考虑碳排放价格的电力市场均衡分析

第 3 卷 第 9 期 智 能 电 网 Vol. 3 No. 9 2015 年 9 月 Smart Grid Sep. 2015 DOI 10.14171/j.2095-5944.sg.2015.09.008 文章编号 2095-5944 2015 09-0818-05 中图分类号 TM 73 文献标志码 A 考虑碳排放价格的电力市场均衡分析 张晓龙，杜松怀，苏娟，范婷婷 中国农业大学信息与电气工程学院，北京市 海淀区 100083 Cournot Equilibrium Analysis of Electricity Markets Considering Carbon Emission Price ZHANG Xiaolong, DU Songhuai, SU Juan, FAN Tingting College of Information and Electrical Engineering, China Agricultural University, Haidian District, Beijing 100083, China ABSTRACT In the national economy, electric power industry is the largest carbon emission department. Therefore, taking the carbon emission factor into power market is particularly important. In order to study the influence of the carbon emission price upon electricity market equilibrium results and upon the generation company’s profits, first, the model of power generation cost in electricity market is put forward, which has considered the price of carbon emissions. Then, the cournot equilibrium model of electricity market is established, which also has considered the price of carbon emissions and equilibrium analysis is made. Analysis shows that after introducing the carbon price, high carbon generation company’s profits have fallen; the fluctuation of carbon price and contract amount of electricity have obvious influence on power market equilibrium price; reasonable selection of a carbon price, the contract for electricity have a significant impact on the generation company’s profits; power market mechanism included the carbon price can not only reduce CO 2 emissions, but also promote the development of new energy market and optimize the structure of power, which has certain practical significance. KEY WORDS electricity market; carbon emission costs; carbon emission price; equilibrium analysis 摘要 国民经济中，作为最大的碳排放部门的电力行业，引入碳排放因素尤为重要。为研究碳排放价格对电力市场均衡结果 及发电商利润的影响，首先，给出考虑碳排放价格的电力市场发电成本模型；然后，建立考虑碳排放价格的电力市场古诺均 衡模型并进行均衡分析。分析表明引入碳排放价格后，高碳排放的发电商的利润下降；碳价波动、合同电量对电力市场均 衡价格有明显的影响；碳价、合同电量的合理选取对发电商利润有着显著的影响；引入碳排放价格的市场机制不仅可以降低 CO 2 的排放量，达到节能减排的效果，同样可促进新能源市场的发展，优化电源结构，具有一定的现实意义。 关键词 电力市场；碳排放成本；碳排放价格；均衡分析 0 引言 近年来，随着全球气候变暖的影响，温室气体 尤其 CO 2 排放的控制已逐渐成为世界各国的普遍共 识。作为重要的化石能源消耗和 CO 2 气体排放的重 点行业，不考虑环境影响的传统模式的电力行业已 不适合新的形势。着力推动能源供给与消费革命， 促进能源转型升级，提高能源效率与节能减排 [1] ， 优化能源结构已获得广泛的关注。 电力行业作为国民经济中最大的 CO 2 的排放 部门，引入碳排放因素显得尤为重要 [2] 。首先，碳 税、碳配额、碳交易机制等调控手段和经济机制的 引入，将形成全新的宏观经济环境和政策环境，为 CO 2 排放带来碳成本，也为碳减排带来碳收益，碳 成本的核算也有利于电力企业节约资源 [3] ；其次， 碳减排将成为电力行业的重要发展目标， 并在行业 内部各环节引入碳约束； 而各类低碳要素的引入将 使电力行业呈现出明显的低碳特性与全新的运行 模式， 并对电力系统运行与发电商的决策带来广泛 影响 [4] 。 目前，普遍认为电力市场具有寡头竞争特性， 通过策略性行为，发电商具有较强的操纵市场价格 的能力，这会严重影响电力市场的整体效率和安全 可靠性 [5] 。因此，有关发电商操纵市场能力的问题 已成为电力市场研究的热点之一 [6-9] ， 基于寡头竞争 的均衡理论 大多基于古诺模型和供应函数竞争模 型 的发电商策略性行为得到了广泛的研究 [10-15] ； 然 而，在低碳背景下现在有关的均衡分析中很少有考 虑碳排放价格对电力市场均衡结果的影响。 在低碳背景下，本文在假设电力市场古诺竞争 第 3 卷 第 9 期 智 能 电 网 819 的条件下，研究碳排放价格对电力市场均衡结果的 影响。通过一个包含碳排放价格的发电成本模型， 建立引入碳排放价格的寡头垄断市场模型，分析其 纳什均衡状态；然后，利用算例对所构造的模型和 得到的纳什均衡状态进行说明，并分析碳排放价格 对电力市场均衡状态的影响，并验证模型方法的合 理性。 1 计及碳排放价格的发电成本模型 电力市场中，常规的发电成本模型为 2 1 , 1,2,, 2 iiiii Cq aq bq c i n 1 式中 a i , b i , c i 为大于 0 的发电成本系数； q i 为发电 商 i 的发电出力。 随着低碳市场的发展，碳价的引入使得碳成本 变为显性成本，从而使发电商的投资策略变得更具 综合性。文献 [2-3]用外部成本内部化引入碳成本， 常规火电机组的碳特征函数为 1f eq wη 2 式中 e 为 CO 2 的排放量；考虑燃料充分燃烧的情 况下， f 为电源所用燃料的 CO 2 的排放量； w 为燃 料的单位发热值； η 为该电源的能量转换效率，即 发电效率。水电、风电和光伏等新能源为近零排放 碳的能源。 所以，发电机组碳排放因子 δ 为 d1 d ef qw δ η 3 式中 δ 可表示单位发电量的 CO 2 微增量。 由式 2、 3可得碳排放的成本模型 cc c 1 , i i i i iii f Cq pep q pq w δ η 碳 1,2,.,in 4 式中 p ci 为发电商 i 对应的碳排放价格。 由式 1 4可得， 考虑碳排放成本的发电成本 为常规发电成本加上碳排放成本，即有 ii i Cq Cq Cq 总 碳 5 因此，式 5清晰地表述了发电商的发电成本， 其由发电的电量成本和碳排放成本组成，并引入了 碳因素。在低碳的背景下，将低碳减排的社会效应 与发电商的决策进行了有效衔接，从而形成了对决 策而言的综合成本决策。 2 考虑碳排放价格的电力市场均衡模型 2.1 市场背景 电力市场中，因为电力的特殊性及网络结构约 束等影响，普遍认为电力市场具有寡头竞争特性。 在低碳背景下，电力市场中采用双边合约和现货机 制，双边合约为购电方与发电企业以双方敲定的合 约价格签订合同。发电商分为无碳排放和碳排放两 类发电商，引入碳排放因素，如电价、碳排放因子 等，建立兼顾低碳效应与发电商利润的发电市场， 研究碳成本对发电商决策的影响。 本文建立考虑碳排放成本的电力市场古诺均 衡模型，发电商根据自身发电量和市场电价影响其 决策行为；考虑碳排放成本的情况下，研究碳排放 价格、合同电量对发电厂利润的影响问题。 2.2 考虑碳排放价格的电力市场均衡模型 假设某电力批发市场在某一时段的负荷需求为 D pALp − 6 式中 p 为该时段的批发市场统一结算价格； A 为 负常数； L 为描述需求价格弹性大小的参数，取非 负常数， L 越大需求弹性越大。 发电商以古诺博弈决定批发市场的发电量，电 网公司或者联营体代表用户向发电商买电，用户也 可以与发电商之间签订合约合同。在给定其他发电 商出力不变的条件下，每个发电商通过决策其发电 出力以获取最大利润。忽略发电商的发电出力限 制，输电网络约束以及每个发电商的碳排放量均未 超过规定指标，因此，发电商 i 在批发市场的决策 情况可描述为如下利润最大化问题 1, max s.t. ii i n ij jji pq C q qDp q ϕ ≠ −⎧ ⎪ ⎨ − ⎪ ⎩ ∑ 总 7 2.3 双边合约价格固定时的市场均衡分析 发电商 i 在某一时段内与用户签订的合同电量 为 x i ，合同电价为 1,2,., i hi n ，为简化分析，合 同电量为已知变量，合同价格固定。 在现货市场上， 发电商追求利润最大化， 因此， 发电商 i 的目标函数为 2 max 1 2 iiii i i i ii ii ii iciii pq x hx C q pq x hx aq bq cpq ϕ δ −− − − −− − 总 8 820 张晓龙等考虑碳排放价格的电力市场均衡分析 Vol. 3 No. 9 根据需求函数 D p ，发电商利润函数优化问 题的 1 阶最优条件为 c d 1 d i ii i i ii i La q x Lp Lb LP q ϕ δ− − − 9 令式 9等于 0，即有 c 1 ii i i i Lp x Lb Lp q La δ− − 10 由供需平衡可知 1 n i i D pALp q − ∑ 11 进而可得均衡价格为 c 1 1 1 1 1 1 n ii ii ii n ii Lb x Lp A La p L La δ − ∑ ∑ 12 代入式 10可得 1 1 11 1 1 1 1 n ii cii ii i n i ii iici Lb x Lp A La q La La xLbLp δ δ − −− ∑ ∑ 13 由式 12可看出，合同电量越多，市场均衡电 价越低，也就是说签订双边合约有助于市场出清电 价的降低。 3 算例分析 3.1 市场情况与发电成本参数 以 6 家有策略性的发电商参与的电力市场为例 对模型进行验证分析。其中有 1 个新能源类的发电 商，新能源类发电商的碳排放近乎为 0，其他均为 具有碳排放的发电商。所有发电商均参与双边交易 与现货市场交易。发电商的成本函数如表 1 所示。 电力市场中，因为新能源类的发电商成本较 高，选择发电商 1 作为新能源类的发电商，其他 表 1 发电商的成本参数 Tab. 1 Cost parameters of generators 发电商 a i //MW 2 h b i //MWh c i / 1 0.200 20.0 0 2 0.175 17.5 0 3 0.625 10.0 0 4 0.834 10.0 0 5 0.250 15.0 0 6 0.250 15.0 0 均为具有碳排放的发电商。因每个发电商在碳交 易市场所获得碳交易价格不尽相同，本文采用碳 交易市场的平均碳交易价格为研究对象，在该时 段平均碳交易价格为 50 /t。每个发电商因策略和 技术原因其碳排放因子均不相同，为方便研究， 碳排放因子均取 0.007 422 kg/MWh。需求函数 中设 A200 MWh， L5 MWh 2 /。 6 家发电商均 签订了双边合同，合同价格为 20 /MWh，同时 令 x i rq i ，取 r0.1，本文 r 定义为合同电量比，也 就是双边合同敲定的电量所占发电量的比例。 表 2、 3 分别给出了考虑和未考虑碳排放成本的市场均衡 结果。 表 2 考虑碳排放成本的市场均衡结果 Tab. 2 Market equilibrium results considering carbon emission costs 发电商 合同电量 / MW 利润 / 最优发电量 / MWh 总发电量 / MW 均衡电价 / /MWh 1 1.0 12.27 7.42 86.15 22.77 2 1.5 54.05 14.76 3 1.5 119.11 15.80 4 1.7 89.77 12.66 5 1.4 94.52 17.84 6 1.0 95.20 17.67 表 3 未考虑碳排放成本的市场均衡结果 Tab. 3 Market equilibrium results without considering carbon emission costs 发电商 合同电量 / MW 利润 / 最优发电量 / MWh 总发电量 / MW 均衡电价 / /MWh 1 1.0 12.27 7.38 86.23 22.75 2 1.5 54.51 14.81 3 1.5 119.45 15.82 4 1.7 89.97 12.66 5 1.4 94.77 17.86 6 1.0 95.30 17.69 由表 2、 3 可看出在引入碳排放价格之后， 除新能源类发电商利润基本不变以外，其余发电商 的利润均有不同程度的减少，同时，市场均衡价格 略有上升；也就是说，在节能减排的环境下，引入 碳排放成本后，发电商为了增加利润，必然要采取 相应技术控制碳排放成本，也就是控制 CO 2 的排放 量，在一定程度上达到节能减排的效果。以发电商 3 为例，图 1 给出了碳排放价格对发电商利润的影 响，由图 1 可知，随着碳排放价格的增加，发电商 的利润先降低后又逐渐增加，可见，市场中碳排放 第 3 卷 第 9 期 智 能 电 网 821 图 1 碳排放价格对发电商利润的影响 Fig. 1 Impact of carbon emission price on the generation companies’ profits 价格合理选取对发电商决策有着一定的影响。 3.2 合同电量对发电商利润的影响 图 2 为 r 取不值时发电商利润随合同电量增长 的变化曲线，由图 2 可知发电商的利润随着合同 电量的增加逐渐下降，发电商的利润随着其他发电 商的合同电量的增加而下降；也可看出，在其他发 电商增加自身合同电量的同时，增加自身的合同电 量在同等条件下发电商利润下降的缓慢。发电商的 利润下降可解释为由于同一时段合同电量的增 加，发电商在现货市场中抛售的电量有所减少，故 而利润下降。 图 2 合同电量对发电商利润的影响 Fig. 2 Impact of contract amount of electricity on the generation companies’ profits 3.3 合同电量比对市场均衡价格的影响 合同电量比为合同电量所占总发电量的比例， 图 3 为合同电量比对市场均衡价格的影响。由图 3 图 3 合同电量比对市场均衡价格的影响 Fig. 3 Impact of contract amount of electricity on the market equilibrium price 可知 随着合同电量比的增加， 市场均衡价格减少； 也就是说，发电商签订的合同电量越多，市场的均 衡价格越低。 4 结论 本文在电力批发市场古诺竞争条件下，通过引 入碳排放价格的碳排放成本模型，给出了计入碳排 放价格的市场需求模型，并对引入碳排放价格后发 电市场情况进行分析，通过算例验证表明 1）在引入碳排放价格之后，除新能源类的发 电商利润基本不变以为，其余发电商的利润均不同 程度的减少，同时，市场均衡价格略有上升；也就 是说，在节能减排的环境下，引入碳排放价格后， 发电商利润随着碳排放价格增加先降后增。可见， 碳排放价格的合理选取对发电商决策的重要性。 2）引入碳排放价格后，双边交易模式下，同 一条件下合同电量的增加使发电商的利润和市场 均衡价格均有下降，合同电量占总发电量的比例的 增加使得市场出清价格下降。可见，合同电量的合 理选取这一因素对发电商在电力市场中策略性的 决策有着显著影响。 参考文献 [1] 杜松怀，温步瀛，蒋传文，等．电力市场 [M]．北京中国电力出 版社， 2008 53-56． [2] 施泉生， 李士动， 张涛． 考虑碳排放成本的备用市场竞价模型 [J]． 电 力系统保护与控制， 2014， 4216 40-45． Shi Quansheng， Li Shidong， Zhang Tao． A reserve market bidding model considering carbon emission costs[J]． Power System Protection and Control， 2014， 4216 40-45 in Chinese． [3] 陈启鑫， 康重庆， 夏清， 等． 低碳电力调度方式及其决策模型 [J]． 电 力系统自动化， 2010， 3412 18-23． Chen Qixin， 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，男，硕士研究生，主要研究电力市场， xiaolong95wan163.com； 苏娟 1980，女，博士，副教授，主要从事电力市场和电力系统继 电保护研究工作； 杜松怀 1963，男，教授，博士生导师，主要从事电力市场和电力 系统继电保护研究工作， songhuaiducau.edu.cn。 责任编辑 谷子