張金良,王玉珠
(華北電力大學(xué)經(jīng)濟與管理學(xué)院,北京 102206)
中國作為全球最大的碳排放國家,電力行業(yè)占據(jù)其排放主體地位。據(jù)計算,我國能源行業(yè)碳排放量占全社會碳排放量88%左右,而其中電力行業(yè)碳排放量占能源行業(yè)排放量的41%左右。目前我國電力系統(tǒng)面臨兩大難題:一是降低碳排放量,實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo);二是發(fā)展和消納新能源,實現(xiàn)電力系統(tǒng)的轉(zhuǎn)型。針對上述問題,我國先后頒布了發(fā)電權(quán)交易、碳排放權(quán)交易和綠色證書交易等一系列市場型政策以促進電力行業(yè)的節(jié)能減排和可再生能源的生產(chǎn)和消納[1]。這些政策的實施對發(fā)電企業(yè)的經(jīng)營策略和生產(chǎn)利益都會產(chǎn)生一定的影響。因此,在新形勢背景下,發(fā)電企業(yè)在滿足政策要求的基礎(chǔ)上,如何制定交易策略使自身的利益最大化是企業(yè)現(xiàn)階段研究的重點。
目前關(guān)于發(fā)電企業(yè)交易策略的研究,大部分文獻在考慮單一政策影響下,分別以交易各主體的最大化利潤為最優(yōu)目標(biāo)[2-6],或以發(fā)電企業(yè)區(qū)域總利潤最大為優(yōu)化目標(biāo)[6-7]來研究發(fā)電企業(yè)的最優(yōu)交易策略。在碳排放權(quán)交易方面,文獻[8]基于動態(tài)博弈模型研究了碳排放權(quán)配額初始分配方式對交易企業(yè)的影響。文獻[10-12]分別以發(fā)電企業(yè)和電力用戶自身利潤最大化為目標(biāo),通過建立碳交易背景下交易主體參與電力市場的雙層優(yōu)化模型,分析了交易各方的最優(yōu)策略行為。文獻[12]采用模擬退火Q學(xué)習(xí)算法模擬了在碳排放交易機制下發(fā)電企業(yè)追求自身利潤最大化的行為。在綠色電力證書市場方面,文獻[13]在考慮輸電阻塞的影響下,分析了綜合型能源發(fā)售電商基于自身利潤最大化參與日前電力市場和綠證市場的競價策略。文獻[14]通過構(gòu)建電力市場和綠證市場下的多寡頭非合作博弈模型,分析了可再生能源發(fā)電企業(yè)參與交易的策略行為。文獻[15]通過系統(tǒng)動力學(xué)模擬仿真了在綠證市場和超額消納量市場背景下各類市場主體間的交易耦合和互動關(guān)系。文獻[16]研究了跨省區(qū)交易主體在可再生能源配額制和消費者偏好影響下的利潤最大化函數(shù),并對比分析了供應(yīng)鏈上的各主體單獨決策和聯(lián)合決策時的最優(yōu)交易決策。文獻[17]在發(fā)電權(quán)交易方面,通過設(shè)計發(fā)電權(quán)遠(yuǎn)期-期權(quán)合約交易模式,促進了發(fā)電權(quán)交易雙方的交易機會和靈活性。文獻[18]基于合作博弈論,以聯(lián)合利潤最大化為目標(biāo),構(gòu)建了自備電廠和風(fēng)電進行發(fā)電權(quán)交易的優(yōu)化模型。
在兩種市場型政策組合影響方面,文獻[19]在發(fā)電企業(yè)參加發(fā)電權(quán)交易的基礎(chǔ)上,考慮碳限額與碳排放權(quán)交易多種組合狀況下發(fā)電企業(yè)的最優(yōu)電價及利潤。文獻[20]基于系統(tǒng)動力學(xué)和情景設(shè)計方法,研究了綠色電力證書與碳排放交易組合對煤電發(fā)電企業(yè)的利潤影響。文獻[21]考慮油田自備熱電廠和光伏發(fā)電參加發(fā)電權(quán)和綠證交易時的均衡最優(yōu)解,并在均衡解的基礎(chǔ)上對熱電廠內(nèi)部的發(fā)電機組進行優(yōu)化。在3 種政策相結(jié)合方面,大多文獻以系統(tǒng)動力學(xué)分析政策間的相互影響[23-26],而對發(fā)電企業(yè)的交易策略方面很少有涉及。
綜上,現(xiàn)有的研究大多只分析一種或兩種政策對發(fā)電企業(yè)交易策略的影響,很少將3 種政策相結(jié)合來分析發(fā)電企業(yè)在電力市場中的最優(yōu)策略;另一方面,在研究企業(yè)利潤最大化時,多數(shù)研究將企業(yè)策略分為兩類:一類是企業(yè)以自身的利潤最大化進行決策,另一類是以各企業(yè)的聯(lián)合收益最大化為目標(biāo)進行決策,很少有將這兩類策略進行分析比較從而做出最優(yōu)交易行為的研究。所以本文綜合考慮發(fā)電企業(yè)在碳排放權(quán)交易、綠色證書交易和發(fā)電權(quán)交易背景下參與電力市場時的決策行為,以利潤最大化為目標(biāo),構(gòu)建企業(yè)非合作博弈和合作博弈兩種情況下的最優(yōu)交易模型,并通過算例分析不同博弈模型下發(fā)電企業(yè)的最優(yōu)交易策略。
常規(guī)能源發(fā)電企業(yè)和可再生能源發(fā)電企業(yè)在發(fā)電權(quán)市場、碳排放權(quán)市場和綠證市場的背景下參與電力交易的市場架構(gòu)如圖1 所示。常規(guī)能源發(fā)電企業(yè)根據(jù)生產(chǎn)情況將自身剩余的碳排放配額在碳排放權(quán)市場進行出售,或通過碳排放權(quán)市場購買不足的碳配額;可再生能源發(fā)電企業(yè)通過綠證市場出售綠色電力證書獲取利潤;同時兩類發(fā)電企業(yè)通過電力市場進行發(fā)電權(quán)交易,并在電力市場出售電量來競爭市場份額。根據(jù)可再生能源配額制相關(guān)要求,售電企業(yè)和電力用戶作為配額主體協(xié)同承擔(dān)可再生能源消納義務(wù);監(jiān)管機構(gòu)按照可再生能源配額制和碳排放配額的相關(guān)要求對各類市場主體需要達(dá)到的考核指標(biāo)和市場交易行為進行監(jiān)管,從而實現(xiàn)降低碳排放量和消納可再生能源的目標(biāo)。
圖1 多政策情形下的市場交易架構(gòu)Fig.1 Market transaction structure under multi-policy situation
常規(guī)能源發(fā)電企業(yè)根據(jù)自身經(jīng)營特點和市場情況,可以選擇購買發(fā)電權(quán)來擴大自己的發(fā)電份額,在電力市場出售電量來獲得利潤或出售初始發(fā)電份額來獲得利潤;對于小于或超出碳排放初始配額的部分,可以在碳排放權(quán)市場出售或購買相應(yīng)額度的碳配額。所以常規(guī)能源發(fā)電企業(yè)的利潤由電力市場、發(fā)電權(quán)市場、碳排放權(quán)市場上的收益與發(fā)電成本組成。
2.1.1 發(fā)電權(quán)市場
假設(shè)發(fā)電權(quán)價格與企業(yè)交易電量有如下關(guān)系。
式中:pt為發(fā)電權(quán)的交易價格;ut、vt為發(fā)電權(quán)市場價格的供應(yīng)系數(shù);Q為市場中發(fā)電企業(yè)交易總電量;qi、qj分別為常規(guī)能源發(fā)電企業(yè)i和可再生能源發(fā)電企業(yè)j的交易電量;m、n分別為參與市場交易的常規(guī)能源發(fā)電企業(yè)和可再生能源發(fā)電企業(yè)的數(shù)量。
所以,常規(guī)能源發(fā)電企業(yè)在發(fā)電權(quán)市場中的收益為:
2.1.2 碳排放權(quán)市場
在碳排放權(quán)市場中,若常規(guī)能源發(fā)電企業(yè)的交易電量越多,則對碳排放權(quán)的需求越大,導(dǎo)致碳價上升,所以假設(shè)碳排放權(quán)的價格函數(shù)如下。
2.1.3 常規(guī)能源發(fā)電成本
假設(shè)常規(guī)能源發(fā)電企業(yè)i的發(fā)電成本Ci為:
式中:Ri為發(fā)電企業(yè)i在電力市場中交易電量獲得的收益;p為電力市場中電量的交易價格,其與交易電量成逆需求函數(shù),假設(shè)價格函數(shù)如下。
式中u、v為電量價格的供應(yīng)系數(shù)。
可再生能源發(fā)電企業(yè)可以在電力市場出售綠電以及在綠證市場出售綠證來獲得利潤,并根據(jù)自身的生產(chǎn)情況調(diào)整在發(fā)電權(quán)市場中的交易行為來擴大自身的收益。
2.2.1 綠證市場
當(dāng)可再生能源交易電量增加時,對應(yīng)綠證供給增加,導(dǎo)致綠證交易價格降低。所以,假設(shè)綠證的交易價格函數(shù)如下。
式中:pg為綠色證書交易市場中的成交價格;ug、vg為綠證市場中的供應(yīng)系數(shù)。
所以可再生能源發(fā)電企業(yè)在綠證市場中的收益為:
2.2.2 可再生能源發(fā)電成本
可再生能源發(fā)電企業(yè)發(fā)電時只涉及維修和運營成本,假設(shè)其維修和運營成本函數(shù)為:
式中:Rj為可再生能源發(fā)電企業(yè)j在電力市場中的收益;Rtj為可再生能源發(fā)電企業(yè)j在發(fā)電權(quán)市場中的收益;q0j為可再生能源發(fā)電企業(yè)初始發(fā)電份額。
在參與電力市場交易時,常規(guī)能源發(fā)電企業(yè)和可再生能源發(fā)電企業(yè)均選擇以自身利潤最大化的最優(yōu)交易電量進行博弈。假設(shè)電力市場有兩家常規(guī)能源發(fā)電企業(yè)G1、G2、兩家可再生能源發(fā)電企業(yè)G3、G4,他們的交易電量分別為q1、q2、q3、q4,發(fā)電廠商進行非合作博弈的數(shù)學(xué)模型為如下。
3.1.1 目標(biāo)函數(shù)
3.1.2 約束條件
1)出力約束:發(fā)電企業(yè)的成交電量均處在機組的安全出力區(qū)間之內(nèi),即:
2)可再生能源配額約束:在電力市場交易中,各類發(fā)電企業(yè)的成交電量需滿足可再生能源配額制的要求,即:
式中β為規(guī)定的可再生能源消納比例。
利用逆向歸納法對上述博弈過程進行求解,求出非合作博弈下各發(fā)電企業(yè)的最優(yōu)交易電量為:
在合作博弈情況下,常規(guī)能源發(fā)電企業(yè)和可再生能源發(fā)電企業(yè)組成聯(lián)盟體,以區(qū)域整體利潤最大為目標(biāo)進行決策,在滿足所在區(qū)域生產(chǎn)使用的基礎(chǔ)上出售富余的碳排放權(quán)、發(fā)電權(quán)和綠色證書,或跨區(qū)購買區(qū)域配額不足的市場產(chǎn)品。此時聯(lián)盟發(fā)電企業(yè)的決策模型如下。
3.2.1 目標(biāo)函數(shù)
式中:Q?為合作博弈下最優(yōu)交易電量;π為合作博弈下發(fā)電聯(lián)盟的利潤函數(shù);T為跨區(qū)交易的發(fā)電權(quán)量;D為跨區(qū)交易的碳配額量;F為跨區(qū)交易的綠證數(shù)量。
3.2.2 約束條件
1)碳排放權(quán)約束:發(fā)電企業(yè)在進行碳排放權(quán)交易時,首先需要滿足本區(qū)域的碳限額約束,即交易的碳排放權(quán)與企業(yè)排放量之間的關(guān)系為:
首先,求出合作博弈下的最優(yōu)交易電量:
其次,對聯(lián)盟發(fā)電企業(yè)之間進行利潤分配。合理的利潤分配模型在保證分配公平的同時,可以提高發(fā)電企業(yè)參與電力交易的積極性。當(dāng)前有關(guān)電力市場利潤分配的方法主要采用基于交易電量或初始發(fā)電份額對增量利潤進行分配[26-27]。基于上述分析,本文提出了一種基于碳排放系數(shù)和可再生能源交易電量對聯(lián)盟利潤進行分配的模型。
式中:Bi為常規(guī)能源發(fā)電企業(yè)分到的利潤;Bj為可再生能源發(fā)電企業(yè)分到的利潤。
該模型按照傳統(tǒng)能源發(fā)電企業(yè)的碳排放系數(shù)和可再生能源發(fā)電企業(yè)的交易電量分別對碳市場和綠證市場的利潤進行分配。對于常規(guī)能源發(fā)電企業(yè),按照企業(yè)單位產(chǎn)品碳排放系數(shù)與免費碳配額系數(shù)之間的差距來分配碳市場中的利潤。企業(yè)若想獲得較高的利潤,就必須提高自身的減排能力,降低碳排放系數(shù)。對于可再生能源發(fā)電企業(yè),按照企業(yè)實際交易電量來分配綠證市場中獲得的收益。同時,在電力市場售電所得利潤,按照發(fā)電企業(yè)實際交易電量進行分配;對于發(fā)電權(quán)市場中獲得的收益,按照企業(yè)實際交易電量與初始發(fā)電份額之間的差距進行分配,從而提高各類發(fā)電企業(yè)參與發(fā)電權(quán)交易的積極性,提高資源的有效利用。該模型在一定程度上可以降低常規(guī)能源發(fā)電企業(yè)的二氧化碳排放量,并且提高可再生能源發(fā)電企業(yè)參與交易的積極性。
假設(shè)發(fā)電企業(yè)參加電力市場交易時,各企業(yè)基本參數(shù)如表1所示。
表1 發(fā)電企業(yè)基本參數(shù)Tab.1 Basic parameters of generators
其余參數(shù)選取及基準(zhǔn)值的確定借鑒文獻[9]中的數(shù)據(jù),如表2所示。
表2 參數(shù)選取及基準(zhǔn)值確定Tab.2 Parameters selection and reference value determination
基于上述數(shù)據(jù),按照式(14)—(16),求出各發(fā)電企業(yè)在非合作博弈情況下的最優(yōu)交易電量和利潤。按照式(22)—(26),求出各發(fā)電企業(yè)在合作博弈情況下的最優(yōu)交易電量和利潤。計算結(jié)果如表3所示。
表3 不同博弈模式下交易結(jié)果Tab.3 Trading results under different game modes
由表3 可知,在可再生能源配額比例為10%時,相較于非合作博弈,合作博弈情況下常規(guī)能源發(fā)電企業(yè)的交易電量上升,可再生能源發(fā)電企業(yè)的交易電量下降,總交易電量降低6.6%,但總利潤增加0.64%。原因在于:火力發(fā)電成本較低,合作情況下聯(lián)盟體會讓常規(guī)能源發(fā)電企業(yè)優(yōu)先發(fā)電,可再生能源發(fā)電企業(yè)只生產(chǎn)與可再生能源配額制考核要求相等的綠電量,從而合作聯(lián)盟體在電力市場中聯(lián)合操縱交易,提高交易電價,提升利潤。另一方面,合作博弈中常規(guī)能源發(fā)電企業(yè)的總收益大于非合作博弈下的總收益,有助于火電企業(yè)在多種政策背景下進行市場轉(zhuǎn)型,擺脫虧損困境;但相較于合作博弈,以非合作博弈的方式進行市場競爭更能促進新能源的生產(chǎn)和消納。
4.3.1 可再生能源配額比例對發(fā)電企業(yè)交易電量的影響
由圖2(a)可以看出,在非合作博弈情況下,隨著可再生能源配額比例的增加,常規(guī)能源發(fā)電企業(yè)的交易電量不斷下降,可再生能源企業(yè)的交易電量不斷上升。原因在于,電力用戶作為可再生能源配額制的責(zé)任承擔(dān)主體,隨著配額比例的增加,電力用戶要消納更多的可再生能源電量來完成配額要求。所以在電力市場交易中,當(dāng)可再生能源配額比例上升時,電力用戶將增加可再生能源電量的購買量并減少常規(guī)能源電量的購買量,以避免受到懲罰。因此,實施可再生能源配額制對于可再生能源的消納利用具有積極作用。
圖2 可再生能源配額比例對交易電量的影響Fig.2 Impacts of renewable energy quota ratios on trading electricity
在合作博弈情況下,如圖2(b)所示,常規(guī)能源發(fā)電企業(yè)和可再生能源發(fā)電企業(yè)的交易電量均隨著可再生能源配額比例的增加而增加。由于常規(guī)能源發(fā)電成本低于可再生能源發(fā)電,所以聯(lián)盟體在合作情況下會優(yōu)先讓常規(guī)能源發(fā)電企業(yè)進行發(fā)電,可再生能源發(fā)電企業(yè)只需生產(chǎn)與可再生能源配額制要求售電商完成綠電消納量相等的產(chǎn)量,從而這兩類發(fā)電企業(yè)聯(lián)合操縱市場交易,從而抬高電價,提升利潤。
4.3.2 可再生能源配額比例對發(fā)電企業(yè)利潤的影響
在不同可再生能源配額比例下,兩類發(fā)電企業(yè)在非合作和合作博弈下的利潤如圖3所示。
圖3 可再生能源配額比例對發(fā)電企業(yè)利潤的影響Fig.3 Impacts of renewable energy quota ratios on profits pf power generation enterprises
在非合作博弈情況下,與圖2(a)所示的交易電量相對應(yīng),隨著可再生能源配額比例的增加,常規(guī)能源發(fā)電企業(yè)的利潤隨著交易電量的減少而逐漸降低,可再生能源發(fā)電企業(yè)的利潤快速增加。隨著可再生能源配額需求的不斷增加,售電商為避免因未完成配額而受到懲罰,不僅在電力市場中增加綠色電力的購買量,還將在綠色電力證書市場中增加綠證的購買數(shù)量以補足配額要求,從而使可再生能源發(fā)電企業(yè)的利潤快速增加。由此可見,在非合作博弈情況下,可再生能源配額制的實施有利于可再生能源的消納,并對可再生能源發(fā)電企業(yè)產(chǎn)生積極激勵作用。
在合作博弈情況下,隨著可再生能源配額比例的增加,總交易電量隨之增加,導(dǎo)致電價降低,常規(guī)能源發(fā)電企業(yè)的利潤緩慢下降?;诒疚奶岢龅睦麧櫡峙淠P?,企業(yè)參與發(fā)電權(quán)交易的電量越多,獲得的利潤分配也就越多,從而激發(fā)企業(yè)參與發(fā)電權(quán)交易的積極性。可再生能源發(fā)電企業(yè)的利潤隨著交易電量的增加而快速上升,同時隨著綠電產(chǎn)量的提高,在綠證市場上獲得的收益也越多。
在各個可再生能源配額比例下,常規(guī)能源發(fā)電企業(yè)在合作博弈情況下的利潤都高于非合作博弈下的利潤。因此,雙方合作有助于火電企業(yè)在多種政策背景下擺脫虧損困境。
4.3.3 碳配額比例對各發(fā)電企業(yè)交易電量和利潤的影響
由圖4可以看出,隨著碳配額比例的增加,無論是非合作博弈還是合作博弈,常規(guī)能源發(fā)電企業(yè)的交易電量都隨之增加,利潤也有所增加;可再生能源發(fā)電企業(yè)的交易電量隨之減少,其利潤也相應(yīng)地減少。原因在于,隨著碳配額比例的增加,常規(guī)能源發(fā)電企業(yè)獲得的免費碳配額隨之增加,企業(yè)發(fā)電所需的碳成本降低,從而在電力市場進行交易報價時具有一定的優(yōu)勢。同時電力市場中可再生能源發(fā)電企業(yè)的市場份額被壓縮,導(dǎo)致其利潤下降。另一方面,隨著碳配額比例的不斷增加,常規(guī)能源發(fā)電企業(yè)不僅可以將分配到的碳配額用于自身生產(chǎn),其剩余的部分還可以通過碳市場進行出售來獲得利潤,所以常規(guī)能源發(fā)電企業(yè)的利潤隨著碳配額比例的上升不斷增加。
圖4 碳配額比例對各企業(yè)交易電量和利潤的影響Fig.4 Impacts of carbon quota ratios on trading electricity and profits of enterprises
4.3.4 3種政策同時變化對各發(fā)電企業(yè)利潤的影響
由圖5 可以看出,隨著可再生能源配額比例和碳配額比例的同時增加,兩種博弈下發(fā)電企業(yè)的總利潤都隨之增加。并且對于廠商來說,通過聯(lián)盟間的合作共同制定市場交易決策,能獲得更高的利潤。同時,相較于不參與發(fā)電權(quán)交易,積極參加發(fā)電權(quán)交易更能提升企業(yè)的利潤。所以,對于發(fā)電企業(yè)來說,積極參加發(fā)電權(quán)交易,并通過與其他發(fā)電企業(yè)合作制定交易策略能獲得最優(yōu)的利潤。
圖5 不同情況下發(fā)電企業(yè)的總利潤Fig.5 Total profits of power generation enterprises under different circumstances
4.3.5 可再生能源配額比例和碳配額比例同時變化對碳排放量和綠電消納量的影響
從圖6(a)中可以看出,隨著可再生能源配額比例和碳配額比例的同時增加,合作博弈下廠商發(fā)電總碳排放量隨之增加,非合作博弈下的碳排放量隨之減少。從圖6(b)中可以看出,隨著可再生能源配額比例和碳配額比例的增加,合作博弈和非合作博弈下的綠電消納量都隨之增加,并且非合作博弈下的消納量大于合作博弈下的消納量。所以,盡管合作有利于發(fā)電企業(yè)提高自身的利潤,但對環(huán)境會造成更大的負(fù)擔(dān)??稍偕茉窗l(fā)電企業(yè)和常規(guī)能源發(fā)電企業(yè)作為獨立的個體在市場進行競爭更有利于二氧化碳排放的減少和可再生能源的消納,從而加速實現(xiàn)電力行業(yè)的減排目標(biāo)。
圖6 不同比例下企業(yè)的碳排放量與綠電消納量Fig.6 Carbon emissions and green power consumptions of enterprises in different proportions
本文基于現(xiàn)行的可再生能源配額制,綜合考慮碳排放權(quán)市場和綠色電力證書市場的發(fā)展情況,構(gòu)建了在非合作博弈和合作博弈兩種情況下可再生能源發(fā)電企業(yè)和常規(guī)能源發(fā)電企業(yè)參與電力市場的交易模型,通過對所建模型進行算例仿真與驗證得到以下結(jié)論。
1)相較于非合作博弈,合作博弈更能提高廠商的整體收益。積極參加發(fā)電權(quán)交易和不參與發(fā)電權(quán)交易相比,前者更能增加發(fā)電企業(yè)的利潤。并且廠商之間通過合作,在碳排放限額和可再生能源消納要求的壓力下,常規(guī)能源發(fā)電企業(yè)在多種政策背景下更易獲得較高利潤,從而擺脫困境。
2)常規(guī)能源發(fā)電企業(yè)和可再生能源發(fā)電企業(yè)作為獨立的個體在市場進行競爭,更能促進可再生能源的消納。并且隨著可再生能源配額比例的不斷增加,可再生能源發(fā)電企業(yè)市場份額增大,從而擠壓常規(guī)能源發(fā)電企業(yè)市場份額,促進常規(guī)能源發(fā)電企業(yè)進行市場轉(zhuǎn)型。
3)當(dāng)碳配額比例不斷收緊時,常規(guī)能源發(fā)電企業(yè)的交易電量與利潤都隨之減少,可再生能源發(fā)電企業(yè)的交易電量和利潤增加。制定適當(dāng)?shù)奶寂漕~比例,對于可再生能源消納和市場轉(zhuǎn)型也會起到一定的積極作用。
4)合作博弈雖然可以提高可再生能源發(fā)電企業(yè)和常規(guī)能源發(fā)電企業(yè)的共同利潤,但會提高電價,損害消費者利益,并且對于二氧化碳排放的減少和可再生能源的消納具有消極作用,所以相關(guān)部門應(yīng)制定一定的規(guī)則,限制發(fā)電廠商之間的過度合作。