不確定條件下考慮碳交易與綠色證書(shū)交易的區(qū)域發(fā)電結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

摘 要：區(qū)域發(fā)電結(jié)構(gòu)的優(yōu)化對(duì)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)具有重要意義。該文探討同時(shí)考慮碳限額交易機(jī)制與可再生能源配額制下的區(qū)域發(fā)電結(jié)構(gòu)優(yōu)化問(wèn)題，以中國(guó)廣東省長(zhǎng)期的發(fā)電規(guī)劃為例進(jìn)行研究。考慮能源政策和相關(guān)經(jīng)濟(jì)參數(shù)等多種不確定因素對(duì)規(guī)劃模型的影響，將區(qū)間規(guī)劃和模糊規(guī)劃結(jié)合到優(yōu)化模型中去，構(gòu)建不確定因素下考慮碳交易和綠色證書(shū)交易的區(qū)域發(fā)電結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型。結(jié)果表明，不確定優(yōu)化模型應(yīng)用到區(qū)域電力生產(chǎn)的長(zhǎng)期規(guī)劃中，產(chǎn)生有效的規(guī)劃結(jié)果，可為區(qū)域電力綠色低碳轉(zhuǎn)型提供有效的參考意見(jiàn)。

關(guān)鍵詞：發(fā)電結(jié)構(gòu)；碳交易；綠色證書(shū)交易；不確定性；低碳

中圖分類(lèi)號(hào)：TM61 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2024）28-0082-04

Abstract： The optimization of regional power generation structure is of great significance in achieving the "Double Carbon" goals. This paper discusses the optimization of regional power generation structure under both carbon cap-and-trade mechanism and Renewable Portfolio Standard， taking the long-term power generation planning of Guangdong Province， China as an example. First， a multi-objective power generation structure optimization model with minimum cost， minimum carbon emissions and maximum social welfare is constructed; then， the optimal power generation structure and carbon emission path under different scenarios are solved; finally， a comprehensive evaluation system for power green transformation is constructed， used to evaluate the green transformation effect of power. The results show that the proportion of renewable energy power generation in Guangdong Province will increase under the benchmark scenario， strict policy and loose policy scenarios， and the carbon emission intensity will decrease. The green transformation effect under the strict policy scenario is the best.

Keywords： power generation structure; carbon cap-and-trade mechanism; green certificate trading; uncertainty; low-carbon

氣候變化是一個(gè)全球化的問(wèn)題，減緩氣候變化被認(rèn)為是全球所有國(guó)家的共同責(zé)任。電力行業(yè)是許多國(guó)家溫室氣體排放的主要貢獻(xiàn)者之一，化石燃料發(fā)電引起的嚴(yán)重環(huán)境問(wèn)題引起了全球的關(guān)注[1]。我國(guó)電力行業(yè)面臨著二氧化碳減排的巨大壓力，但降低CO2排放的潛力和空間也巨大。因此，電力行業(yè)的綠色轉(zhuǎn)型對(duì)國(guó)家“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)有著重要意義。政府為了提升電力行業(yè)可再生能源的競(jìng)爭(zhēng)力，促進(jìn)電力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)減排目標(biāo)和能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型，出臺(tái)了一系列氣候政策[2]。

隨著電力行業(yè)的改革和相關(guān)能源氣候政策的制定和實(shí)施，有學(xué)者開(kāi)始考慮相關(guān)能源氣候政策背景下的區(qū)域電力結(jié)構(gòu)規(guī)劃問(wèn)題。Wang等[3]從發(fā)電、輸電和貿(mào)易的角度構(gòu)建了RPS目標(biāo)下南方五省的發(fā)電和交易策略?xún)?yōu)化模型。李渝等[4]構(gòu)建了碳交易政策下經(jīng)濟(jì)成本最小，綜合效益最大的多目標(biāo)優(yōu)化模型，用于區(qū)域電源結(jié)構(gòu)優(yōu)化配置。Guo等[5]構(gòu)建了碳限額交易下具有時(shí)空特征的多區(qū)域負(fù)荷調(diào)度模型，研究了中國(guó)電力行業(yè)發(fā)展的最優(yōu)路徑。Gitizadeh等[6]在考慮綠色證書(shū)交易政策激勵(lì)措施的基礎(chǔ)上，提出了一個(gè)多目標(biāo)混合整數(shù)線性?xún)?yōu)化模型，用于分析區(qū)域發(fā)電廠的發(fā)電規(guī)劃問(wèn)題。Xu等[7]從政策接受度、發(fā)電成本和可再生能源比例的角度構(gòu)建了多目標(biāo)均衡模型，探討了廣東省不同電力用戶(hù)之間的RPS分配問(wèn)題。綜上，以上文獻(xiàn)大多是針對(duì)單個(gè)政策下電源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化配置問(wèn)題展開(kāi)研究。然而，尚無(wú)文獻(xiàn)對(duì)碳限額交易機(jī)制和可再生能源配額制共同作用下的區(qū)域發(fā)電結(jié)構(gòu)優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行研究。

針對(duì)現(xiàn)有研究的不足，本文在考慮碳限額交易機(jī)制和可再生能源配額制共同作用背景下，構(gòu)建了區(qū)域發(fā)電結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型，并選取廣東省作為研究對(duì)象進(jìn)行實(shí)證分析。本文的主要貢獻(xiàn)包括：①分析了碳限額交易機(jī)制和可再生能源配額制共同作用下區(qū)域電力系統(tǒng)的發(fā)電規(guī)劃問(wèn)題；②構(gòu)建了考慮經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、社會(huì)的多目標(biāo)發(fā)電規(guī)劃模型；③考慮了各種能源政策和相關(guān)經(jīng)濟(jì)參數(shù)等不確定因素對(duì)規(guī)劃結(jié)果的影響。

1 模型構(gòu)建

1.1 目標(biāo)函數(shù)

1.1.1 經(jīng)濟(jì)目標(biāo)

成本主要由發(fā)電成本、購(gòu)電成本、碳交易成本和綠色證書(shū)交易成本構(gòu)成。

，（1）

式中：T表示規(guī)劃期總時(shí)長(zhǎng)；I表示電源種類(lèi)數(shù)量；x±表示第i種電源第t年的發(fā)電量；Pg±it表示第i種電源第t年的單位發(fā)電成本；E±表示第t年的購(gòu)電量；Pi±表示第t年的單位購(gòu)電成本；E表示第t年的碳交易量；

表示第t年的碳交易價(jià)格；q±表示第t年的綠色證書(shū)交易量；k表示量化系數(shù)，即將可再生能源配額量化為綠色證書(shū)的數(shù)量； 表示第t年的綠色證書(shū)價(jià)格。

1.1.2 環(huán)境目標(biāo)

這里僅考慮發(fā)電過(guò)程中的碳排放，且每種電源在發(fā)電過(guò)程中都會(huì)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的碳排放量。

式中：eit表示第i種電源第t年的碳排放系數(shù)。

1.1.3 社會(huì)目標(biāo)

， （3）

式中：CS±為消費(fèi)者剩余，TP±為總利潤(rùn)，TC±為外部成本。

式中：ACS表示平均消費(fèi)者剩余；pt±表示第t年的銷(xiāo)售電價(jià)；？茁表示資源對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響因子。

1.2 狀態(tài)方程與約束條件

1.2.1 碳交易量方程

國(guó)家每年根據(jù)各個(gè)省份的實(shí)際情況給定對(duì)應(yīng)的碳排放限額，當(dāng)該省的碳排放量超過(guò)給定碳限額時(shí)則需要到碳交易市場(chǎng)上購(gòu)買(mǎi)超額的碳排放。

式中：e0，t表示第t年給定的單位發(fā)電的碳排放配額。

1.2.2 綠色證書(shū)交易量方程

國(guó)家根據(jù)每個(gè)省份的實(shí)際情況分配可再生能源消納目標(biāo)。當(dāng)該省的可再生能源消納目標(biāo)未完成時(shí)則需要到綠色證書(shū)交易市場(chǎng)上購(gòu)買(mǎi)超出的綠色證書(shū)。

式中： 表示第t年的電力消耗量；？琢t表示第t年該省的可再生能源配額系數(shù)。

1.2.3 電力需求約束

各種電源的總發(fā)電量之和必須要滿(mǎn)足當(dāng)年的社會(huì)用電需求以保證人們的正常生產(chǎn)生活和經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展。

1.2.4 用電負(fù)荷約束

為了確保電力系統(tǒng)的可靠性，電力系統(tǒng)的可用裝機(jī)容量應(yīng)不小于最大負(fù)荷和備用容量之和。

式中： 表示第t年的最大電力負(fù)荷；r表示電力備用率；Hit±表示第i種電源第t年的年發(fā)電利用小時(shí)數(shù)。

1.2.5 購(gòu)電約束

每年的購(gòu)電量最大不能夠超過(guò)總用電需求的25%。

。 （11）

1.2.6 發(fā)電約束

各種電源每年的發(fā)電量都會(huì)受該電源最大可開(kāi)發(fā)量的限制，在約束條件里對(duì)應(yīng)每種電源的發(fā)電上限。

， （12）

式中：G表示第i種電源第t年的最大裝機(jī)容量。

1.2.7 碳排放約束

考慮到經(jīng)濟(jì)目標(biāo)和環(huán)境目標(biāo)，因此需要設(shè)置碳排放上限來(lái)約束發(fā)電過(guò)程所產(chǎn)生的碳排放。

式中：Qc，t±表示第t年碳排放上限。

1.2.8 可再生能源約束

可再生能源發(fā)電量與總發(fā)電量之比必須大于或等于所設(shè)定的最低可再生能源占比目標(biāo)。

式中：？茲t表示第t年可再生能源發(fā)電總量的最小占比。

2 實(shí)證研究

2.1 發(fā)電結(jié)構(gòu)

圖1展示了2023—2035年規(guī)劃期內(nèi)可再生能源的發(fā)電量以及占比情況，從圖中可以看出規(guī)劃期間可再生能源發(fā)電量呈現(xiàn)逐年增長(zhǎng)的趨勢(shì)，可再生能源占總發(fā)電量的比例也在逐年提升，這與當(dāng)?shù)卣菩械碾娏π袠I(yè)綠色低碳轉(zhuǎn)型政策密不可分。例如，2023年可再生能源的發(fā)電總量為[1 026，１ １１６]×105 ＭＷh，占總發(fā)電量的比例為18.01%，到2025年可再生能源的發(fā)電總量為[1 245，１ 344]×105 ＭＷh，占總發(fā)電量的比例增長(zhǎng)至19.85%，到2030年可再生能源的發(fā)電總量為[2 168，2 213]×105 ＭＷh，占總發(fā)電量的比例此時(shí)已經(jīng)增長(zhǎng)至28.26%，到2035年可再生能源的發(fā)電總量為[2 817，2 968]×105 ＭＷh，占總發(fā)電量的比例增長(zhǎng)至34.88%。

2.2 碳排放

圖2展示了規(guī)劃期內(nèi)碳排放總量的變化路徑以及碳排放的增長(zhǎng)率變化情況，從圖中可以看出規(guī)劃期內(nèi)碳排放總量先是呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，后面增速逐漸減慢趨于平緩，最后碳排放達(dá)到峰值后開(kāi)始呈逐年下降趨勢(shì)。例如，2023年碳排放總量為[328，335] Mt，到2025年碳排放總量為[365，369] Mt，對(duì)應(yīng)的碳排放年均增速為5.40%，到2030年碳排放總量為[372，373] Mt，此時(shí)的碳排放量已經(jīng)達(dá)到了峰值，所對(duì)應(yīng)的年均增速為0.98%，到2035年碳排放總量為[357，361] Mt，碳排放量呈下降趨勢(shì)，增長(zhǎng)率為-0.68%。

2.3 敏感性分析

為了進(jìn)一步分析價(jià)格等不確定因素對(duì)規(guī)劃結(jié)果帶來(lái)的影響，通過(guò)設(shè)置不同可能性偏好值，針對(duì)價(jià)格等不確定因素對(duì)發(fā)電結(jié)構(gòu)、碳排放、成本和社會(huì)福利的影響進(jìn)行了敏感性分析。4種不同可能性偏好情境下（？姿=0.9，？姿=0.７，？姿=0.５，？姿=0.３）3個(gè)階段碳排放量和平均碳強(qiáng)度如圖3所示。容易看出在4種不同的可能性偏好情境下各規(guī)劃期間碳排放量的差異較大，規(guī)劃期內(nèi)所對(duì)應(yīng)的年平均碳排放量分別為[353，３５７] Ｍt，[340，344] Ｍt，[361，365] Ｍt，[380，３85] Ｍt。由此可見(jiàn)，價(jià)格等不確定因素對(duì)碳排放的影響程度較高。此外，規(guī)劃期內(nèi)的平均碳強(qiáng)度的變化差異同樣很大，表現(xiàn)為不同可能性偏好情景下平均碳排放強(qiáng)度明顯不同。然而，隨著可再生能源發(fā)電占比的增長(zhǎng)，各個(gè)情境下平均碳強(qiáng)度都是呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)。

3 結(jié)論

1）不確定優(yōu)化模型應(yīng)用到區(qū)域電力生產(chǎn)的長(zhǎng)期規(guī)劃中，產(chǎn)生了有效的規(guī)劃結(jié)果，為區(qū)域電力綠色低碳轉(zhuǎn)型提供了有效的參考意見(jiàn)。

2）考慮碳交易和綠色證書(shū)交易下電力的生產(chǎn)規(guī)劃，對(duì)于電力行業(yè)的綠色低碳轉(zhuǎn)型具有著重要的意義。

3）價(jià)格等不確定因素對(duì)碳排放的影響程度較高，規(guī)劃期內(nèi)的平均碳強(qiáng)度的變化差異同樣很大，表現(xiàn)為不同可能性偏好情景下平均碳排放強(qiáng)度明顯不同。

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