考慮發(fā)電商差異與獎懲的增強型可再生能源配額制設(shè)計與仿真

趙文會， 王上佳， 侯建生， 王 輝

（1. 上海電力大學(xué) 經(jīng)濟與管理學(xué)院，上海 200090；2. 國網(wǎng)金華供電公司 經(jīng)濟技術(shù)研究所，金華 321016）

隨著氣候變化的日益加劇和化石燃料的短缺，構(gòu)建以可再生能源 (renewable energy, RE) 為基礎(chǔ)的新型電力系統(tǒng)，已成為世界范圍內(nèi)的普遍目標(biāo)[1]。作為世界最大的能源消費國，中國已承諾在2030 年前實現(xiàn)碳排放達(dá)峰，并爭取2060 年前實現(xiàn)碳中和[2]。發(fā)電行業(yè)作為全國碳排放量中占比最高的行業(yè)，在“30·60”目標(biāo)下尤為值得關(guān)注[3]。2019 年5 月，國家發(fā)改委發(fā)布了《關(guān)于建立健全可再生能源電力消納保障機制的通知》，其標(biāo)志著中國可再生能源配額制 (renewable portfolio standards,RPS)的正式實施[4]。但與歐美國家相對成熟的可再生能源政策相比，我國政策仍處于初級階段，無法滿足可再生能源發(fā)展的需求。因此亟需細(xì)化現(xiàn)行配額制，從售配電側(cè)提高可再生能源消納意愿，為順利實現(xiàn)發(fā)電行業(yè)碳達(dá)峰奠定基礎(chǔ)[5]。

在此背景下，實現(xiàn)發(fā)電行業(yè)由傳統(tǒng)化石能源電力向可再生能源電力轉(zhuǎn)變，是目前實現(xiàn)發(fā)電行業(yè)碳中和的主要研究方向之一。為了解決于此帶來的可再生能源消納問題，配額制與綠色證書交易機制 (tradable green certificate, TGC) 作為發(fā)電行業(yè)的主要政策工具，成為國內(nèi)外學(xué)者的研究焦點。王強等[5]從綠證價格形成機理入手，設(shè)計并完善了我國的綠證交易機制；Bao 等[3]認(rèn)為，綠色證書機制存在固有弊端，會使資金和技術(shù)向低成本的可再生能源類型傾斜，導(dǎo)致高成本的可再生能源如光伏將陷入發(fā)展停滯的狀態(tài)；Zhao 等[6]強調(diào)，綠證市場會對綠證需求側(cè)產(chǎn)生影響，進而增加化石能源發(fā)電商的利潤。Zhang 等[7]認(rèn)為，更高的配額比率可以增加可再生能源的份額，減少碳排放，進而增加社會福利。

通過回顧現(xiàn)有文獻，發(fā)現(xiàn)其鮮有對不同配額主體下的RPS 政策做出對比，大多數(shù)文章只是分析了單一配額主體下RPS 與其他政策的配合問題，并沒有分析不同配額主體的選用對我國電力系統(tǒng)發(fā)展的影響。本文在先前研究的基礎(chǔ)上有如下創(chuàng)新：

a. 分別構(gòu)建了發(fā)電側(cè)與售配電側(cè)配額制模型，分析了兩者對我國可再生能源消納以及電力價格的影響；

b. 設(shè)計了可再生能源發(fā)電商(renewable energy sources, RES)評價體系，該體系反映了發(fā)電技術(shù)帶來的度電成本差異，將發(fā)電商的綜合評分與綠證核發(fā)數(shù)量掛鉤，提高了綠證核發(fā)的科學(xué)性；

c. 在計及發(fā)電商差異的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種考慮獎懲的增強型可再生能源配額制，并就獎懲參數(shù)對配額責(zé)任主體收益的影響進行了分析。

1 可再生能源配額制模型設(shè)計

1.1 模型假設(shè)

a. 假設(shè)市場中存在m個 化石能源發(fā)電商、n個可再生能源發(fā)電商以及l(fā)個售電商。其中，可再生能源發(fā)電商包括風(fēng)力發(fā)電與集中式光伏發(fā)電，售電商主要指電網(wǎng)公司。

b. 假設(shè)售電商在售配電市場上供給給用戶的電價為統(tǒng)一值p′。

c. 綠證在市場中發(fā)放、回收、價格都將受到政府管制，價格假設(shè)為低于政府補貼的固定值pg。

d. 假設(shè)可再生能源發(fā)電商與化石能源發(fā)電商發(fā)電成本為

式中，U，v為反需求函數(shù)參數(shù)，且均大于0。

1.2 區(qū)分發(fā)電商個體的綠證核發(fā)與評價模型

綠色證書是對可再生能源發(fā)電商發(fā)出電量進行確認(rèn)的一種指標(biāo)，現(xiàn)階段國內(nèi)外RPS 對于綠證核發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)基本為1 MWh 可再生能源電力兌換1 張綠證，事實上這種標(biāo)準(zhǔn)并不能反應(yīng)RPS 之間的差異性以及不同發(fā)電技術(shù)帶來的度電成本差異。本節(jié)以陸上風(fēng)電與集中光伏為基礎(chǔ)，制定了衡量發(fā)電商經(jīng)濟與技術(shù)水平的綜合評價指標(biāo)，并使用熵權(quán)法確定不同指標(biāo)的評價權(quán)重，最終得到系統(tǒng)中每個發(fā)電商的綜合得分，該得分可以衡量發(fā)電商在發(fā)電環(huán)節(jié)中應(yīng)得的綠證數(shù)量。

1.2.1 可再生能源發(fā)電商評價指標(biāo)

RES 評價指標(biāo)定義如表1 所示。其中，經(jīng)濟指標(biāo)用于衡量可再生能源發(fā)電商的生產(chǎn)效益與成本，技術(shù)指標(biāo)用于衡量發(fā)電商的發(fā)電電能質(zhì)量。

表1 可再生能源發(fā)電商綜合評價指標(biāo)Tab.1 Comprehensive evaluation metrics of RES

表1 中，Qw和Qu分別為風(fēng)電廠與光伏電廠在一個發(fā)電周期內(nèi)的發(fā)電量；Aw是風(fēng)電廠過風(fēng)面積；Au是 光伏電廠的面板設(shè)計面積；Rw和Ru分別為風(fēng)電廠與光伏電廠設(shè)計造價；Iw和Iu是對應(yīng)電廠在一個發(fā)電周期內(nèi)的收入；Cw和Cu是對應(yīng)電廠的在一個發(fā)電周期內(nèi)的廠用電支出；Pw,max，Pw,av，Pw,min分別代表風(fēng)電廠的設(shè)計功率最大、平均和最小值；Pu,max，Pu,av，Pu,min分別代表光伏電廠的設(shè)計功率最大、平均和最小值；tw和tu是對應(yīng)電廠機組年故障停機時間；Tw和Tu是對應(yīng)電廠的年機組運行時間。

1.2.2 綠證核發(fā)體系

上述評價指標(biāo)可以綜合反映發(fā)電商的經(jīng)濟與技術(shù)情況，但尚不明確指標(biāo)重要程度之間的差異，現(xiàn)使用熵權(quán)法為每一項指標(biāo)分配對應(yīng)的權(quán)重系數(shù)，最后將其標(biāo)準(zhǔn)化為一個綜合評價指標(biāo)得分Γi(0 ＜Γi≤1)。使用熵權(quán)法計算發(fā)電商不同指標(biāo)權(quán)重的步驟如下：[9]

a. 將發(fā)電商i的上述6 項評價指標(biāo)所得數(shù)據(jù)Si1,···,Sij進行標(biāo)準(zhǔn)化，標(biāo)準(zhǔn)化后記為Vi1,···,Vik，使用式(4)進行標(biāo)準(zhǔn)化，Si1,···,Sij與Vi1,···,Vik均大于0。

b. 求發(fā)電商i各項指標(biāo)值的比重βij

c. 計算各指標(biāo)的信息熵Ej

d. 計算各指標(biāo)的權(quán)重值ωj

e. 計算發(fā)電商的最終評價指標(biāo)得分真值

f. 并進行歸一化得到最終評價指標(biāo)得分

1.3 可再生能源配額分配模型

1.3.1 配額目標(biāo)

配額目標(biāo) λ用于指導(dǎo)配額主體承擔(dān)可再生電力消納責(zé)任，在構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的背景下，合理設(shè)置配額目標(biāo)是有效促進可再生能源發(fā)展的關(guān)鍵。根據(jù)現(xiàn)階段我國政策[4]，本文采用的最低配額目標(biāo)為15%，激勵配額目標(biāo)為16.5%。

1.3.2 配額完成度

配額完成度 ξk用于考量配額主體本期的配額完成情況，本期售電商購入的綠電與綠證之和將記為本期已完成的配額電量，售電商配額完成度的計算公式為

式中：Qsg,k是售電商k本期購入的綠電電量；qsg,k是 售電商k本期購買的綠證所代表的綠電電量；Qrg,k為 售電商k的本期的配額電量。

1.3.3 配額分配

當(dāng)配額責(zé)任主體沒有按要求完成配額目標(biāo)時會受到懲罰，超額完成配額目標(biāo)時會受到激勵。考慮到不同售電商在區(qū)域內(nèi)的市場份額以及上期配額完成程度的不同，本期售電商配額將由上期的售電量在區(qū)域內(nèi)占比 η′k、上期配額比例完成度系數(shù) ε′k、以及本期本區(qū)域應(yīng)完成的配額電量決定，計算式為

1.3.4 激勵與罰金

罰金在可再生能源消納過程中起到了督促作用，因此合理設(shè)置罰金的大小關(guān)系到電力市場與綠證市場的正常運行[10]。罰金與獎勵FBk的定義方式為

當(dāng)本期配額未完成時( 0 ≤ξk＜1)，售電商需要向地方監(jiān)管部門支付罰金。罰金等于本期未完成的配額電量與單位罰金 γpg的乘積，單位罰金設(shè)置為綠證價格的 γ倍。由《關(guān)于建立健全可再生能源電力消納保障機制的通知》可知，當(dāng)配額主體當(dāng)期完成配額比例比 λ多1.5%時將會得到激勵， β為激勵系數(shù)。當(dāng) 1 ≤ξk＜1.015時，售電商不需要繳納罰金，也不會收到激勵。

1.4 博弈模型

在電力市場與綠證市場上，市場參與者包括可再生能源發(fā)電商、化石能源發(fā)電商與售電商，這三者均以自身利潤最大化為目標(biāo)，因此構(gòu)成博弈模型[11-12]。

1.4.1 可再生能源發(fā)電商

可再生能源發(fā)電商i的 利潤 Πg,i為

其中qg,i為綠證出售量。

發(fā)電商發(fā)電出力受到機組安全工作區(qū)間約束，即

式中，Qgmin，Qgmax分別為當(dāng)期可再生能源發(fā)電商i可以發(fā)出的最小和最大電量。

可再生能源發(fā)電商i當(dāng)期的綠證交易量應(yīng)小于等于其當(dāng)期的綠證擁有量，即

綠證市場上進行交易的售電商買入綠證個數(shù)應(yīng)等于可再生能源發(fā)電商賣出的綠證個數(shù)，即

1.4.2 化石能源發(fā)電商

化石能源發(fā)電商的利潤函數(shù) Πc,j為

化石能源發(fā)電商發(fā)電出力受到機組安全工作區(qū)間約束，即

式中，Qcmin，Qcmax分別為當(dāng)期化石能源發(fā)電商j可以發(fā)出的最小與最大電量。

1.4.3 售電商

根據(jù)中國國內(nèi)目前的市場結(jié)構(gòu)可知，市場上的可再生能源發(fā)電量遠(yuǎn)小于政策所規(guī)定的全社會需要消納的配額電量，因此售電商必須購買一定的綠證來補充其應(yīng)盡的消納責(zé)任[13]。因此售電商的收益 Πs,k為

售電商賣出電量一定小于購入電量，即

售電商的買入電量之和一定小于各發(fā)電商總發(fā)出電量，即

1.4.4 基于利潤最大化的最優(yōu)決策模型

各市場參與主體均以其各自利潤最大化為目標(biāo)，則最優(yōu)決策模型為

求解上述條件可以得到化石能源發(fā)電商的最優(yōu)發(fā)電出力和最優(yōu)利潤分別為

同理，可以得到可再生能源發(fā)電商的最優(yōu)發(fā)電出力和最優(yōu)利潤分別為

求解可得售電商最優(yōu)售電量為

通過上述分析，本文給出了最優(yōu)利潤目標(biāo)下的博弈均衡解，接下來將通過具體的計算仿真，討論不同情景下的電力價格與市場主體收益變化情況。

2 算例分析

2.1 情境設(shè)計

本文設(shè)立3 種情景模式，在此基礎(chǔ)上進行算例分析，3 種情景如表2 所示。

表2 情景設(shè)計Tab.2 Scenario design

a. RFO 情景依照文獻[14]中采用的發(fā)電側(cè)配額制，規(guī)定化石能源發(fā)電商為配額責(zé)任主體。在本情景下火電商利潤如式(38)所示。Fd,j為定額罰金，設(shè)置為綠證價格的 γ倍，本情景下取固定值γ=0.1，如式(39) 所示。售電商的利潤函數(shù)如式(40)所示。其他參數(shù)設(shè)計不變。

b. RRO 情景依照售配電測配額制，規(guī)定售電商為責(zé)任主體。在本情景下，售電商的利潤函數(shù)為

式中，F(xiàn)k為罰金。

罰金的大小應(yīng)正比于售電商當(dāng)期的未完成配額電量，單位罰金規(guī)定為綠證價格的 γ倍，取固定值 γ=0.1，如式(42)所示。其他參數(shù)設(shè)計不變。

c. 情景3（ERPS）為本文第1 章中設(shè)計的增強型可再生能源配額模型。

2.2 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備與評價結(jié)果分析

2.2.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

采用Matlab 進行仿真，現(xiàn)使用國內(nèi)10 家光伏發(fā)電商與10 家風(fēng)能發(fā)電商作為市場主體中的可再生能源發(fā)電商，另外選用10 家化石能源發(fā)電商共30 家作為市場主體中的發(fā)電商主體，選取3 家售電商作為配額責(zé)任主體，所涉及的基本數(shù)據(jù)[8,10,15-18]見表3 和表4。

表3 基本參數(shù)ⅠTab.3 Basic parameters Ⅰ

表4 基本參數(shù)ⅡTab.4 Basic parameters Ⅱ

2.2.2 評價結(jié)果分析

使用前述計算方法對不同發(fā)電商進行分析與打分，可以得到這些可再生能源發(fā)電商的綜合指標(biāo)得分。圖1 可以清楚地反映發(fā)電商當(dāng)期所擁有的綠證數(shù)量與發(fā)電量之間的比例關(guān)系，圖中柱上的數(shù)字代表該發(fā)電商的評價得分。可以看到發(fā)電商Gg,17的得分為滿分，其將成為“標(biāo)準(zhǔn)可再生能源發(fā)電商”。

圖1 可再生能發(fā)電商發(fā)電量與綠證擁有量Fig.1 Renewable energy generators generation and greencertificate ownership

2.3 發(fā)電側(cè)配額制下的的收益分析

RFO 情景下，由于責(zé)任主體為化石能源發(fā)電商，售電商收益僅由市場電價和購電量決定，因此僅需分析另外兩者的利潤以及電力市場電價。帶入算例可以得到圖2，其反映了市場中全部發(fā)電商的利潤總和隨配額比率的變化情況。由圖可知，隨著政府逐步提高配額目標(biāo)，化石能源發(fā)電商的利潤將會逐步下降，而下降的速度隨著RPS比率的增大逐步減緩。可再生能源發(fā)電商的利潤則會逐步上升，上升的速度同樣隨著RPS 比率的增加逐步減緩，當(dāng)RPS 比率大于30%后，其利潤上升速度明顯變緩。

圖2 RFO 情景下發(fā)電商利潤總和變化情況Fig.2 Profits of all generators under the RFO scenario

表5 則展示了不同規(guī)模化石能源發(fā)電商在RPS 比率變化時收益的變化情況，該表按照化石能源發(fā)電商的裝機容量從左到右降序排列。從中可以看出，當(dāng)RPS 從0.15 上升到0.25 時，各家發(fā)電商的利潤下降均在48%左右。考慮到不同發(fā)電商之間的規(guī)模差異，面對同樣比率的收益下降，規(guī)模更小的發(fā)電商退出市場的概率將增大。這種情況說明，發(fā)電側(cè)的RPS 政策可以快速有效地淘汰建造時間較為久遠(yuǎn)、機組排放較大的小型化石能源發(fā)電商。綜上所述，發(fā)電側(cè)配額制在相同RPS 比率上升區(qū)間內(nèi)，可以通過加速淘汰高排放的小型機組達(dá)到快速優(yōu)化電源結(jié)構(gòu)、促進減排的目的。

表5 化石能源發(fā)電商在不同配額下的收益情況Tab.5 Benefits for fossil energy generators under different RPS ratios

續(xù)表 5

圖3 反映了RFO 情景下的電力市場價格的變化情況，電力市場價格隨著RPS 比率的增大迅速增加，在RPS 比率上升至40%之前，電價上升十分迅速，且最終達(dá)到較高水平。快速上升的電價將會擠壓售電商的利潤空間，雖然本文假設(shè)售配電價為固定值，但在實際市場上，電力市場的價格必然會傳導(dǎo)至用戶，從而導(dǎo)致二級市場電價上升明顯，進而導(dǎo)致社會福利損失[19]。

圖3 RFO 情景下的電力市場價格Fig.3 Electricity market price under RFO scenario

2.4 售配電側(cè)配額制下的收益分析

RRO 情景下的責(zé)任主體為售電商，圖4 反映了市場主體各自的利潤總和隨RPS 比率的變化情況，圖5 反映了同期的電力市場價格變化情況。從中可看到，在政策施行初期，三者的利潤均未產(chǎn)生較大變化。當(dāng)RPS 比率從20% 上升至30%時，可再生能源發(fā)電商的利潤出現(xiàn)了明顯上漲，化石能源發(fā)電商的利潤下降較大，但同期電力市場價格的穩(wěn)定在344 元/MW。根據(jù)化石能源發(fā)電商的利潤函數(shù)，當(dāng)p不變時，其利潤函數(shù)在研究范圍內(nèi)是發(fā)電量Qc,j的單調(diào)增函數(shù)，即化石能源發(fā)電商利潤的下降是由其發(fā)電量減少造成的。當(dāng)RPS比率大于30%后，可再生能源發(fā)電商的收益趨近平穩(wěn)，其均衡收益與RFO 情景差別不大。

圖4 RRO 情景下市場主體利潤變化情況Fig. 4 Profit changes of market players under the RRO scenario

圖5 RRO 情景下電力市場價格變化情況Fig. 5 Electricity market price changes under the RRO scenario

對比RRO 與RFO 情景，兩者雖然都可以通過削減化石能源發(fā)電商的利潤來逐步淘汰高排放的火電機組，但RRO 情景下的電力市場價格在政策實施初期上升較為平緩，降低了對二級市場電價的沖擊，且最終均衡值也較RFO 情景的低。當(dāng)RPS比率大于0.3 時，利潤的下降將急劇變大，高排放的化石能源發(fā)電商將會被立刻淘汰，為可再生能源發(fā)電商留出市場，進一步提高可再生能源發(fā)電商的利潤上升空間，從而實現(xiàn)由化石能源向可再生能源的轉(zhuǎn)變。綜上所述，售配電側(cè)配額制相較于發(fā)電側(cè)配額制在政策推行初期更有利于二級電力市場穩(wěn)定。

2.5 增強型配額制下的收益分析

圖6 給出了當(dāng)RPS 比率為0.15，0.40，0.60 時，售電商收益隨激勵系數(shù) β與罰金系數(shù) γ的變化情況。

圖6 售電商利潤的變化情況Fig. 6 Profit changes of retailers

可以看出，隨著激勵系數(shù)的增大，售電商利潤上升十分明顯，售電商收到的激勵正比于當(dāng)期售電商的超額完成配額量。但當(dāng) β ＞0.6時，激勵對售電商的刺激程度明顯減弱，隨著 β的進一步增大，售電量利潤變化幅度并不明顯。此外，罰金系數(shù) γ對售電商利潤的影響也較為直觀，隨著 γ的增大，售電商利潤也隨之減小，同樣當(dāng) β ＞0.6時，罰金對售電商利潤的影響程度明顯減弱。因此可以發(fā)現(xiàn) β對售電商利潤的刺激存在壁壘，當(dāng)管理者對配額責(zé)任主體同時施行激勵與懲罰政策時，需要綜合考慮 β 與 γ的取值，從而避免政策失效。綜合對比RRO 與ERPS 情景下的售電商收益情況可以發(fā)現(xiàn)，由于激勵的加入，當(dāng)懲罰系數(shù)一定時，ERPS 下的收益將明顯改善，售電商為了獲取超額收益，將會超額完成當(dāng)期配額，從而實現(xiàn)可再生能源消納從被動向主動的轉(zhuǎn)變。

3 結(jié) 語

針對我國發(fā)展現(xiàn)狀，分析了不同主體配額制對可再生能源消納的效果，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了考慮配額責(zé)任主體差異與獎懲的增強型可再生能源配額制。結(jié)果表明：

a. 售配電側(cè)RPS 相較于發(fā)電側(cè)的RPS 而言，在政策施行初期帶來的電價上漲幅度較為平緩，因此更有助于降低對二級電力市場的沖擊，且在政策推行后期可以有效降低化石能源發(fā)電商收益，從而間接促進可再生能源發(fā)展。

b. 增強型配額制主要體現(xiàn)在對配額責(zé)任主體的獎懲制度上，仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)獎勵政策存在壁壘（體現(xiàn)在獎勵系數(shù) β上），超過該壁壘將導(dǎo)致獎懲政策失靈，因此監(jiān)管者在設(shè)置獎懲系數(shù)時需要綜合考慮 β 與 γ的取值。

c. 增強型配額制的實施可以通過改善售電商的收益情況，進一步促進可再生能源消納。

本文提出的增強型配額制適用于我國構(gòu)建新型電力系統(tǒng)，有助于通過監(jiān)管實現(xiàn)促進可再生能源消納的目的。