)上的電力價(jià)格較低時(shí)，可以通過電解水制氫的方式生產(chǎn)氫氣，并在氫能交易市場(chǎng)上銷售；當(dāng)電力價(jià)格較高時(shí)，可以使用儲(chǔ)備的氫氣通過燃料電池發(fā)電并回售到電力交易市場(chǎng)中，以獲得更高的收益。這種耦合機(jī)制可以有效地平衡能源系統(tǒng)中的供需關(guān)系，提高能源利用效率，降低能源成本，并促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展。在能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型背景下，各國對(duì)可再生能源的占比要求不斷提高，然而高比例可再生能源結(jié)構(gòu)會(huì)加大電網(wǎng)平衡的難度，增加系統(tǒng)對(duì)靈活性的需求，目前，包括歐盟在內(nèi)的許多政府都將氫作為電力系統(tǒng)靈活性的提供者發(fā)揮突出作用，通過電轉(zhuǎn)氣、氫儲(chǔ)能以及燃料電池相關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)供需的調(diào)整［44-45］。文獻(xiàn)［46］利用電解水制氫的綠色優(yōu)勢(shì)以及氫能系統(tǒng)的靈活性建立虛擬氫廠應(yīng)對(duì)風(fēng)電功率較大時(shí)的隨機(jī)波動(dòng)性。我國的可再生能源與用能存在逆向分配問題，氫能作為能量密度高、可長期存儲(chǔ)的優(yōu)質(zhì)能量載體，可通過長管拖車或摻氫管道運(yùn)輸解決可再生能源難以完全就地消納問題。氫能還可作為終端能源直接用在車載燃料電池上為車輛供電，減輕電力供應(yīng)壓力，并減少交通碳排放［47］。

2.2 電-碳-氫耦合交易市場(chǎng)機(jī)制

在全球范圍內(nèi)對(duì)可持續(xù)發(fā)展需求增加，以及推動(dòng)清潔能源技術(shù)應(yīng)用的背景下，電力市場(chǎng)、碳交易市場(chǎng)、氫能市場(chǎng)均得到了不同程度的發(fā)展，考慮到三市場(chǎng)在促進(jìn)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型、低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展方面都有一定的作用，若三市場(chǎng)建立耦合關(guān)系，則可通過共享信息和數(shù)據(jù)將電價(jià)、碳價(jià)和氫價(jià)匯聚在耦合市場(chǎng)內(nèi)，更好地反映市場(chǎng)的供需狀況，協(xié)調(diào)三市場(chǎng)的運(yùn)作，提高能源系統(tǒng)效率并減少成本，還可以幫助降低碳排放并推動(dòng)氫能技術(shù)的發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)全球碳中和目標(biāo)做出貢獻(xiàn)。

基于此，已有部分研究學(xué)者在豐富的電-碳交易市場(chǎng)、電-氫交易市場(chǎng)研究成果基礎(chǔ)上，初步開展了3 個(gè)市場(chǎng)深度耦合關(guān)系的研究。目前較多研究采用實(shí)驗(yàn)法驗(yàn)證多能源耦合交易市場(chǎng)機(jī)制的優(yōu)越性。將相同的算例用不同的交易機(jī)制進(jìn)行仿真，驗(yàn)證該設(shè)定下多能源耦合交易市場(chǎng)機(jī)制的經(jīng)濟(jì)性或環(huán)保性。文獻(xiàn)［6］通過交易機(jī)制能源耦合的差異性算例進(jìn)行驗(yàn)證，得到電氫耦合系統(tǒng)在電-碳-氣-綠證聯(lián)合交易機(jī)制下不僅可以提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益，還可以提升系統(tǒng)供能的穩(wěn)定性，降低碳排量的結(jié)論。實(shí)驗(yàn)法雖然可以宏觀驗(yàn)證多能源耦合交易市場(chǎng)的優(yōu)越性，但對(duì)市場(chǎng)的內(nèi)在運(yùn)行機(jī)制未加以說明。因果網(wǎng)絡(luò)分析法則是利用收集到的多個(gè)市場(chǎng)的供需數(shù)據(jù)，使用因果網(wǎng)絡(luò)分析技術(shù)對(duì)各個(gè)市場(chǎng)之間的交互作用進(jìn)行探究，深度觀測(cè)價(jià)格信息在各市場(chǎng)之間的傳導(dǎo)過程［48-49］。如文獻(xiàn)［48］通過建立電、碳、綠證交易市場(chǎng)之間的因果環(huán)路圖，分析各反饋環(huán)中價(jià)格變動(dòng)造成的市場(chǎng)變化，剖析了三市場(chǎng)之間的交互影響機(jī)理。該方法可以為聯(lián)合交易市場(chǎng)政策的制定提供參考，以減少不必要的價(jià)格波動(dòng)和市場(chǎng)壟斷，提高供需平衡和經(jīng)濟(jì)效益，但該方法對(duì)供需數(shù)據(jù)的需求較高，數(shù)據(jù)質(zhì)量和收集的難度可能會(huì)影響分析的效果。系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法更注重市場(chǎng)的建模和模擬分析，通常需要建立一種動(dòng)態(tài)的模型來模擬市場(chǎng)的變化和交互作用，以系統(tǒng)內(nèi)部各要素互為因果反饋的特點(diǎn)，從系統(tǒng)整體的視角分析各決策之間的因果關(guān)系和反饋機(jī)制，進(jìn)而預(yù)測(cè)和模擬系統(tǒng)未來的動(dòng)態(tài)行為。而電-碳-氫耦合交易市場(chǎng)協(xié)同發(fā)展是一個(gè)多變量、高階次、非線性的動(dòng)態(tài)反饋復(fù)雜系統(tǒng)問題，故可采用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)來分析多能源耦合交易市場(chǎng)的協(xié)同發(fā)展路徑［50-51］。文獻(xiàn)［50］在對(duì)電-碳-氫耦合交易市場(chǎng)因果關(guān)系進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，在VensimPLE 軟件中運(yùn)用DYNAMO 語言建立了三市場(chǎng)耦合的存量流量圖，在驗(yàn)證了模型擬合度較好的前提下考察了國家核證自愿減排量（Chinese certification emission reduction，CCER）抵消比例、落后機(jī)組淘汰率、拍賣比例等場(chǎng)景對(duì)耦合交易系統(tǒng)的影響。

基于電、碳、氫能交易市場(chǎng)特點(diǎn)總結(jié)得到多市場(chǎng)耦合交易機(jī)制，如圖2 所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)存在多個(gè)反饋回路：碳價(jià)升高—火力發(fā)電利潤減少—火力發(fā)電裝機(jī)投建收緊—碳交易市場(chǎng)中火力發(fā)電碳配額購入需求減少—碳價(jià)回落；CCER 價(jià)格升高—可再生能源發(fā)電利潤增加—可再生能源發(fā)電設(shè)備裝機(jī)投建增加—碳交易市場(chǎng)中CCER供應(yīng)量增加—CCER價(jià)格回落；氫價(jià)上漲、化石燃料等制氫利潤增加—化石燃料制氫裝備投建增加—?dú)淠芙灰资袌?chǎng)中氫能供給增加—?dú)鋬r(jià)回落；電價(jià)上升—火力發(fā)電與可再生能源發(fā)電利潤增加—發(fā)電設(shè)備投建增加—電力交易市場(chǎng)中電能供給增加—電價(jià)回落。通過以上反饋回路可以看出，系統(tǒng)耦合交易機(jī)制可以通過CCER 和電轉(zhuǎn)氣將電、碳、氫交易市場(chǎng)聯(lián)系起來。

圖2 電-碳-氫交易市場(chǎng)耦合機(jī)制Fig.2 Coupling mechanism of electricity-carbonhydrogen trading market

圖2 展示了不同能源市場(chǎng)間的反饋關(guān)系，并不代表各能源市場(chǎng)間隨時(shí)可進(jìn)行這類反饋，不同能源交易市場(chǎng)間的協(xié)調(diào)具有時(shí)間尺度差異與能否進(jìn)行實(shí)物交割的物理市場(chǎng)和金融市場(chǎng)差異，可利用不同異質(zhì)能源本身時(shí)間尺度上的差異和不同互動(dòng)機(jī)制的時(shí)間差異設(shè)計(jì)合理的耦合市場(chǎng)交易機(jī)制［52］。電力交易市場(chǎng)的慣性相對(duì)最小，調(diào)節(jié)速度快，時(shí)間交易尺度通常較短，在較短期的實(shí)時(shí)市場(chǎng)中，電力交易的結(jié)算是通過金融手段進(jìn)行的，而不要求實(shí)際的電力傳輸，其交易重點(diǎn)是電力價(jià)格和調(diào)度，而非實(shí)際的電力交割，但是電力交易市場(chǎng)在進(jìn)行日前或長期交易時(shí)則采用實(shí)物交割的方式。目前碳交易市場(chǎng)多以年度為交易周期，各控排企業(yè)自主設(shè)定交易周期內(nèi)的碳排放權(quán)的買賣，在碳交易市場(chǎng)中，交易的完成主要是通過賬務(wù)的調(diào)整和結(jié)算資金的轉(zhuǎn)移來實(shí)現(xiàn)，而不需要實(shí)際的物理交割。氫能交易市場(chǎng)的交易時(shí)間尺度范圍更大。短期交易可能以小時(shí)或天為單位，中期交易可能涵蓋幾個(gè)月或一年的交易合同，而長期交易可能涉及數(shù)年的交易合同，氫能交易多以實(shí)物交割為主［53-54］，氫能加入耦合交易市場(chǎng)后，加大了市場(chǎng)的可調(diào)控時(shí)間尺度，有利于能量在更大時(shí)間范圍內(nèi)的流動(dòng)，增加了耦合交易市場(chǎng)結(jié)算周期的多樣性。三市場(chǎng)的耦合可以以電力市場(chǎng)短期快速響應(yīng)、氫能市場(chǎng)中長期調(diào)節(jié)能量、碳交易市場(chǎng)年度內(nèi)限制碳排的方式，利用各市場(chǎng)的時(shí)間尺度差異為參與市場(chǎng)的主體提供全時(shí)間范圍的優(yōu)化。

3 面向含氫綜合能源系統(tǒng)的電-碳-氫耦合交易市場(chǎng)

近年來綜合能源系統(tǒng)以其對(duì)多種能源的高效整合、綠色低碳的特性得到持續(xù)的發(fā)展，在大力發(fā)展多能耦合交易市場(chǎng)的背景下，含氫綜合能源系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)和優(yōu)化運(yùn)行出現(xiàn)了諸多以市場(chǎng)為手段的新型解決方式，同時(shí)含氫綜合能源系統(tǒng)的蓬勃發(fā)展給電-碳-氫多能耦合市場(chǎng)的發(fā)展也注入了新的活力，因此研究面向含氫綜合能源系統(tǒng)的電-碳-氫多能耦合交易市場(chǎng)，對(duì)相關(guān)研究方法進(jìn)行總結(jié)分析有重要的研究意義，可以幫助學(xué)者更好地理解含氫綜合能源系統(tǒng)在電-碳-氫耦合交易市場(chǎng)中的作用和影響，有助于優(yōu)化含氫綜合能源系統(tǒng)的運(yùn)行和管理，提高其經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益，同時(shí)也有助于推動(dòng)電-碳-氫耦合交易市場(chǎng)的發(fā)展和創(chuàng)新。

3.1 含氫綜合能源系統(tǒng)介入耦合交易市場(chǎng)的影響

自含氫綜合能源系統(tǒng)開始發(fā)展以來，電、碳、氫交易市場(chǎng)主體逐漸從單個(gè)個(gè)體演變?yōu)楦髂茉茨K，綜合能源系統(tǒng)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)各類資源的整合，產(chǎn)生更高效的協(xié)作，再向外部進(jìn)行市場(chǎng)交易，這種模式可減少市場(chǎng)的交易頻次，提高能源交易效率，降低企業(yè)的交易成本，使市場(chǎng)更加穩(wěn)定，以能源模塊進(jìn)行交易還可以匯集更多的資源，使其更容易進(jìn)行大規(guī)模的交易。同時(shí)以含氫綜合能源系統(tǒng)為能源交易主體對(duì)于個(gè)體的隱私也是一種保護(hù)。即含氫綜合能源系統(tǒng)的介入賦予了各單一市場(chǎng)更豐富的內(nèi)涵與職能，發(fā)展成為電-碳-氫多能源交易市場(chǎng)，這一改變主要體現(xiàn)在市場(chǎng)交易的標(biāo)的物、交易主體、價(jià)格形成3個(gè)方面［55］。

3.1.1 豐富耦合交易市場(chǎng)標(biāo)的物

含氫綜合能源系統(tǒng)介入電-碳-氫耦合交易市場(chǎng)，相較于現(xiàn)有市場(chǎng)豐富了耦合交易市場(chǎng)的標(biāo)的物，為市場(chǎng)帶來更多的交易機(jī)會(huì)。含氫綜合能源系統(tǒng)通過可再生能源制氫、碳捕集利用與存儲(chǔ)等技術(shù)，多途徑地生產(chǎn)利用氫氣，促進(jìn)了電、碳、氫的交易以及行業(yè)發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型和可持續(xù)發(fā)展提供了更豐富的解決路徑。

含氫綜合能源系統(tǒng)介入電-碳-氫耦合交易市場(chǎng)對(duì)三市場(chǎng)的交易標(biāo)的物產(chǎn)生了影響。①電力標(biāo)的物：提供了新的電力交易標(biāo)的物，即利用可再生能源生產(chǎn)氫氣的電力［56-58］?？稍偕茉垂┙o量具有不穩(wěn)定、不連續(xù)性，導(dǎo)致它們往往不能直接成為商業(yè)性發(fā)電，因此大量的可再生能源仍存在閑置、浪費(fèi)的情況。而在含氫綜合能源系統(tǒng)中可以利用過剩的可再生能源生產(chǎn)氫氣，并將氫氣輸送到相應(yīng)的耦合市場(chǎng)，為市場(chǎng)提供穩(wěn)定可靠的電力。②碳排放交易標(biāo)的物：含氫綜合能源系統(tǒng)還可以通過碳捕集利用與封存技術(shù)、溶液氧化吸收技術(shù)等回收利用二氧化碳，從而產(chǎn)生可以交易的碳排放減排量［59-60］。二氧化碳是溫室氣體之一，它的大量排放對(duì)全球氣候變化造成極大影響。而含氫綜合能源系統(tǒng)可以通過回收利用二氧化碳，將其轉(zhuǎn)化為可再利用的碳資源。③氫氣標(biāo)的物：含氫綜合能源系統(tǒng)可以從多途徑生產(chǎn)氫氣，并將其供應(yīng)到電、碳等耦合市場(chǎng)相關(guān)的行業(yè)和領(lǐng)域，對(duì)市場(chǎng)的氫能利用和發(fā)展起到重要作用。同時(shí)在含氫綜合能源系統(tǒng)中，可以利用多種手段，如電解水、天然氣重整等方式，大規(guī)模生產(chǎn)氫氣，降低氫氣的生產(chǎn)成本，加快氫能在能源市場(chǎng)的應(yīng)用和推廣。

3.1.2 構(gòu)成基于能源模塊的交易框架

隨著綜合能源系統(tǒng)不斷發(fā)展，微網(wǎng)和配網(wǎng)也變得更加靈活和豐富。微網(wǎng)已經(jīng)從最初的微電網(wǎng)擴(kuò)展到更為全面的微能網(wǎng)，包含對(duì)多種能源類型、多種轉(zhuǎn)換方式及協(xié)調(diào)控制技術(shù)的支持。區(qū)別于現(xiàn)有的市場(chǎng)交易主體，為應(yīng)對(duì)多種能源類型和復(fù)雜的利益主體結(jié)構(gòu)，面向含氫綜合能源系統(tǒng)的多能源交易市場(chǎng)主要采用模塊化設(shè)計(jì)的方式，將分布式發(fā)電、燃?xì)廨啓C(jī)、熱電聯(lián)產(chǎn)裝置、碳配額、氫儲(chǔ)能系統(tǒng)、可控負(fù)荷、電動(dòng)汽車、冷熱負(fù)荷、電轉(zhuǎn)氣設(shè)備等多種電／碳／氫資源視為能源基礎(chǔ)模塊。通過一定的交易機(jī)制，不同的能源模塊可以在對(duì)應(yīng)的交易模式下進(jìn)行獨(dú)立或組合交易。這種交易方式通過靈活的能源交易來管理和協(xié)調(diào)能源需求和供給，從而提高能源利用率，降低成本，并促進(jìn)現(xiàn)代能源市場(chǎng)發(fā)展［61］。能源基礎(chǔ)模塊的組合交易策略可以針對(duì)特定的能源設(shè)備的聚合［62-63］（如電動(dòng)汽車、風(fēng)機(jī)、光伏板），可面對(duì)不同的用戶群［64-65］（如居民社區(qū)、工業(yè)園區(qū)、智能樓宇），也可為解決某個(gè)特定的能源問題［9，66］（如棄風(fēng)、棄光、棄水），在保障系統(tǒng)安全運(yùn)行的基礎(chǔ)上，能源模塊主體從自身利益出發(fā)進(jìn)行博弈交互，最終決策結(jié)果體現(xiàn)為單個(gè)綜合能源系統(tǒng)內(nèi)、多區(qū)域綜合能源系統(tǒng)間的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)性能提升，提高可再生能源的消納水平，促進(jìn)能源的靈活交易。

3.1.3 影響耦合市場(chǎng)價(jià)格形成機(jī)制

多能源耦合交易市場(chǎng)有助于實(shí)現(xiàn)多種能源交易市場(chǎng)價(jià)值的統(tǒng)一衡量，含氫綜合能源系統(tǒng)的介入會(huì)影響現(xiàn)有市場(chǎng)電力、碳排放權(quán)和清潔能源的價(jià)格形成機(jī)制，耦合交易市場(chǎng)的價(jià)格形成主要受市場(chǎng)調(diào)控和政策影響。政策通過對(duì)包括太陽能、風(fēng)能、氫能在內(nèi)清潔能源進(jìn)行補(bǔ)貼或懲罰而影響能源價(jià)格的形成。而市場(chǎng)調(diào)控則通過競價(jià)交易、掛牌交易與合同交易3 種交易過程確定能源價(jià)格。競價(jià)交易是指供需雙方在市場(chǎng)上以競價(jià)的方式確定標(biāo)的物的價(jià)格，掛牌交易是指賣方在市場(chǎng)上設(shè)置銷售價(jià)格，買方可以選擇購買，合同交易則是指買賣雙方根據(jù)約定達(dá)成一定協(xié)議，由合同規(guī)定價(jià)格［67］。含氫綜合能源系統(tǒng)介入電-碳-氫耦合交易市場(chǎng)會(huì)對(duì)3 種價(jià)格形成機(jī)制均產(chǎn)生影響。市場(chǎng)價(jià)格形成機(jī)制如表1所示。

表1 市場(chǎng)價(jià)格形成機(jī)制Table 1 Market price formation mechanism

競價(jià)交易定價(jià)機(jī)制。①耦合市場(chǎng)的信息復(fù)雜度增加，加大交易報(bào)價(jià)方了解市場(chǎng)品類定價(jià)、數(shù)量等信息的難度。②出現(xiàn)新的市場(chǎng)主體從而產(chǎn)生新的購買與銷售意愿，撮合匹配的準(zhǔn)確性和有效性受到影響。③市場(chǎng)價(jià)格的不穩(wěn)定性增加，新的購買與銷售意愿的出現(xiàn)會(huì)影響競價(jià)定價(jià)的公正性和有效性。④監(jiān)管難度增加，監(jiān)管部門需要考慮市場(chǎng)競爭程度、產(chǎn)品實(shí)際質(zhì)量等多重因素，監(jiān)管難度隨著市場(chǎng)復(fù)雜度而增加。

掛牌交易定價(jià)機(jī)制。①影響掛牌交易價(jià)格形成機(jī)制的信息透明度。②含氫綜合能源系統(tǒng)與傳統(tǒng)參與者產(chǎn)生競爭，將增加市場(chǎng)多樣性和選擇空間，提高市場(chǎng)穩(wěn)定性，擴(kuò)大買家選擇。③掛牌交易價(jià)格通常是確定的價(jià)位，而含氫綜合能源系統(tǒng)介入會(huì)引起市場(chǎng)競爭，導(dǎo)致價(jià)格波動(dòng)，這使得掛牌交易中的價(jià)格變得不穩(wěn)定，導(dǎo)致掛牌交易買賣方需要重新評(píng)估產(chǎn)品的價(jià)格。

合同交易定價(jià)機(jī)制。①市場(chǎng)信息變得更加復(fù)雜，需要更高效的數(shù)據(jù)分析和技術(shù)支持。②由于含氫綜合能源系統(tǒng)會(huì)與其他先進(jìn)技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)行交互配合，會(huì)影響技術(shù)和商業(yè)條件的談判和調(diào)整，這將需要更長的時(shí)間和更多的資源，進(jìn)而影響合同價(jià)格形成。③合同簽署：交易主體和相關(guān)技術(shù)的改變需要對(duì)合同相關(guān)的條款進(jìn)行更改，故合同簽署需要更長時(shí)間。

3.2 研究要點(diǎn)

市場(chǎng)均衡是指商品或服務(wù)供需量相等，價(jià)格穩(wěn)定的一種狀態(tài)。合理設(shè)置交易價(jià)格與出清方式是實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)均衡的有效手段，也是目前探究面向含氫綜合能源系統(tǒng)的電-碳-氫耦合交易市場(chǎng)機(jī)制的兩大研究要點(diǎn)。

3.2.1 能源產(chǎn)消者定價(jià)策略

含氫綜合能源系統(tǒng)參與耦合交易市場(chǎng)時(shí)，在市場(chǎng)中既屬于能源生產(chǎn)者，又屬于能源消費(fèi)者，故含氫綜合能源系統(tǒng)多以能源模塊形式作為能源產(chǎn)消者存在于電-碳-氫耦合交易市場(chǎng)中，由于多個(gè)能源產(chǎn)消者的用能行為有良好的互補(bǔ)特性與交互關(guān)系，故可將價(jià)格信號(hào)作為驅(qū)動(dòng)對(duì)集群化產(chǎn)消者進(jìn)行資源管理，從而在多時(shí)間尺度多能源層級(jí)上發(fā)揮含氫綜合能源系統(tǒng)聚合資源的靈活性價(jià)值，稱這種能源交易機(jī)制為交互式能源機(jī)制。

在含氫綜合能源系統(tǒng)介入耦合市場(chǎng)的背景下，已有較多的有關(guān)交互式能源機(jī)制的研究。文獻(xiàn)［68］以園區(qū)售電商為電力交易平臺(tái)中心，負(fù)責(zé)統(tǒng)籌園區(qū)內(nèi)的智能樓宇的相關(guān)信息并進(jìn)行電能的分配與電價(jià)的制定。文獻(xiàn)［69］將運(yùn)營商作為引導(dǎo)者，綜合化考慮售電收益與滿意度并獨(dú)立裁定出售電量與電價(jià)，買方作為跟隨者獲得獨(dú)立報(bào)價(jià)與電能分配。而在同一配電區(qū)域的多個(gè)產(chǎn)消者常常會(huì)建立聯(lián)盟，在聯(lián)盟內(nèi)通過能源共享減少與市場(chǎng)運(yùn)營商的交易量，提高經(jīng)濟(jì)效益。文獻(xiàn)［70］以產(chǎn)消者最大化能源自耗為目標(biāo)，設(shè)計(jì)一種微網(wǎng)自適應(yīng)定價(jià)模型，實(shí)現(xiàn)利益的靈活分配與靈活定價(jià)。文獻(xiàn)［71］同時(shí)考慮電力網(wǎng)絡(luò)與碳網(wǎng)絡(luò)，優(yōu)先進(jìn)行各能源樞紐間的本地交易，最后使用Shapley 值法結(jié)合與交易量成正比的議價(jià)能力進(jìn)行利益分配與交易定價(jià)。

由上述分析可知，目前的交互式能源機(jī)制主要有集中式與集中-分散式2 種。在集中式交易模式下，交易策略較單一，產(chǎn)消者只能直接與市場(chǎng)運(yùn)營商進(jìn)行交易，市場(chǎng)運(yùn)營商作為主導(dǎo)者有絕對(duì)的市場(chǎng)定價(jià)權(quán)。而在集中-分散式交易模式下，產(chǎn)消者可以通過價(jià)格信號(hào)，靈活選擇與市場(chǎng)運(yùn)營商還是其他產(chǎn)消者進(jìn)行交易，增加了市場(chǎng)競爭，有利于能源的本地消納且可減少用戶的成本。文獻(xiàn)［72］分別采用集中式與集中-分散式2 種交互能源機(jī)制進(jìn)行算例分析，將納什議價(jià)問題分解為社會(huì)福利最大化與能源交易2 個(gè)子問題，結(jié)果表明采用集中-分散式定價(jià)策略可顯著提高社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)含氫綜合能源系統(tǒng)產(chǎn)消者內(nèi)部含有能量管理系統(tǒng)（energy management system，EMS），可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收集與分析、優(yōu)化決策等操作，還可以根據(jù)對(duì)自身可再生能源的出力與負(fù)荷的預(yù)測(cè)調(diào)整相應(yīng)的能量管理策略，在集中-分散式交易定價(jià)策略模式下具有天然的優(yōu)勢(shì)。多產(chǎn)消者集中-分散交易機(jī)制如圖3所示。

圖3 多產(chǎn)消者集中-分散交易機(jī)制Fig.3 Centralized-decentralized trading mechanism of multiple prosumers

3.2.2 耦合市場(chǎng)出清機(jī)制

市場(chǎng)出清是指通過調(diào)節(jié)商品或服務(wù)的價(jià)格、數(shù)量等方式達(dá)到市場(chǎng)需求和供給平衡的一種狀態(tài)，設(shè)計(jì)合理的市場(chǎng)出清方式可以使市場(chǎng)快速達(dá)到均衡狀態(tài)，從而保證市場(chǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行和資源的合理配置。近年來，關(guān)于市場(chǎng)出清方式的研究已經(jīng)非常廣泛。在集中競價(jià)交易方式下，可以將出清方式劃分為邊際統(tǒng)一出清和高低匹配出清2 種。邊際統(tǒng)一出清是指根據(jù)買賣雙方的平均申報(bào)價(jià)格，將最后成交的匹配對(duì)作為本次所有成交匹配對(duì)的統(tǒng)一出清價(jià)格進(jìn)行出清。這種方式以平均價(jià)格為基準(zhǔn)，確保所有成交都按照相同的價(jià)格進(jìn)行。而高低匹配出清則是根據(jù)每一個(gè)成交匹配對(duì)各自買賣雙方的平均申報(bào)價(jià)格來確定成交價(jià)格。因此，每個(gè)成交匹配對(duì)的成交價(jià)格可能會(huì)有所不同，根據(jù)買賣雙方的申報(bào)價(jià)格來靈活確定成交價(jià)格。而廣義上，國內(nèi)對(duì)集中競價(jià)的出清方式可分為統(tǒng)一出清（按照唯一價(jià)格交易）和分散出清（不同主體間價(jià)格不唯一）2 種，高低匹配出清可以看作是一種以高低匹配為原則的分散式出清方式。以上述2 種分類方式為基礎(chǔ)，研究學(xué)者們提出了多種細(xì)化類型的出清方式來滿足不同場(chǎng)景下的市場(chǎng)需求從而達(dá)到均衡狀態(tài)。文獻(xiàn)［73］對(duì)比分析了在省間中長期市場(chǎng)交易中傳統(tǒng)的高低匹配出清方式與以社會(huì)福利最大為目標(biāo)的多通道集中優(yōu)化出清方式，結(jié)果表明其提出的集中優(yōu)化出清方式更能充分挖掘通道的輸送能力，有助于新能源的消納。目前，國內(nèi)外關(guān)于日前電能市場(chǎng)的研究較多，優(yōu)化出清多以社會(huì)福利最大為目標(biāo)，考慮機(jī)組自身約束與電力平衡約束，實(shí)時(shí)市場(chǎng)的優(yōu)化目標(biāo)和運(yùn)行約束與日前市場(chǎng)基本一致，常采用易于求解的線性規(guī)劃模型，并用成熟的商業(yè)化軟件求解。不同的是日內(nèi)實(shí)時(shí)市場(chǎng)的優(yōu)化出清由于調(diào)度間隔較短，對(duì)信息采集與數(shù)據(jù)運(yùn)算的要求較高，集中式通信一旦發(fā)生故障，整個(gè)系統(tǒng)將無法有效運(yùn)行，故分散式的計(jì)算方法常用于求解實(shí)時(shí)市場(chǎng)的出清問題［74］。

對(duì)于多能耦合交易市場(chǎng)，目前的相關(guān)研究思路主要有2 種：一種是將多種能源的生產(chǎn)、銷售權(quán)及其他服務(wù)集成到一個(gè)主體，即從綜合能源運(yùn)營商的角度對(duì)不同類型的能源進(jìn)行統(tǒng)一的銷售與分配［75］；另一種是各能源運(yùn)營商相互獨(dú)立，通過考慮不同類型能源之間的耦合關(guān)系而進(jìn)行的不同市場(chǎng)之間的聯(lián)合出清［76］。由于目前綜合能源系統(tǒng)運(yùn)營商數(shù)量較少，第一種思路的開展比較困難，故當(dāng)前耦合市場(chǎng)的機(jī)制與出清方式相關(guān)的研究多以第二種思路進(jìn)行。市場(chǎng)出清方式如表2所示。

表2 市場(chǎng)出清方式Table 2 Market clearing method

4 研究展望

面向含氫綜合能源系統(tǒng)的電-碳-氫耦合交易市場(chǎng)雖然在市場(chǎng)模型建立、運(yùn)行機(jī)制、市場(chǎng)交易對(duì)象、價(jià)格形成等方面已有研究，但仍存在諸多問題。一方面，含氫綜合能源系統(tǒng)的各類技術(shù)瓶頸和安全性問題制約著其大規(guī)模應(yīng)用，不利于電-碳-氫耦合市場(chǎng)的發(fā)展；另一方面，我國電、碳、氫交易市場(chǎng)都只處于起步階段，有關(guān)電-碳-氫耦合交易市場(chǎng)的研究更是剛剛開始，耦合市場(chǎng)缺乏系統(tǒng)性和可操作性，這會(huì)影響含氫綜合能源系統(tǒng)的市場(chǎng)化運(yùn)作。隨著能源轉(zhuǎn)型和經(jīng)濟(jì)發(fā)展低碳化趨勢(shì)逐漸加強(qiáng)，如何進(jìn)一步解決以上問題，提高電-碳-氫交易市場(chǎng)的效益和可持續(xù)性，成為了未來研究的核心議題。

4.1 含氫綜合能源系統(tǒng)發(fā)展的挑戰(zhàn)及展望

通過上文的分析可以看出含氫綜合能源系統(tǒng)參與電-碳-氫耦合交易市場(chǎng)可以增加耦合交易市場(chǎng)的活力，促進(jìn)電-碳-氫耦合交易市場(chǎng)發(fā)展，但含氫綜合能源系統(tǒng)還存在諸多技術(shù)問題限制著其進(jìn)一步發(fā)展。

4.1.1 多能協(xié)同規(guī)劃技術(shù)

多能協(xié)同規(guī)劃技術(shù)是綜合利用不同能源的規(guī)劃和設(shè)計(jì)技術(shù)。含氫綜合能源系統(tǒng)面臨的一個(gè)重要問題是如何在電-碳-氫交易市場(chǎng)機(jī)制下，協(xié)同不同能源，在確保系統(tǒng)中各能源的使用效率和穩(wěn)定性的同時(shí)，提高其在市場(chǎng)中的競爭力。多能協(xié)同規(guī)劃技術(shù)的不成熟是目前綜合能源運(yùn)營商稀少，電-碳-氫耦合交易方式多以運(yùn)營商相互獨(dú)立、能源之間耦合的方式進(jìn)行的原因。故在未來研究中應(yīng)大力發(fā)展和利用多能協(xié)同規(guī)劃技術(shù)，建立統(tǒng)一的信息交互平臺(tái)、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)接口，實(shí)現(xiàn)能源之間的有效交流與協(xié)調(diào)，提高含氫綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行效率和市場(chǎng)效益［82-83］。例如，通過確定不同能源之間的相互作用關(guān)系，制定合理的能源流動(dòng)路徑、控制策略等。

4.1.2 能源轉(zhuǎn)換技術(shù)

能源轉(zhuǎn)換技術(shù)是指綜合能源系統(tǒng)中不同能源之間相互轉(zhuǎn)化的技術(shù)，如熱電轉(zhuǎn)換、電氫轉(zhuǎn)換等。含氫綜合能源系統(tǒng)中氫作為各能源之間轉(zhuǎn)化的重要媒介，與其相關(guān)的各類轉(zhuǎn)換技術(shù)的效率和經(jīng)濟(jì)性直接影響到系統(tǒng)整體的發(fā)展，但目前的電制氫、氫燃料電池等技術(shù)還不夠成熟，商業(yè)化程度較低，成本高，有眾多技術(shù)問題有待解決。例如：電解池在長時(shí)間運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)的腐蝕、材料疲勞和降解等導(dǎo)致性能下降的問題，未來需要研究更適合陰極、陽極的材料，提高催化活性、穩(wěn)定性與抗腐蝕能力；對(duì)于燃料電池，應(yīng)開展催化劑的設(shè)計(jì)與優(yōu)化、氧氣與水管理技術(shù)、耐久性、壽命等方面的研究與創(chuàng)新，加強(qiáng)系統(tǒng)集成和規(guī)?；a(chǎn)的研究。

4.1.3 儲(chǔ)能技術(shù)

儲(chǔ)能技術(shù)是指綜合能源系統(tǒng)中用于儲(chǔ)存和釋放能量的技術(shù)，例如電池儲(chǔ)能、高壓水氣儲(chǔ)能等。對(duì)于含氫綜合能源系統(tǒng)，氫能以其獨(dú)特而具優(yōu)勢(shì)的長時(shí)間穩(wěn)定存儲(chǔ)特性幫助系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)更大時(shí)間尺度下的削峰填谷以及電價(jià)差額套利，同時(shí)良好的儲(chǔ)能技術(shù)還可以幫助氫能實(shí)現(xiàn)長距離的運(yùn)輸，實(shí)現(xiàn)各能源系統(tǒng)之間的互聯(lián)互濟(jì)。然而目前氫能存儲(chǔ)存在投資成本高、轉(zhuǎn)化效率低等問題，未來需要繼續(xù)開發(fā)高效高密度儲(chǔ)氫材料，研究快速儲(chǔ)氫與釋放技術(shù)、氫氣泄漏防護(hù)技術(shù)，提高儲(chǔ)氫容量和效率［84］。

4.1.4 政策和市場(chǎng)機(jī)制

含氫綜合能源系統(tǒng)的發(fā)展需要有利的政策環(huán)境和市場(chǎng)機(jī)制來推動(dòng)?？赏ㄟ^制定相關(guān)政策，如出臺(tái)鼓勵(lì)多能互補(bǔ)清潔能源利用的政策、減免相關(guān)稅收等方式解決氫能生產(chǎn)成本較高問題；可通過制定氫能發(fā)展長期目標(biāo)和關(guān)鍵指標(biāo)，為含氫綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃布局，明確資源分配、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和建設(shè)目標(biāo)，驅(qū)動(dòng)各方力量參與，利用資金支持和科技創(chuàng)新推動(dòng)氫能技術(shù)的突破與市場(chǎng)應(yīng)用［85-86］。在市場(chǎng)機(jī)制方面，需要建立健全市場(chǎng)競爭機(jī)制和電、碳、氫等多種能源的定價(jià)機(jī)制，建立公平競爭的市場(chǎng)環(huán)境，鼓勵(lì)不同能源供應(yīng)商和服務(wù)提供商參與含氫綜合能源系統(tǒng)的建設(shè)和運(yùn)營，推動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新，降低成本。

4.2 電-碳-氫耦合市場(chǎng)發(fā)展的挑戰(zhàn)及展望

目前我國綜合能源運(yùn)營商發(fā)展不足，各能源市場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，不利于發(fā)展多種能源與服務(wù)集成于一體的交易平臺(tái)。即當(dāng)前的多能源耦合交易市場(chǎng)將長期處于不同能源市場(chǎng)各自分立、能源之間相互耦合的多市場(chǎng)聯(lián)合出清模式。故電、碳、氫交易市場(chǎng)發(fā)展的關(guān)鍵問題也是制約電-碳-氫耦合交易市場(chǎng)發(fā)展的重要因素。

4.2.1 電力市場(chǎng)

我國電力市場(chǎng)改革自2002 年開始，目前已經(jīng)取得一定進(jìn)展，形成包括2個(gè)區(qū)域電力交易中心、32個(gè)省級(jí)電力交易中心的交易體系。然而，該市場(chǎng)仍存在電力市場(chǎng)體系不完善、交易規(guī)則不統(tǒng)一、跨區(qū)域交易存在障礙以及可再生能源消納不足的問題。目前電力市場(chǎng)缺乏國家層面的統(tǒng)一電力交易中心，且各省區(qū)間的交易規(guī)則不一致，跨省區(qū)交易受到發(fā)電組織不平衡、輸電網(wǎng)絡(luò)建設(shè)不均衡、跨省輸電費(fèi)用等因素的限制［87］。同時(shí)，我國東西部電力資源分布不均衡，存在發(fā)電與用能需求時(shí)空錯(cuò)位、新能源發(fā)電規(guī)模與用電需求增長不一致等問題，限制了電力市場(chǎng)的發(fā)展。未來需加強(qiáng)對(duì)發(fā)電設(shè)施、輸電網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，加大對(duì)可再生能源的支持和投資，建設(shè)更多可再生能源配套設(shè)施，并加強(qiáng)電力系統(tǒng)的靈活性和儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用，提高對(duì)可再生能源的消納能力，加快電力市場(chǎng)的低碳轉(zhuǎn)型［88］。

4.2.2 碳交易市場(chǎng)

我國于2021 年進(jìn)入全國碳交易市場(chǎng)階段。盡管目前的全國碳交易市場(chǎng)已經(jīng)初步建立了市場(chǎng)準(zhǔn)入規(guī)則和相關(guān)法律法規(guī)，碳交易成交量和成交額也在上升，但仍存在市場(chǎng)主體單一、配額分配標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、碳金融支持不足等問題。為解決上述問題，應(yīng)擴(kuò)大市場(chǎng)準(zhǔn)入行業(yè)范圍，吸引更多的碳排放主體參與，進(jìn)一步統(tǒng)一配額分配方式和標(biāo)準(zhǔn)體系，優(yōu)化配額抵消機(jī)制，抑制碳價(jià)過低現(xiàn)象［89-90］，鼓勵(lì)金融機(jī)構(gòu)積極參與碳交易市場(chǎng)，彌補(bǔ)碳交易市場(chǎng)中碳遠(yuǎn)期、碳期貨等產(chǎn)品的缺失。

4.2.3 氫能交易市場(chǎng)

氫能交易市場(chǎng)發(fā)展較晚。在2023 年4 月，我國建立了首個(gè)氫能交易平臺(tái)。在政策支持、投資增加和技術(shù)進(jìn)步的推動(dòng)下，我國的氫能市場(chǎng)展現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿?。然而，該市?chǎng)還面臨著氫能產(chǎn)銷局限于本地化和內(nèi)部化［32］、氫能市場(chǎng)化和商品化程度低等問題。為解決上述問題，在未來的研究中，應(yīng)大力發(fā)展氫能的長距離運(yùn)輸技術(shù)，加快氫能壓縮、減壓相關(guān)技術(shù)的突破，提高長距離運(yùn)氫的市場(chǎng)競爭力。同時(shí)應(yīng)建立統(tǒng)一的氫能定價(jià)機(jī)制，提高氫能交易市場(chǎng)的透明度和規(guī)范性，鼓勵(lì)跨區(qū)域氫能市場(chǎng)的發(fā)展，打破氫能市場(chǎng)內(nèi)部化困局。

4.2.4 電-碳-氫耦合交易市場(chǎng)

首先，由于我國目前的電-碳-氫耦合交易市場(chǎng)還未形成統(tǒng)一的交易平臺(tái)，大多通過能源之間的耦合關(guān)系建立耦合交易市場(chǎng)，故各市場(chǎng)之間具有相對(duì)獨(dú)立性，即各市場(chǎng)的發(fā)展與挑戰(zhàn)也是耦合交易市場(chǎng)的發(fā)展與挑戰(zhàn)。此外，電-碳-氫耦合交易市場(chǎng)的發(fā)展還受到多能源耦合技術(shù)的限制。如電-氫耦合技術(shù)，電解制氫雖技術(shù)可行，但受限于成本，目前生產(chǎn)的氫氣多為灰氫、藍(lán)氫，綠氫在我國氫氣總產(chǎn)量中占比不到1 %，未來應(yīng)積極開展電解制氫技術(shù)下游應(yīng)用的研究，如在合成氨、合成甲醛領(lǐng)域，提高氫能需求量，進(jìn)而通過市場(chǎng)調(diào)節(jié)，降低綠氫生產(chǎn)成本，擴(kuò)大綠氫占比。電-碳耦合多依托于清潔能源技術(shù)的發(fā)展，但如風(fēng)能、太陽能等可再生能源發(fā)電系統(tǒng)配置的儲(chǔ)能系統(tǒng)，碳捕集與存儲(chǔ)技術(shù)等成本還相對(duì)較高，故需要通過對(duì)應(yīng)的技術(shù)進(jìn)步、規(guī)模效應(yīng)、政策支持等手段降低成本，提高多能源耦合技術(shù)的經(jīng)濟(jì)可行性。

電-碳-氫耦合交易市場(chǎng)發(fā)展的最終目標(biāo)是建立一個(gè)集電能、碳配額、氫能3 種能源生產(chǎn)權(quán)、銷售權(quán)及其他服務(wù)為一體的綜合能源交易市場(chǎng)。在未來的發(fā)展中，應(yīng)積極探索各市場(chǎng)間的銜接機(jī)制，如建立數(shù)據(jù)共享與信息傳遞平臺(tái)、制定跨市場(chǎng)交易規(guī)則、互通各市場(chǎng)交易賬戶、統(tǒng)一認(rèn)證機(jī)制等。同時(shí)，應(yīng)研究電、碳、氫能的整合方法，設(shè)計(jì)可表征3 種能源特性的綜合能源市場(chǎng)標(biāo)的物。此外，政府也應(yīng)當(dāng)針對(duì)各市場(chǎng)的發(fā)展缺陷制定更具體的發(fā)展方針政策來規(guī)范市場(chǎng)行為，鼓勵(lì)更多更豐富的對(duì)象參與市場(chǎng)，加強(qiáng)市場(chǎng)之間的耦合關(guān)系，提高耦合市場(chǎng)引導(dǎo)各類資源發(fā)展的作用，使綜合能源系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行逐漸從政策驅(qū)動(dòng)階段向市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)階段發(fā)展。

5 結(jié)論

在實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的背景下，發(fā)展和完善電-碳-氫耦合交易市場(chǎng)機(jī)制有利于實(shí)現(xiàn)能源行業(yè)以市場(chǎng)為導(dǎo)向進(jìn)行發(fā)展的良好態(tài)勢(shì)。本文考慮含氫綜合能源系統(tǒng)對(duì)多種能源的綜合調(diào)控能力，首先探究了含氫綜合能源系統(tǒng)參與電-碳-氫耦合交易市場(chǎng)帶來的一系列變化，結(jié)果表明含氫綜合能源系統(tǒng)參與市場(chǎng)后不僅增加了耦合交易市場(chǎng)交易對(duì)象的豐富性，帶來了新的交易標(biāo)的物，還影響著耦合交易市場(chǎng)的價(jià)格形成機(jī)制。然后對(duì)影響市場(chǎng)均衡的能源產(chǎn)消者定價(jià)策略和市場(chǎng)出清機(jī)制進(jìn)行分析總結(jié)，得到含氫綜合能源系統(tǒng)能源產(chǎn)消者參與市場(chǎng)多采用集中-分散式混合定價(jià)策略，且目前多能源耦合交易市場(chǎng)多采用各能源市場(chǎng)獨(dú)立運(yùn)行、能源之間相互耦合的出清機(jī)制的結(jié)論。最后對(duì)耦合市場(chǎng)不統(tǒng)一不系統(tǒng)、可操作性低、氫能產(chǎn)運(yùn)儲(chǔ)用等相關(guān)技術(shù)不成熟不經(jīng)濟(jì)等關(guān)鍵問題進(jìn)行了總結(jié)與展望。