基于動(dòng)態(tài)主從博弈模型的綜合能源系統(tǒng)碳交易方法

陳勇，芮俊，肖雷鳴，鄧超

（1.杭州市電力設(shè)計(jì)院有限公司余杭分公司，杭州 311121；2.杭州電子科技大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，杭州 310018）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的高速發(fā)展，與日俱增的碳排放量驅(qū)使人類社會(huì)向綠色低碳轉(zhuǎn)型。2020 年第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上，國(guó)家主席習(xí)近平提出了“雙碳”目標(biāo)［1］。能源行業(yè)作為碳排放的主力軍，是低碳轉(zhuǎn)型的先行者。IES（綜合能源系統(tǒng)）是多種異質(zhì)能源組成的復(fù)雜系統(tǒng)，其多能耦合的特性賦予其巨大的減排潛力［2］。目前，國(guó)內(nèi)外已有大量關(guān)于IES低碳化的研究［3-4］。文獻(xiàn)［3］通過(guò)建立碳排放目標(biāo)，在日內(nèi)滾動(dòng)調(diào)度中為IES 安排以最低碳為目標(biāo)的調(diào)度和以經(jīng)濟(jì)最優(yōu)為目標(biāo)的調(diào)度兩種優(yōu)化方案。文獻(xiàn)［4］將階梯式碳交易引入電-氣-熱IES低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型，綜合考慮系統(tǒng)的低碳性和經(jīng)濟(jì)性，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度。

碳交易是實(shí)現(xiàn)IES低碳減排的有效舉措之一。文獻(xiàn)［5］引入碳交易機(jī)制，將碳配額作為一種商品在市場(chǎng)上進(jìn)行售賣(mài)，并在碳排放的約束下構(gòu)建系統(tǒng)低碳優(yōu)化調(diào)度模型。目前國(guó)內(nèi)的碳交易市場(chǎng)機(jī)制還不夠完善，制定合理的碳交易機(jī)制以及系統(tǒng)內(nèi)部低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度亟待進(jìn)一步研究完善［6-7］。文獻(xiàn)［8-9］采用傳統(tǒng)固定碳價(jià)的碳交易模式引導(dǎo)IES低碳運(yùn)行，但由其結(jié)果可見(jiàn)固定碳價(jià)的引導(dǎo)獎(jiǎng)懲效果并不顯著。隨著碳市場(chǎng)研究的不斷深入，階梯式獎(jiǎng)懲碳價(jià)逐漸替代傳統(tǒng)固定碳價(jià)模式，成為碳交易市場(chǎng)的主流［10-11］。文獻(xiàn)［12］在考慮電轉(zhuǎn)氣兩階段運(yùn)行的情況下研究階梯式碳交易機(jī)制下IES的低碳性和經(jīng)濟(jì)性，文獻(xiàn)［13］對(duì)傳統(tǒng)碳交易定價(jià)模型和獎(jiǎng)懲階梯型碳交易模型進(jìn)行了對(duì)比分析。

目前碳交易機(jī)制是以年度進(jìn)行結(jié)算的，存在碳交易配額與碳排放不匹配的問(wèn)題，導(dǎo)致碳排放量嚴(yán)重超標(biāo)、不能滿足碳交易年度配額、碳交易成本增加等問(wèn)題。為保證碳排放配額分配的合理性，避免年度結(jié)算時(shí)碳排放量超標(biāo)導(dǎo)致環(huán)境污染加劇，文獻(xiàn)［14］打破原有的年度碳排放交易策略，提出了一種基于獎(jiǎng)懲因子的季節(jié)性碳交易機(jī)制，實(shí)現(xiàn)IES 低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度。在此基礎(chǔ)上，本文繼續(xù)深入研究碳市場(chǎng)交易周期機(jī)制，建立日前碳交易機(jī)制，實(shí)現(xiàn)碳市場(chǎng)每日清算。

碳交易市場(chǎng)中，各IES具有不同的利益訴求，因此多主體之間的利益協(xié)調(diào)至關(guān)重要。博弈論是解決不同市場(chǎng)主體利益沖突的重要方法之一［15］。文獻(xiàn)［16］建立一種考慮IES 內(nèi)四方利益主體的Stackelberg 博弈模型，實(shí)現(xiàn)區(qū)域IES 低碳經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度。文獻(xiàn)［17］提出一種基于雙層主從博弈的IES多主體低碳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行策略，促進(jìn)各主體利益均衡，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的低碳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。上述文獻(xiàn)均是研究能源系統(tǒng)內(nèi)部或者IES 與能源市場(chǎng)之間進(jìn)行博弈互動(dòng)，考慮中間運(yùn)營(yíng)商聚合多個(gè)IES 參與碳交易的互動(dòng)博弈競(jìng)價(jià)模型方法還有待深入研究。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文基于已有的碳交易市場(chǎng)，設(shè)計(jì)碳配額日前分配、日前交易、日內(nèi)執(zhí)行的市場(chǎng)交易背景，聯(lián)合若干IES 共同構(gòu)建一個(gè)區(qū)域日前聯(lián)合碳交易市場(chǎng)，提出一種基于IES與JMO（聯(lián)合市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)商）的動(dòng)態(tài)非合作Stackelberg博弈決策模型交易機(jī)制，并為IES 設(shè)計(jì)一種低碳排和低成本雙重激勵(lì)選擇策略。最后，通過(guò)算例驗(yàn)證所提機(jī)制和策略可實(shí)現(xiàn)IES的低碳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

1 IES結(jié)構(gòu)及碳排放建模

1.1 典型IES結(jié)構(gòu)

IES通常包括能源供給側(cè)、負(fù)荷、能量轉(zhuǎn)換3個(gè)部分，通過(guò)靈活調(diào)節(jié)設(shè)備的出力，達(dá)到降低系統(tǒng)碳排放量的目的［18］。

構(gòu)建包含電、熱、氣3種能源形態(tài)協(xié)調(diào)的IES模型，如圖1所示。主要的外部能源輸入包括外部電網(wǎng)和天然氣源；供能設(shè)備包括CHP（電熱聯(lián)產(chǎn)機(jī)組）、GB（燃?xì)忮仩t）、EB（純電鍋爐）、可再生能源電廠，其中可再生能源電廠包含風(fēng)機(jī)和光伏。目前國(guó)內(nèi)針對(duì)上述IES 設(shè)備的建模已有較多研究［19-20］，本文不再贅述。

圖1 IES結(jié)構(gòu)Fig.1 The IES structure

1.2 IES碳排放建模

IES內(nèi)部的碳排放源主要有CHP和GB。根據(jù)CHP 和GB 的工作機(jī)理，其溫室氣體的排放主要來(lái)自天然氣的開(kāi)采、運(yùn)輸和燃燒使用，具體碳排放系數(shù)計(jì)算公式如下：

式中：μpg和μtg分別為天然氣開(kāi)采、運(yùn)輸環(huán)節(jié)所產(chǎn)生單位電量的碳排放系數(shù)；λgas為天然氣采集過(guò)程中的氣體自逸率；Epg為天然氣的碳排放強(qiáng)度；n為天然氣開(kāi)采過(guò)程中排放的溫室氣體種類數(shù)量；λi為第i種溫室氣體折算成二氧化碳的折算系數(shù)；Eg_c，i為第i種溫室氣體的碳排放強(qiáng)度；Egt和Elt分別為天然氣以氣態(tài)和液態(tài)兩種形式進(jìn)行運(yùn)輸?shù)奶寂欧艔?qiáng)度；kpt為天然氣管道傳輸方式輸送量在總輸送量中的占比；μCHP和μGB分別為CHP和GB的實(shí)際碳排放系數(shù)；ECHP和EGB分別為CHP和GB燃燒單位天然氣的碳排放強(qiáng)度。

在式（1）—（4）基礎(chǔ)上，結(jié)合CHP 和GB 的輸出功率，可得到其實(shí)際碳排放量：

式中：T為1個(gè)周期內(nèi)的總時(shí)段數(shù)；QCHP和QGB分別為CHP 和GB 實(shí)際的碳排放量；ηCHP和ηGB分別為CHP 和GB 的能量轉(zhuǎn)換系數(shù)；和分別為CHP在時(shí)段t的輸出電、熱功率；φ為供熱量折算成發(fā)電量的折算系數(shù)；H(t)GB為GB 在時(shí)段t的輸出熱功率。

基于可再生能源電廠和EB的工作機(jī)理，其實(shí)際碳排放量可忽略不計(jì)。除此之外，IES需要從外部電網(wǎng)購(gòu)電以滿足電負(fù)荷端的需求。IES在外部能源網(wǎng)絡(luò)購(gòu)得的電能主要來(lái)源于火電機(jī)組，其生產(chǎn)過(guò)程伴隨一定的二氧化碳排放。2022年12月國(guó)家生態(tài)環(huán)境部印發(fā)了《企業(yè)溫室氣體排放核算與指南-發(fā)電設(shè)施》，明確指出電網(wǎng)購(gòu)電方需要為所購(gòu)電量承擔(dān)相應(yīng)的碳排放量，故外部購(gòu)電也是IES的一大碳排放源，其對(duì)應(yīng)的碳排放量為：

式中：Qgrid為外部電網(wǎng)購(gòu)電量對(duì)應(yīng)的碳排放量；μgrid為生產(chǎn)單位電量的碳排放系數(shù)；為時(shí)段t外部電網(wǎng)購(gòu)電的供電功率。

綜上所述，對(duì)IES 的各部分機(jī)組進(jìn)行碳排放分析，得到IES實(shí)際碳排放量Qdis為：

1.3 碳配額分配機(jī)制

進(jìn)行碳交易之前，首先要確定碳排放額度。目前我國(guó)采用免費(fèi)分配的方法，基于基線法為系統(tǒng)分配碳排放權(quán)［21］，初始碳排放權(quán)與生產(chǎn)商實(shí)際發(fā)電量有關(guān)。碳交易的碳配額分配模型如下：

2 碳交易市場(chǎng)優(yōu)化模型

本文提出一種基于日前碳交易市場(chǎng)的運(yùn)行優(yōu)化模型，參與碳交易的市場(chǎng)主體包括JMO 和多個(gè)IES，它們構(gòu)成的多主體主從博弈互動(dòng)框架如圖2所示。

圖2 多主體主從博弈互動(dòng)框架Fig.2 Framework of master-slave game interaction with multiple agents

JMO 是市場(chǎng)多主體主從博弈互動(dòng)機(jī)制中的主導(dǎo)者和協(xié)調(diào)者，負(fù)責(zé)碳交易聯(lián)合市場(chǎng)每日的運(yùn)行和清算。

IES是市場(chǎng)多主體主從博弈互動(dòng)機(jī)制中的跟隨者，各個(gè)IES 通過(guò)政府監(jiān)管部門(mén)提前一天獲取碳排放源的無(wú)償碳配額，且這部分碳配額僅在日內(nèi)有效。擁有多余碳配額的IES 盡可能多地出售自身多余的碳配額以獲得更多利益，缺少碳配額的IES盡可能降低自身的碳交易成本。

2.1 參與碳交易的IES優(yōu)化運(yùn)行

單一IES 在一級(jí)市場(chǎng)中的交易體量較小，沒(méi)有明顯的競(jìng)價(jià)優(yōu)勢(shì)，故本文僅考慮各IES 在聯(lián)合市場(chǎng)中售碳的場(chǎng)景。IES根據(jù)分時(shí)電價(jià)和購(gòu)、售碳配額價(jià)格，對(duì)日內(nèi)各電廠生產(chǎn)計(jì)劃、可再生能源電廠的出力情況進(jìn)行預(yù)測(cè)，并計(jì)算當(dāng)日碳排放量。該碳排放量是以IES碳排放量最小為目標(biāo)對(duì)IES內(nèi)部單元優(yōu)化的結(jié)果，其目標(biāo)函數(shù)為：式中：下標(biāo)i表示第i個(gè)IES 的參數(shù)，下同；優(yōu)化過(guò)程的時(shí)間步長(zhǎng)為15 min，優(yōu)化周期為24 h。

IES 在時(shí)段t滿足電功率、熱功率供需平衡，具體如下：

為保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，各部分功率輸出需滿足以下約束：

在上述策略下，IES的運(yùn)行成本計(jì)算公式為：

式中：fee1為IES的運(yùn)行成本；kCHP，e，i和kCHP，h，i分別為CHP生產(chǎn)單位電量、熱量的生產(chǎn)成本；kGB，h，i和kEB，h，i分別為GB 和EB 生產(chǎn)單位熱量的生產(chǎn)成本；為電網(wǎng)購(gòu)電的分時(shí)電價(jià)。

根據(jù)分配到的碳配額Qp，i，IES 決定參與聯(lián)合市場(chǎng)日前競(jìng)價(jià)的碳配額量QIES，i：

在上述場(chǎng)景中，聯(lián)合市場(chǎng)中的IES 分為Qdis，i≤Qp，i和Qdis，i>Qp，i兩種情況。

1）Qdis，i≤Qp，i時(shí)

Qdis，i≤Qp，i時(shí)，IES需要在聯(lián)合市場(chǎng)出售多余碳配額，其參與市場(chǎng)博弈的過(guò)程中以自身收益最大化為目標(biāo)，目標(biāo)函數(shù)為：

為限制JMO 單方面獲利，本文提出IES 可容忍最低售碳底價(jià)λmin，i這一概念，即λsell≥λmin，i時(shí)第i個(gè)IES 接受市場(chǎng)出清碳價(jià)，在當(dāng)日選擇出售多余碳配額，否則拒絕出售碳配額。

上文中IES 以最低碳排為目標(biāo)優(yōu)化得出最低碳排量，但這種運(yùn)行方式的成本不是經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的，如在電價(jià)相對(duì)較高時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)低碳目標(biāo)，系統(tǒng)會(huì)選擇多購(gòu)入低碳排系數(shù)的電網(wǎng)電能，犧牲了一定的經(jīng)濟(jì)效 益。當(dāng)IES在Qdis，i≤Qp，i的約束下，即在碳配額限制內(nèi)IES可最大化消耗碳配額，以運(yùn)行成本最低為目標(biāo)可得到最大化的經(jīng)濟(jì)效益。利用兩種運(yùn)行策略的經(jīng)濟(jì)差值和碳排放量差值之比，可計(jì)算出IES的可容忍最低售碳價(jià)。

首先，系統(tǒng)以運(yùn)行成本最小為目標(biāo)調(diào)整生產(chǎn)計(jì)劃，目標(biāo)函數(shù)為：

式中：fee2為IES 的以運(yùn)行成本最小化為目標(biāo)調(diào)整的生產(chǎn)計(jì)劃運(yùn)行成本，該優(yōu)化過(guò)程的時(shí)間步長(zhǎng)為15 min，優(yōu)化周期為24 h。

同時(shí)，需滿足碳平衡、功率供需平衡、可再生能源電廠輸出功率約束以及外部電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線交互功率約束（見(jiàn)式（18）），其他功率平衡約束條件同式（12）、式（13）。

利用上述計(jì)算的以成本最小化為目標(biāo)調(diào)整生產(chǎn)計(jì)劃的生產(chǎn)成本fee2，得到可容忍的最低售碳價(jià)：

式中：λmin，i為第i個(gè)IES可容忍的最低售碳價(jià)。

各IES 的售碳底價(jià)λmin，i都有所不同，故IES參與市場(chǎng)交易需滿足約束：

在聯(lián)合市場(chǎng)競(jìng)價(jià)過(guò)程中，此類IES 向JMO 上報(bào)出售碳配額市場(chǎng)根據(jù)市場(chǎng)報(bào)價(jià)的整體情況向各IES返回聯(lián)合市場(chǎng)出清售碳價(jià)λsell。若λsell≥λmin，i，則該IES 選擇出售碳配額以獲利；若λsell<λmin，i，則該IES 選擇拒絕出售碳配額，等待聯(lián)合市場(chǎng)下一輪博弈，直到售碳價(jià)λsell≥λmin，i，選擇出售碳配額。若直到市場(chǎng)博弈結(jié)束，λsell<λmin，i，則該IES 選擇以系統(tǒng)運(yùn)行成本最小為目標(biāo)調(diào)整生產(chǎn)計(jì)劃，不參與當(dāng)日聯(lián)合市場(chǎng)的碳交易。IES的競(jìng)價(jià)流程如圖3所示。

圖3 IES競(jìng)價(jià)流程Fig.3 The IES bidding process

對(duì)于整個(gè)市場(chǎng)而言，IES的可容忍最低售碳價(jià)防止了市場(chǎng)的惡性競(jìng)爭(zhēng)，聯(lián)合市場(chǎng)的出清售碳價(jià)必須不小于成功參與當(dāng)日售碳的所有IES 的可容忍最低售碳價(jià)即λsell≥

2）Qdis，i>Qp，i時(shí)

Qdis，i>Qp，i時(shí)，IES需從市場(chǎng)買(mǎi)入一定碳配額。此情況下的IES有兩種選擇，一是選擇為碳排放的超標(biāo)交碳稅罰款，二是在市場(chǎng)中購(gòu)買(mǎi)碳配額。

這類IES 在日前以最小化碳稅成本為目標(biāo)，優(yōu)化自身購(gòu)碳策略，并參與市場(chǎng)博弈，目標(biāo)函數(shù)為：

為了達(dá)到進(jìn)一步的減排目標(biāo)，刺激該部分IES的低碳減排發(fā)展，政府監(jiān)管部門(mén)的碳稅定價(jià)采用懲罰階梯定價(jià)模型。以各IES 分配到的無(wú)償碳配額為基準(zhǔn)，將碳排放量劃分為多個(gè)區(qū)間，碳排放量越高的區(qū)間，單位碳配額的售價(jià)越高。具體計(jì)價(jià)模型為：

式中：u為稅收基準(zhǔn)價(jià)格；l為劃分的碳排放量區(qū)間長(zhǎng)度；α為懲罰階梯碳交易因子；N為懲罰階梯數(shù)。

此外，IES向聯(lián)合市場(chǎng)提交交易申請(qǐng)，上報(bào)自身需要購(gòu)買(mǎi)的碳配額量JMO根據(jù)市場(chǎng)調(diào)控向IES 返回市場(chǎng)碳配額的購(gòu)買(mǎi)價(jià)格λbuy。根據(jù)市場(chǎng)報(bào)價(jià)，IES調(diào)整購(gòu)碳策略并再次上報(bào)信息。

在上述兩種渠道中，IES根據(jù)成本計(jì)算，選擇合適的分配比例處理缺少的碳配額，以實(shí)現(xiàn)成本最小化的目標(biāo)。

2.2 碳交易JMO優(yōu)化模型

JMO 在日前博弈中根據(jù)底層上報(bào)信息調(diào)整市場(chǎng)價(jià)格，其目標(biāo)是最大化聯(lián)合市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)效益，目標(biāo)函數(shù)為：

式中：EJMO為JMO的市場(chǎng)總收益；Nn為自身碳配額不足的IES 數(shù)量；Nm為需出售多余碳配額的IES數(shù)量；Qsub為JMO需在外部一級(jí)市場(chǎng)交易的碳配額，其值由區(qū)域碳交易聚合體內(nèi)的各IES 供需關(guān)系決定；λsub為JMO 在外部一級(jí)市場(chǎng)的交易碳價(jià)。

一級(jí)市場(chǎng)存在最小交易量限制，JMO 參與外部一級(jí)碳市場(chǎng)的碳交易量必須不低于最小交易量Qmin，否則JMO 不允許進(jìn)入一級(jí)市場(chǎng)交易，故JMO有如下約束條件：

3 動(dòng)態(tài)非合作Stackelberg博弈互動(dòng)

3.1 動(dòng)態(tài)非合作Stackelberg博弈互動(dòng)均衡

本文采用動(dòng)態(tài)非合作Stackelberg 博弈框架描述JMO 和IES 追求各自目標(biāo)最優(yōu)的決策過(guò)程。該Stackelberg博弈模型表示為：

該模型包含了參與者、策略和效用，其中：參與者包括領(lǐng)導(dǎo)者JMO 和跟隨者IES；策略包括JMO 的購(gòu)、售碳配額價(jià)格λJMO，以及IES 市場(chǎng)出售、買(mǎi)入的碳配額量、；各參與者的效用為第2 章優(yōu)化模型中各利益主體的目標(biāo)函數(shù)。該Stackelberg均衡存在性證明如下。

上層JMO 的策略集合為λJMO，下層IES 的策略集合為{，}，顯然，所有博弈參與者的策略集合均為博弈策略空間中的緊子集（有限閉集）。根據(jù)文獻(xiàn)［22］可知，當(dāng)博弈滿足下述條件1、條件2時(shí)，Stackelberg博弈均衡解存在。

1）條件1，JMO與IES的收益均為關(guān)于各自策略集合的連續(xù)函數(shù)。條件1的證明如下：

對(duì)于JMO 與IES 的決策模型，其收益均為各自策略集合的連續(xù)函數(shù)，條件1成立。

2）條件2，下層IES的收益為關(guān)于其策略集合的擬凸函數(shù)。條件2的證明如下：

下層IES收益可表示為：

在博弈過(guò)程中，當(dāng)任何利益主體都不能單方面改變均衡解的策略來(lái)獲取利益時(shí)，說(shuō)明該博弈達(dá)到Stackelberg 均衡，且滿足式（31）的條件，則

式中：上標(biāo)*號(hào)表示最優(yōu)均衡解。

3.2 博弈求解方法

采用ADE（自適應(yīng)差分進(jìn)化）算法與Gurobi 求解器對(duì)所建立的多主體動(dòng)態(tài)非合作Stackelberg 博弈模型進(jìn)行求解。主從博弈求解流程如圖4 所示，其中K為當(dāng)前迭代次數(shù)，Kmax為最大迭代次數(shù)。

圖4 主從博弈求解流程Fig.4 The solving process of master-slave game

4 算例分析

4.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

選擇4個(gè)典型IES（IES1—IES4）組成區(qū)域碳交易聯(lián)合市場(chǎng)為算例進(jìn)行分析，以驗(yàn)證本文所提交易機(jī)制的可行性。4 個(gè)IES 均配備風(fēng)力和光伏機(jī)組，其可再生能源及電、熱負(fù)荷日前功率預(yù)測(cè)曲線如圖5所示。本文采用實(shí)時(shí)電價(jià)方案，實(shí)時(shí)電價(jià)分布如圖6所示。IES碳排放及碳交易基本參數(shù)如表1所示。

表1 IES碳交易基本參數(shù)Table 1 Parameters for IES carbon trading

圖6 實(shí)時(shí)電價(jià)分布情況Fig.6 The distribution of real-time electricity price

4.2 交易機(jī)制分析

為了驗(yàn)證文本提出的IES 優(yōu)化策略與聯(lián)合市場(chǎng)交易機(jī)制的有效性，4個(gè)典型IES的設(shè)備存在差異，具體如表2所示。

表2 IES設(shè)備差異情況Table 2 Differences in IES devices

針對(duì)4個(gè)IES的設(shè)備差異情況，優(yōu)化內(nèi)部各設(shè)備出力情況。

對(duì)于IES1，以碳排放最小為目標(biāo)得到的系統(tǒng)功率優(yōu)化結(jié)果如圖7所示。低碳排放系數(shù)的EB在熱功率中出力較多，電網(wǎng)購(gòu)電出力較多，系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)的依賴程度較高，碳排放量較低，但系統(tǒng)運(yùn)行成本較高。由于其碳排放量小于碳配額，為計(jì)算其可容忍最低售碳價(jià)，以成本最小化為目標(biāo)得到系統(tǒng)功率優(yōu)化結(jié)果，如圖8所示。在碳配額約束下，電網(wǎng)購(gòu)電量減小，高成本的EB 出力減小，CHP 出力增加，碳排放量增加，但有效降低了系統(tǒng)運(yùn)行成本。

圖7 IES1低碳排功率優(yōu)化結(jié)果Fig.7 Power optimization results of IES1 aiming at carbon emission reduction

圖8 IES1低成本功率優(yōu)化結(jié)果Fig.8 Low-cost power optimization result of IES1

對(duì)于IES2，以碳排放最小為目標(biāo)得到的系統(tǒng)功率優(yōu)化結(jié)果如圖9所示。低碳排放系數(shù)的EB在熱功率中出力較多，電網(wǎng)購(gòu)電出力較多，但EB的功率增加會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)電負(fù)荷增加，從而增加系統(tǒng)碳排放量，同時(shí)也對(duì)EB功率輸出有一定的約束作用。另外，IES2 缺少碳配額，需為此承擔(dān)一定的碳稅成本。

圖9 IES2低碳排功率優(yōu)化結(jié)果Fig.9 Power optimization results of IES2 aiming at carbon emission reduction

對(duì)于IES3，以碳排放最小為目標(biāo)得到的系統(tǒng)功率優(yōu)化結(jié)果如圖10 所示?？梢钥闯?，以低碳排為目標(biāo)時(shí)，系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)的依賴程度更高。因其碳排放量小于分配到的碳配額，以成本最低為目標(biāo)優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)備功率輸出，優(yōu)化結(jié)果如圖11所示。

圖10 IES3低碳排功率優(yōu)化結(jié)果Fig.10 Power optimization results of IES3 aiming at carbon emission reduction

圖11 IES3低成本功率優(yōu)化結(jié)果Fig.11 Low-cost power optimization result of IES3

對(duì)于IES4，以碳排放最小為目標(biāo)得到的優(yōu)化結(jié)果如圖12所示。因缺少CHP，系統(tǒng)通過(guò)電網(wǎng)購(gòu)電和可再生能源電廠出力滿足電負(fù)荷需求，同時(shí)選擇低碳排系數(shù)的EB 作為主要供熱設(shè)備。IES4缺少碳配額，因此以買(mǎi)家的身份參與市場(chǎng)。

圖12 IES4低碳排功率優(yōu)化結(jié)果Fig.12 Power optimization results of IES4 aiming at carbon emission reduction

由上述分析可知，不同IES 均能在低碳排和低成本雙重激勵(lì)選擇策略下有效地優(yōu)化調(diào)控，并以合適的身份參與市場(chǎng)交易。

4.3 市場(chǎng)博弈結(jié)果分析

4 個(gè)典型IES 優(yōu)化后得到的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)如表3 所示。IES1和IES3可交易配額為正，可在聯(lián)合市場(chǎng)中出售多余碳配額；IES2 和IES4 可交易配額為負(fù)，需在聯(lián)合市場(chǎng)購(gòu)買(mǎi)一定的配額以填補(bǔ)自身配額空缺。

表3 IES優(yōu)化結(jié)果數(shù)據(jù)Table 3 Data from IES optimization results

圖13給出了市場(chǎng)博弈的收斂情況，可知ADE算法與本文所述交易模型的適配性良好，算法的收斂表現(xiàn)良好。博弈結(jié)果數(shù)據(jù)如表4 所示。IES3的可容忍最低售碳價(jià)為58.18 元/t，高于一級(jí)市場(chǎng)交易價(jià)，JMO放棄收購(gòu)IES1的碳配額，因此將售碳價(jià)定至IES3的可容忍最低售碳價(jià)。IES2的超排量較少，選擇以繳納罰款的方式處理碳配額的空缺。IES4 的超排量較多，選擇為80 t 超排量繳納罰款，并在市場(chǎng)中購(gòu)買(mǎi)162.28 t 碳配額。結(jié)果表明，不同情況的IES 均能選擇效益最大化的競(jìng)價(jià)策略，最后博弈達(dá)到Stackelberg 均衡時(shí)，可實(shí)現(xiàn)所有主體利益最大化。

表4 市場(chǎng)博弈結(jié)果數(shù)據(jù)Table 4 Data from market game result

圖13 市場(chǎng)博弈收斂情況Fig.13 The convergence of market game

4.4 系統(tǒng)成本與收益分析

4個(gè)IES在日前聯(lián)合碳交易機(jī)制中的系統(tǒng)運(yùn)行成本及碳交易收益情況見(jiàn)表5，在不同的交易方案下，4個(gè)IES獲得了不同的經(jīng)濟(jì)收益。IES1由于市場(chǎng)售碳價(jià)低于自身最低售碳價(jià)，拒絕市場(chǎng)交易碳配額，選擇降低系統(tǒng)運(yùn)行成本以獲得一定的經(jīng)濟(jì)效益。IES3 的收益情況最為明顯，其出售了全部多余碳配額，在聯(lián)合碳市場(chǎng)中獲利。IES2和IES4均缺少碳配額，需參與市場(chǎng)交易，而IES4缺少的量更大，其承擔(dān)的經(jīng)濟(jì)代價(jià)更大。在本文提出的市場(chǎng)機(jī)制中，低碳減排效果優(yōu)秀的IES 能夠獲得更多的經(jīng)濟(jì)收益，這也進(jìn)一步激勵(lì)了更多IES 在市場(chǎng)中出售碳配額，增加碳配額在區(qū)域內(nèi)的流通量。

表5 日前聯(lián)合碳交易機(jī)制下的成本與收益情況Table 5 Costs and benefits under day-ahead collaborative carbon trading mechanism 元

為了有效驗(yàn)證本文提出的日前聯(lián)合碳交易機(jī)制相較于傳統(tǒng)碳交易機(jī)制的優(yōu)勢(shì)，將上述4個(gè)IES置于傳統(tǒng)交易市場(chǎng)模型中進(jìn)行交易，系統(tǒng)運(yùn)行成本及碳交易收益情況見(jiàn)表6。在傳統(tǒng)市場(chǎng)中，持有多余碳配額的IES1和IES2按固定的碳市場(chǎng)售碳價(jià)出售碳配，其獲利情況相較于日前聯(lián)合碳交易市場(chǎng)交易結(jié)果有所降低，系統(tǒng)總成本升高。IES2 缺少的碳配額量較少，在日前聯(lián)合碳交易機(jī)制中選擇不參與聯(lián)合市場(chǎng)內(nèi)購(gòu)碳，因此其收益情況與傳統(tǒng)碳交易機(jī)制下的相同。IES4缺少的碳配額較多，在傳統(tǒng)碳交易機(jī)制中的碳稅成本較高，因此總成本相較于日前聯(lián)合碳交易市場(chǎng)交易結(jié)果有所升高?；诒?和表6的數(shù)據(jù)分析可知，在本文提出的日前聯(lián)合碳交易機(jī)制下，各個(gè)IES 的經(jīng)濟(jì)效益較傳統(tǒng)碳交易方法均有提升。

表6 傳統(tǒng)交易機(jī)制下的成本與收益情況Table 6 Costs and benefits under traditional trading mechanisms 元

綜上所述，考慮多利益主體博弈互動(dòng)交易既符合目前能源市場(chǎng)的多主體競(jìng)爭(zhēng)特點(diǎn)，又能夠保障多方主體利益。在多主體博弈互動(dòng)框架中采用超排階梯懲罰機(jī)制以及低碳排、低成本雙重激勵(lì)選擇策略，能同時(shí)保證區(qū)域內(nèi)IES 的經(jīng)濟(jì)性和低碳性。

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了碳配額日前市場(chǎng)交易背景，聯(lián)合若干IES 共同構(gòu)建了區(qū)域日前聯(lián)合碳交易市場(chǎng)，并提出基于IES 與JMO 的動(dòng)態(tài)非合作Stackelberg博弈決策模型交易機(jī)制，實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)多IES 主體與JMO 的博弈互動(dòng)以及IES 內(nèi)部多能耦合的低碳經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度。具體結(jié)論如下：

1）建立多主體動(dòng)態(tài)非合作Stackelberg 博弈模型，JMO 綜合考慮各IES 的交易策略、市場(chǎng)供需關(guān)系及自身收益情況得到最優(yōu)的碳配額售購(gòu)方案，引導(dǎo)IES 優(yōu)化系統(tǒng)內(nèi)功率情況和交易策略，保證IES低碳經(jīng)濟(jì)運(yùn)作。

2）在聯(lián)合碳交易市場(chǎng)主從博弈模型中引入了超排階梯懲罰機(jī)制，分析各IES 在碳約束環(huán)境下的決策行為，并提出了IES 低碳排和低成本雙重激勵(lì)選擇策略，充分發(fā)揮各主體對(duì)市場(chǎng)導(dǎo)向的調(diào)節(jié)能力。仿真結(jié)果表明，不同情況的IES 均能在交易機(jī)制內(nèi)選擇對(duì)自身效益最大化的競(jìng)價(jià)策略。

3）系統(tǒng)成本和收益分析表明，在市場(chǎng)交易自身多余碳配額可獲得較多經(jīng)濟(jì)收益，這一直觀結(jié)果將提高IES 的低碳減排積極性，提高碳配額的流通性及優(yōu)化區(qū)域內(nèi)的整體低碳減排效果。

后續(xù)研究中需進(jìn)一步考慮多主體Stackelberg博弈模型中多能源競(jìng)價(jià)策略以及IES 之間的交易互動(dòng)。