可再生能源配額制下電力市場(chǎng)多主體交易決策優(yōu)化模型

王 輝，張芮丹，王軍杰，薛 璐

(上海電力大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，上海 200090)

在化石能源不斷消耗和環(huán)境持續(xù)污染的背景下，可再生能源的發(fā)展成為全球關(guān)注的熱點(diǎn)。相對(duì)常規(guī)能源，可再生能源具有對(duì)環(huán)境友好和可持續(xù)發(fā)展的優(yōu)勢(shì)，為促進(jìn)可再生能源的消納和發(fā)展，各國均出臺(tái)了相應(yīng)的政策目標(biāo)[1]。2016年, 國家發(fā)改委發(fā)布的“十三五”規(guī)劃指出，為保障2020年實(shí)現(xiàn)可再生能源占到一次能源消費(fèi)比重15%的目標(biāo)，實(shí)施了可再生能源配額制(renewable portfolio standard，RPS)。美國、德國、瑞典、韓國等多個(gè)國家開展實(shí)施了RPS[2]，并有研究表明RPS加快了可再生能源的發(fā)展[3]。2018年11月,國家能源局發(fā)布第三版《關(guān)于實(shí)行可再生能源電力配額制的通知》[4](以下簡稱《通知》)。隨著中國新一輪電力改革的不斷深入推進(jìn)，2019年1月1日起，配額考核正式施行。根據(jù)最新發(fā)布的《通知》，可再生能源配額制及其配套的綠色證書交易(tradable green certification,TGC)機(jī)制，作為配額考核主體之一的售電商要承擔(dān)一定比例的配額義務(wù)。電力市場(chǎng)與綠色證書交易市場(chǎng)之間存在緊密的聯(lián)系，配額考核政策的落實(shí)將對(duì)電力市場(chǎng)各主體的經(jīng)營決策產(chǎn)生重要影響。因此，研究RPS對(duì)電力市場(chǎng)各主體交易決策的影響，對(duì)于促進(jìn)可再生能源的發(fā)展，優(yōu)化電力市場(chǎng)與綠證市場(chǎng)的協(xié)同運(yùn)行具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

目前，關(guān)于可再生能源和配額制的研究主要集中在對(duì)發(fā)電商策略行為、對(duì)電力市場(chǎng)價(jià)格和市場(chǎng)能源結(jié)構(gòu)這三個(gè)方面。康重慶等[5]在總結(jié)外國可再生能源參與市場(chǎng)的經(jīng)驗(yàn)和交易模式的基礎(chǔ)上，分析了中國可再生能源的發(fā)展現(xiàn)狀、市場(chǎng)結(jié)構(gòu)和未來研究方向，為可再生能源參與市場(chǎng)提供了參考。Pineda等[6]提出可再生能源已成為電力供給的重要來源，可再生能源配額制能有效地加快可再生能源的發(fā)展。Alizada[7]探討了上網(wǎng)電價(jià)和可再生能源配額制這兩種可再生能源政策在全球的發(fā)展進(jìn)程。肖云鵬等[8]聯(lián)系可再生能源在各國發(fā)展的實(shí)際，總結(jié)了含有高比例可再生能源的電力市場(chǎng)上的最新研究，提出了中國面向高比例可再生能源的關(guān)鍵問題。面對(duì)中國可再生能源消納帶來的挑戰(zhàn)，馬子明等[9]構(gòu)建了基于配額制的國家可再生能源市場(chǎng)出清模型以及省級(jí)日前市場(chǎng)出清模型，為可再生能源的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)和消納問題提供了新思路。余順坤等[10]面對(duì)可再生能源發(fā)展的復(fù)雜性，利用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型分析了考慮配額制的可再生能源動(dòng)態(tài)發(fā)展。劉敦楠等[11]針對(duì)電力市場(chǎng)上新能源比例不斷增加的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了可再生能源替代利益補(bǔ)償偏差的計(jì)算辦法。孫誼媊等[12]基于綠色證書交易機(jī)制提出了發(fā)電商和電力交易中心的非合作博弈雙層優(yōu)化模型，該模型可促進(jìn)可再生能源消納并提高發(fā)電商收益。以中國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)為例，Zhang等[13]建立了基于上網(wǎng)電價(jià)和可再生能源配額制的可再生能源發(fā)電產(chǎn)業(yè)長期發(fā)展的模型。

目前，前人研究多假設(shè)發(fā)電商作為配額承擔(dān)主體，但最新的《通知》已經(jīng)明確規(guī)定配額承擔(dān)主體之一為售電商。在可再生能源配額制下，售電商作為配額承擔(dān)主體參與綠色證書交易市場(chǎng)和電力市場(chǎng)交易的研究還較少。基于此，以常規(guī)能源發(fā)電商、可再生能源發(fā)電商和售電商為研究對(duì)象，研究可再生能源配額制和綠色證書交易制度對(duì)電力市場(chǎng)的影響，建立以各市場(chǎng)主體利益最優(yōu)為目標(biāo)的電力市場(chǎng)均衡模型。通過算例仿真驗(yàn)證所構(gòu)建模型的可行性，并探討當(dāng)可再生能源配額占比不斷變化時(shí)對(duì)各電力市場(chǎng)主體行為策略的影響。

1 RPS下電力交易市場(chǎng)架構(gòu)

RPS下常規(guī)能源發(fā)電商和可再生能源發(fā)電商與電力市場(chǎng)和綠色證書交易市場(chǎng)的交易架構(gòu)如圖1所示。常規(guī)能源發(fā)電商生產(chǎn)的常規(guī)火電和可再生能源發(fā)電商生產(chǎn)的可再生綠電在電力市場(chǎng)上通過產(chǎn)量競(jìng)爭(zhēng)來獲取市場(chǎng)份額，同時(shí)可再生能源發(fā)電商可在綠色證書交易市場(chǎng)上出售對(duì)應(yīng)的綠色證書。由于可再生能源發(fā)電商的可再生綠電在電力市場(chǎng)上和常規(guī)火電不進(jìn)行區(qū)分，售電商為完成配額要求，只能在綠色證書交易市場(chǎng)上通過綠色證書交易來完成。因此，監(jiān)管機(jī)構(gòu)對(duì)配額義務(wù)的承擔(dān)者售電商進(jìn)行監(jiān)管，約束售電商在綠色證書交易市場(chǎng)上積極參與綠證交易以完成配額義務(wù)，保證可再生能源的消納。各電力市場(chǎng)交易主體在電力市場(chǎng)和綠色證書交易市場(chǎng)上的不同策略行為將對(duì)這兩個(gè)市場(chǎng)產(chǎn)生互相影響。

圖1 RPS下的電力交易市場(chǎng)架構(gòu)

RPS下各電力市場(chǎng)主體供應(yīng)關(guān)系如圖2所示，常規(guī)能源發(fā)電商出售常規(guī)火電，可再生能源發(fā)電商出售可再生綠電和綠色證書，售電商按照配額要求和用戶負(fù)荷預(yù)測(cè)進(jìn)行購買。

圖2 RPS下各電力市場(chǎng)主體供應(yīng)關(guān)系

2 RPS下各市場(chǎng)主體最優(yōu)利潤模型

2.1 模型假設(shè)

(1)考慮可再生能源配額制對(duì)發(fā)電商和售電商市場(chǎng)行為的影響，在配額制的約束下，售電商需要承擔(dān)配額考核義務(wù)，配額比例為α。

(2)在電力市場(chǎng)上，常規(guī)能源發(fā)電商和可再生能源發(fā)電商作為發(fā)電側(cè)市場(chǎng)主體展開競(jìng)爭(zhēng)，市場(chǎng)交易電價(jià)與市場(chǎng)需求電量呈逆需求函數(shù)[14]：

(1)

式(1)中：Ps為市場(chǎng)的交易價(jià)格；Qc,i、Qr,j分別為常規(guī)能源發(fā)電商和可再生能源發(fā)電商的市場(chǎng)交易電量；A、d分別為市場(chǎng)電價(jià)供應(yīng)函數(shù)系數(shù)；I、J分別為常規(guī)能源發(fā)電商和可再生能源發(fā)電商的數(shù)量。

2.2 發(fā)電商的最優(yōu)利潤模型

根據(jù)第三版《可再生能源電力配額制征求意見稿》，各類發(fā)電企業(yè)不承擔(dān)可再生能源配額義務(wù)，售電公司、參與電力直接交易的電力用戶和擁有自備電廠的企業(yè)需要承擔(dān)配額考核，即發(fā)電商不受配額約束，售電商將接受配額考核。在電力市場(chǎng)上，常規(guī)能源發(fā)電商通過出售常規(guī)電力獲利，可再生能源發(fā)電商除出售可再生能源電力，還可在綠色證書交易市場(chǎng)上出售綠色證書以獲取經(jīng)濟(jì)利益。

2.2.1 常規(guī)能源發(fā)電商最優(yōu)利潤

常規(guī)能源發(fā)電商i(i=1,2,…，I)的發(fā)電成本和邊際電價(jià)較低，在電力市場(chǎng)上占據(jù)一定優(yōu)勢(shì)。常規(guī)能源發(fā)電商的利潤由其在電力市場(chǎng)上的交易收益與發(fā)電成本組成，其決策目標(biāo)為實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)利益最大化，最優(yōu)利潤模型為

maxTi=PsQc,i-Ci

(2)

式(2)中：Ti為配額制下常規(guī)能源發(fā)電商的收益；Qc,i為常規(guī)能源發(fā)電商的成交電量；Ci為常規(guī)能源發(fā)電商的發(fā)電成本。常規(guī)能源發(fā)電商的二次成本函數(shù)[15]為

Ci=ai(Qc,i)2+biQc,i+ci

(3)

常規(guī)能源發(fā)電商的成交電量在機(jī)組的安全出力區(qū)間內(nèi)：

(4)

2.2.2 可再生能源發(fā)電商最優(yōu)利潤

可再生能源相比于常規(guī)能源具有可持續(xù)、對(duì)環(huán)境友好等正外部性，實(shí)施配額制在有效減小常規(guī)火電對(duì)環(huán)境產(chǎn)生負(fù)外部性的同時(shí)，對(duì)可再生能源的消納起了重要的推動(dòng)作用。可再生能源發(fā)電商j(j=1,2,…，J)的利潤包括在電力市場(chǎng)上的交易收益，在綠色證書交易市場(chǎng)上的綠證收益，再減去發(fā)電成本，其決策目標(biāo)為實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)利益最大化，最優(yōu)利潤模型為

maxTj=PsQr,j+PlQl-Cj

(5)

其中，可再生能源發(fā)電商在綠色證書交易市場(chǎng)上的綠色證書價(jià)格隨著市場(chǎng)對(duì)綠證的需求變化而變化，綠證價(jià)格的供應(yīng)函數(shù)為[14]

(6)

式中：Tj為配額制下可再生能源發(fā)電商的收益；Qr,j為可再生能源發(fā)電商的成交電量；Pl、Ql分別為可再生能源發(fā)電商出售的綠色證書價(jià)格和電量；B、f為綠證價(jià)格隨綠證需求變化的供應(yīng)函數(shù)系數(shù)。

與常規(guī)能源發(fā)電商相比，可再生能源發(fā)電商雖然沒有燃料消耗成本，但因其強(qiáng)烈的間歇性、波動(dòng)性和不確定性，發(fā)電成本中運(yùn)行維修成本和備用成本較高，根據(jù)文獻(xiàn)[16]，假設(shè)可再生能源發(fā)電商具有如式(7)所示的二次成本函數(shù)：

Cj=aj(Qr,j)2+bjQr,j+cj

(7)

可再生能源發(fā)電商的成交電量在機(jī)組的安全出力區(qū)間內(nèi)：

(8)

2.3 售電商的最優(yōu)利潤模型

根據(jù)可再生能源配額制，售電商需承擔(dān)配額要求，即購電總量中綠色電力占比需達(dá)到α，售電商可向常規(guī)能源發(fā)電商和可再生能源發(fā)電商購買電力，然后在綠色證書交易市場(chǎng)購買一定比例的綠色證書來完成可再生能源配額。

為約束售電商和發(fā)電商簽約的合同電量與用戶實(shí)際用電電量保持一定的平衡,對(duì)售電商超出一定范圍的偏差電量進(jìn)行考核，即偏差考核。參考文獻(xiàn)[11]，假設(shè)該地區(qū)的允許偏差范圍為[β%,γ%]，售電商的偏差量為ΔQd。則當(dāng)偏差量ΔQd小于β%時(shí)偏差電量為Qd-；當(dāng)偏差量ΔQd大于γ%時(shí)偏差電量為Qd+；當(dāng)偏差量ΔQd為β%～γ%時(shí)，不懲罰，計(jì)算方式如式(9)所示：

ΔQd=Qa-Qp

(9)

(10)

(11)

則售電商k的偏差考核收益為

Td=PdQe

(12)

式中：Td為售電商k的偏差考核收益；Qp為售電商預(yù)測(cè)用戶電量；Qa為用戶實(shí)際用電量；Qe為考核電量；Pd為懲罰電價(jià)；Sd+和Sd-為懲罰電價(jià)的上、下邊界。

售電商的利潤為出售電力所得的交易收益，減去其所有成本。成本包括在電力市場(chǎng)上向常規(guī)能源發(fā)電商和可再生能源發(fā)電商的購電成本，在綠色證書交易市場(chǎng)上購買的綠證成本，以及偏差考核成本。售電商的決策目標(biāo)為實(shí)現(xiàn)自身經(jīng)濟(jì)利益最大化，綜上所述，其最優(yōu)利潤模型為

(13)

式(13)中：Ts為配額制下售電商的收益；Py、Qy為售電商與用戶的約定電價(jià)和電量。

2.4 約束條件

在強(qiáng)制配額義務(wù)與其配套的綠色證書交易機(jī)制的約束下，售電商的總購電量中綠電占比需達(dá)到或超過α，則

(14)

由式(14)可知，配額占比α可以影響常規(guī)電力和綠電在電力市場(chǎng)上的市場(chǎng)占有率。

3 RPS下各市場(chǎng)主體最優(yōu)決策

假設(shè)市場(chǎng)采用統(tǒng)一出清方式進(jìn)行出清，利用逆向歸納法求解各電力市場(chǎng)主體最優(yōu)交易決策。假設(shè)某電力市場(chǎng)上有兩家常規(guī)能源發(fā)電商G1和G2，兩家可再生能源發(fā)電商G3和G4，他們的預(yù)測(cè)交易電量分別為Q1、Q2、Q3和Q4。

3.1 常規(guī)能源發(fā)電商最優(yōu)交易電量

首先，常規(guī)能源發(fā)電商以初始售電量Qi進(jìn)行博弈，追求目標(biāo)函數(shù)收益Ti最大：

(15)

可求出常規(guī)能源發(fā)電商最優(yōu)售電量Q1和Q2：

(16)

(17)

3.2 可再生能源發(fā)電商最優(yōu)交易電量

可再生能源發(fā)電商以初始售電量Qj進(jìn)行博弈，追求目標(biāo)函數(shù)收益Tj最大：

(18)

可求出可再生能源發(fā)電商最優(yōu)售電量Q3和Q4：

(19)

(20)

3.3 售電商最優(yōu)交易電量

售電商以購電量Qs進(jìn)行博弈：

(21)

可求出售電商對(duì)應(yīng)的購電量Qs：

(22)

3.4 各市場(chǎng)主體最優(yōu)交易價(jià)格

根據(jù)等量傳遞公式[17]，令Q1+Q2+Q3+Q4=Qs，最后將Q1、Q2、Q3、Q4代入式(1)，即可推導(dǎo)出市場(chǎng)均衡狀態(tài)下的市場(chǎng)交易價(jià)格Ps的表達(dá)式：

Ps=A-d(Q1+Q2+Q3+Q4)

(23)

4 算例分析

4.1 數(shù)據(jù)假設(shè)及各發(fā)電商參數(shù)

假設(shè)在某電力市場(chǎng)上有4家發(fā)電商參與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，各發(fā)電商的基本參數(shù)如表1所示。

表1 發(fā)電商基本參數(shù)

其中，G1、G2為常規(guī)能源發(fā)電商，G3、G4為可再生能源發(fā)電商，同時(shí)，該電力市場(chǎng)中售電商對(duì)用戶的售電價(jià)按照當(dāng)前市場(chǎng)平均價(jià)格475 元/(MW·h)計(jì)算。其余參數(shù)選取及基準(zhǔn)值的確定如表2所示。

表2 參數(shù)選取及基準(zhǔn)值確定

為分析配額制對(duì)市場(chǎng)各參與主體的影響，假設(shè)Q1、Q2、T1、T2和Q3、Q4、T3、T4分別為常規(guī)能源發(fā)電商G1、G2及可再生能源發(fā)電商G3、G4的交易量和收益。

4.2 RPS對(duì)各發(fā)電商交易電量的影響

在不受配額約束時(shí)，相對(duì)于可再生能源發(fā)電商，常規(guī)能源發(fā)電商發(fā)電成本、邊際電價(jià)較低，在電力市場(chǎng)上競(jìng)標(biāo)電價(jià)和電量均占有優(yōu)勢(shì)，市場(chǎng)份額遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于可再生能源發(fā)電商，使得可再生能源發(fā)電消納問題嚴(yán)重。

為了解決和激勵(lì)可再生能源消納，在市場(chǎng)上引入可再生能源配額制及其配套的綠色證書交易制度，由圖3可知，隨著市場(chǎng)上配額的逐漸增加，為避免因未完成配額被列入不良信用記錄的聯(lián)合懲罰，售電商作為配額承擔(dān)主體，在電力市場(chǎng)上會(huì)隨著配額的增加而加大與可再生能源發(fā)電商的可再生能源電力購買數(shù)量。當(dāng)售電商向可再生能源發(fā)電商購買可再生能源電力的電量不足以滿足配額要求時(shí)，售電商將在綠色證書交易市場(chǎng)上購買綠色證書用以補(bǔ)足配額要求，與此同時(shí)，售電商將逐漸減少常規(guī)能源發(fā)電的購買數(shù)量。由此可見，配額制的實(shí)施能有效地推進(jìn)可再生能源電力的生產(chǎn)和消納，考慮到常規(guī)能源發(fā)電對(duì)環(huán)境帶來的負(fù)面影響，實(shí)行配額制對(duì)環(huán)境有正的促進(jìn)作用。

圖3 RPS對(duì)各發(fā)電商交易量的影響

4.3 RPS對(duì)各發(fā)電商利潤的影響

不同配額指標(biāo)對(duì)常規(guī)能源發(fā)電商和可再生能源發(fā)電商利潤的影響如圖4所示。

圖4 RPS對(duì)各發(fā)電商利潤的影響

由圖3可知，隨著配額需求的不斷增大，常規(guī)能源發(fā)電商G1和G2的發(fā)電量逐漸減少，可再生能源發(fā)電商G3和G4的發(fā)電量不斷增加。與此對(duì)應(yīng)的，如圖4所示，隨著配額的不斷遞增，G1和G2的利潤由于與售電商在電力市場(chǎng)上的購買量的減少而呈遞減趨勢(shì)，與之相反，G3和G4的利潤隨著售電商在電力市場(chǎng)上購買量的增加呈較快遞增趨勢(shì)。可見，配額對(duì)可再生能源的正向激勵(lì)不斷擴(kuò)大，有利于可再生能源的進(jìn)一步消納和持續(xù)發(fā)展。

4.4 RPS對(duì)售電商利潤的影響

由于售電商作為配額承擔(dān)主體，向發(fā)電商購買的電量中可再生能源占比需達(dá)到α，而現(xiàn)階段可再生能源電價(jià)因其發(fā)電成本較高，導(dǎo)致邊際電價(jià)較常規(guī)能源偏高，隨著配額不斷增加，售電商需要同比增加可再生能源電量和綠色證書的購買。而售電商的售電電價(jià)無法隨著自身購電成本的不斷增加而同步增加，如圖5可知，這就導(dǎo)致售電商的利潤隨著配額的增加而呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)。隨著市場(chǎng)不斷的壓縮售電商的利潤，售電商為了增加利潤，未來將向著多能源互補(bǔ)，電力綜合能源服務(wù)的方向，擴(kuò)充自身的服務(wù)類型和業(yè)務(wù)范圍。

圖5 RPS對(duì)售電商利潤的影響

4.5 RPS對(duì)電力市場(chǎng)交易價(jià)格的影響

圖6為配額占比變化下市場(chǎng)交易電價(jià)的變化情況，配額制的實(shí)施雖然有利于可再生能源電力的消納，但也使得電力市場(chǎng)的交易價(jià)格提高。

圖6 RPS對(duì)電力市場(chǎng)交易價(jià)格的影響

綜上所述，配額制對(duì)環(huán)境有正的促進(jìn)作用，有利于可再生能源的消納與發(fā)展，對(duì)可再生能源發(fā)電商的激勵(lì)作用明顯，但對(duì)常規(guī)能源發(fā)電商來說是促進(jìn)其市場(chǎng)轉(zhuǎn)型的重要舉措，常規(guī)能源將更多的承擔(dān)起調(diào)峰調(diào)壓的作用。可再生能源發(fā)電商通過在綠色證書交易市場(chǎng)對(duì)綠色證書進(jìn)行出售，能夠分?jǐn)偲漭^高的生產(chǎn)成本，減輕政府的可再生能源補(bǔ)貼壓力。但是隨著可再生能源發(fā)電商的市場(chǎng)份額不斷增加，可再生能源發(fā)電的不確定性和間歇性可能會(huì)對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行帶來波動(dòng)，對(duì)電力市場(chǎng)運(yùn)行帶來一定的風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié)論

通過對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析，結(jié)合中國電力市場(chǎng)和可再生能源的發(fā)展情況，對(duì)各電力市場(chǎng)主體和可再生能源配額制之間的協(xié)同發(fā)展得出以下結(jié)論。

(1)構(gòu)建出基于可再生能源配額制的結(jié)合電力市場(chǎng)和綠色證書交易市場(chǎng)的最優(yōu)策略模型，用于研究常規(guī)能源發(fā)電商、可再生能源發(fā)電商和售電商在配額發(fā)生變化時(shí)的策略影響。

(2)實(shí)施可再生能源配額制及其配套的綠色證書交易制度能夠有效地促進(jìn)可再生能源電力的消納，減輕政府的補(bǔ)貼負(fù)擔(dān)。隨著配額需求的不斷增加，可再生能源的市場(chǎng)占有率會(huì)持續(xù)增大，售電商和常規(guī)能源發(fā)電商的效益會(huì)有明顯下降。根據(jù)可再生能源發(fā)電的特點(diǎn)，高份額的市場(chǎng)占有率會(huì)對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行帶來潛在風(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)這類問題，應(yīng)加快可再生能源技術(shù)更新，降低可再生能源發(fā)電的成本，從而降低可再生能源電力價(jià)格，對(duì)于常規(guī)能源發(fā)電商來說未來需要更多的承擔(dān)起維持電力市場(chǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的調(diào)節(jié)作用。

(3)隨著可再生能源配額制的正式實(shí)施，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)愈加激烈。各電力市場(chǎng)主體在制定交易決策時(shí)，可綜合考慮用戶的用電偏好和需求響應(yīng)對(duì)交易決策的影響，以實(shí)現(xiàn)交易決策的進(jìn)一步優(yōu)化。