不同碳减排政策交互影响下发电企业交易策略

张金良，王玉珠

（华北电力大学经济与管理学院，北京 102206）

0 引言

中国作为全球最大的碳排放国家，电力行业占据其排放主体地位。据计算，我国能源行业碳排放量占全社会碳排放量88%左右，而其中电力行业碳排放量占能源行业排放量的41%左右。目前我国电力系统面临两大难题：一是降低碳排放量，实现“双碳”目标；二是发展和消纳新能源，实现电力系统的转型。针对上述问题，我国先后颁布了发电权交易、碳排放权交易和绿色证书交易等一系列市场型政策以促进电力行业的节能减排和可再生能源的生产和消纳［1］。这些政策的实施对发电企业的经营策略和生产利益都会产生一定的影响。因此，在新形势背景下，发电企业在满足政策要求的基础上，如何制定交易策略使自身的利益最大化是企业现阶段研究的重点。

目前关于发电企业交易策略的研究，大部分文献在考虑单一政策影响下，分别以交易各主体的最大化利润为最优目标［2-6］，或以发电企业区域总利润最大为优化目标［6-7］来研究发电企业的最优交易策略。在碳排放权交易方面，文献［8］基于动态博弈模型研究了碳排放权配额初始分配方式对交易企业的影响。文献［10-12］分别以发电企业和电力用户自身利润最大化为目标，通过建立碳交易背景下交易主体参与电力市场的双层优化模型，分析了交易各方的最优策略行为。文献［12］采用模拟退火Q学习算法模拟了在碳排放交易机制下发电企业追求自身利润最大化的行为。在绿色电力证书市场方面，文献［13］在考虑输电阻塞的影响下，分析了综合型能源发售电商基于自身利润最大化参与日前电力市场和绿证市场的竞价策略。文献［14］通过构建电力市场和绿证市场下的多寡头非合作博弈模型，分析了可再生能源发电企业参与交易的策略行为。文献［15］通过系统动力学模拟仿真了在绿证市场和超额消纳量市场背景下各类市场主体间的交易耦合和互动关系。文献［16］研究了跨省区交易主体在可再生能源配额制和消费者偏好影响下的利润最大化函数，并对比分析了供应链上的各主体单独决策和联合决策时的最优交易决策。文献［17］在发电权交易方面，通过设计发电权远期-期权合约交易模式，促进了发电权交易双方的交易机会和灵活性。文献［18］基于合作博弈论，以联合利润最大化为目标，构建了自备电厂和风电进行发电权交易的优化模型。

在两种市场型政策组合影响方面，文献［19］在发电企业参加发电权交易的基础上，考虑碳限额与碳排放权交易多种组合状况下发电企业的最优电价及利润。文献［20］基于系统动力学和情景设计方法，研究了绿色电力证书与碳排放交易组合对煤电发电企业的利润影响。文献［21］考虑油田自备热电厂和光伏发电参加发电权和绿证交易时的均衡最优解，并在均衡解的基础上对热电厂内部的发电机组进行优化。在3 种政策相结合方面，大多文献以系统动力学分析政策间的相互影响［23-26］，而对发电企业的交易策略方面很少有涉及。

综上，现有的研究大多只分析一种或两种政策对发电企业交易策略的影响，很少将3 种政策相结合来分析发电企业在电力市场中的最优策略；另一方面，在研究企业利润最大化时，多数研究将企业策略分为两类：一类是企业以自身的利润最大化进行决策，另一类是以各企业的联合收益最大化为目标进行决策，很少有将这两类策略进行分析比较从而做出最优交易行为的研究。所以本文综合考虑发电企业在碳排放权交易、绿色证书交易和发电权交易背景下参与电力市场时的决策行为，以利润最大化为目标，构建企业非合作博弈和合作博弈两种情况下的最优交易模型，并通过算例分析不同博弈模型下发电企业的最优交易策略。

1 多市场情形下的市场架构

常规能源发电企业和可再生能源发电企业在发电权市场、碳排放权市场和绿证市场的背景下参与电力交易的市场架构如图1 所示。常规能源发电企业根据生产情况将自身剩余的碳排放配额在碳排放权市场进行出售，或通过碳排放权市场购买不足的碳配额；可再生能源发电企业通过绿证市场出售绿色电力证书获取利润；同时两类发电企业通过电力市场进行发电权交易，并在电力市场出售电量来竞争市场份额。根据可再生能源配额制相关要求，售电企业和电力用户作为配额主体协同承担可再生能源消纳义务；监管机构按照可再生能源配额制和碳排放配额的相关要求对各类市场主体需要达到的考核指标和市场交易行为进行监管，从而实现降低碳排放量和消纳可再生能源的目标。

图1 多政策情形下的市场交易架构Fig.1 Market transaction structure under multi-policy situation

2 发电企业利润分析

2.1 常规能源发电企业利润函数

常规能源发电企业根据自身经营特点和市场情况，可以选择购买发电权来扩大自己的发电份额，在电力市场出售电量来获得利润或出售初始发电份额来获得利润；对于小于或超出碳排放初始配额的部分，可以在碳排放权市场出售或购买相应额度的碳配额。所以常规能源发电企业的利润由电力市场、发电权市场、碳排放权市场上的收益与发电成本组成。

2.1.1 发电权市场

假设发电权价格与企业交易电量有如下关系。

式中：pt为发电权的交易价格；ut、vt为发电权市场价格的供应系数；Q为市场中发电企业交易总电量；qi、qj分别为常规能源发电企业i和可再生能源发电企业j的交易电量；m、n分别为参与市场交易的常规能源发电企业和可再生能源发电企业的数量。

所以，常规能源发电企业在发电权市场中的收益为：

2.1.2 碳排放权市场

在碳排放权市场中，若常规能源发电企业的交易电量越多，则对碳排放权的需求越大，导致碳价上升，所以假设碳排放权的价格函数如下。

2.1.3 常规能源发电成本

假设常规能源发电企业i的发电成本Ci为：

式中：Ri为发电企业i在电力市场中交易电量获得的收益；p为电力市场中电量的交易价格，其与交易电量成逆需求函数，假设价格函数如下。

式中u、v为电量价格的供应系数。

2.2 可再生能源发电企业利润函数

可再生能源发电企业可以在电力市场出售绿电以及在绿证市场出售绿证来获得利润，并根据自身的生产情况调整在发电权市场中的交易行为来扩大自身的收益。

2.2.1 绿证市场

当可再生能源交易电量增加时，对应绿证供给增加，导致绿证交易价格降低。所以，假设绿证的交易价格函数如下。

式中：pg为绿色证书交易市场中的成交价格；ug、vg为绿证市场中的供应系数。

所以可再生能源发电企业在绿证市场中的收益为：

2.2.2 可再生能源发电成本

可再生能源发电企业发电时只涉及维修和运营成本，假设其维修和运营成本函数为：

式中：Rj为可再生能源发电企业j在电力市场中的收益；Rtj为可再生能源发电企业j在发电权市场中的收益；q0j为可再生能源发电企业初始发电份额。

3 发电企业参与电力交易的最优决策

3.1 非合作博弈下各发电企业最优决策

在参与电力市场交易时，常规能源发电企业和可再生能源发电企业均选择以自身利润最大化的最优交易电量进行博弈。假设电力市场有两家常规能源发电企业G1、G2、两家可再生能源发电企业G3、G4，他们的交易电量分别为q1、q2、q3、q4，发电厂商进行非合作博弈的数学模型为如下。

3.1.1 目标函数

3.1.2 约束条件

1）出力约束：发电企业的成交电量均处在机组的安全出力区间之内，即：

2）可再生能源配额约束：在电力市场交易中，各类发电企业的成交电量需满足可再生能源配额制的要求，即：

式中β为规定的可再生能源消纳比例。

利用逆向归纳法对上述博弈过程进行求解，求出非合作博弈下各发电企业的最优交易电量为：

3.2 合作博弈各发电企业最优决策

在合作博弈情况下，常规能源发电企业和可再生能源发电企业组成联盟体，以区域整体利润最大为目标进行决策，在满足所在区域生产使用的基础上出售富余的碳排放权、发电权和绿色证书，或跨区购买区域配额不足的市场产品。此时联盟发电企业的决策模型如下。

3.2.1 目标函数

式中：Q∗为合作博弈下最优交易电量；π为合作博弈下发电联盟的利润函数；T为跨区交易的发电权量；D为跨区交易的碳配额量；F为跨区交易的绿证数量。

3.2.2 约束条件

1）碳排放权约束：发电企业在进行碳排放权交易时，首先需要满足本区域的碳限额约束，即交易的碳排放权与企业排放量之间的关系为：

首先，求出合作博弈下的最优交易电量：

其次，对联盟发电企业之间进行利润分配。合理的利润分配模型在保证分配公平的同时，可以提高发电企业参与电力交易的积极性。当前有关电力市场利润分配的方法主要采用基于交易电量或初始发电份额对增量利润进行分配［26-27］。基于上述分析，本文提出了一种基于碳排放系数和可再生能源交易电量对联盟利润进行分配的模型。

式中：Bi为常规能源发电企业分到的利润；Bj为可再生能源发电企业分到的利润。

该模型按照传统能源发电企业的碳排放系数和可再生能源发电企业的交易电量分别对碳市场和绿证市场的利润进行分配。对于常规能源发电企业，按照企业单位产品碳排放系数与免费碳配额系数之间的差距来分配碳市场中的利润。企业若想获得较高的利润，就必须提高自身的减排能力，降低碳排放系数。对于可再生能源发电企业，按照企业实际交易电量来分配绿证市场中获得的收益。同时，在电力市场售电所得利润，按照发电企业实际交易电量进行分配；对于发电权市场中获得的收益，按照企业实际交易电量与初始发电份额之间的差距进行分配，从而提高各类发电企业参与发电权交易的积极性，提高资源的有效利用。该模型在一定程度上可以降低常规能源发电企业的二氧化碳排放量，并且提高可再生能源发电企业参与交易的积极性。

4 算例分析

4.1 参数设置

假设发电企业参加电力市场交易时，各企业基本参数如表1所示。

表1 发电企业基本参数Tab.1 Basic parameters of generators

其余参数选取及基准值的确定借鉴文献［9］中的数据，如表2所示。

表2 参数选取及基准值确定Tab.2 Parameters selection and reference value determination

4.2 结果分析

基于上述数据，按照式（14）—（16），求出各发电企业在非合作博弈情况下的最优交易电量和利润。按照式（22）—（26），求出各发电企业在合作博弈情况下的最优交易电量和利润。计算结果如表3所示。

表3 不同博弈模式下交易结果Tab.3 Trading results under different game modes

由表3 可知，在可再生能源配额比例为10%时，相较于非合作博弈，合作博弈情况下常规能源发电企业的交易电量上升，可再生能源发电企业的交易电量下降，总交易电量降低6.6%，但总利润增加0.64%。原因在于：火力发电成本较低，合作情况下联盟体会让常规能源发电企业优先发电，可再生能源发电企业只生产与可再生能源配额制考核要求相等的绿电量，从而合作联盟体在电力市场中联合操纵交易，提高交易电价，提升利润。另一方面，合作博弈中常规能源发电企业的总收益大于非合作博弈下的总收益，有助于火电企业在多种政策背景下进行市场转型，摆脱亏损困境；但相较于合作博弈，以非合作博弈的方式进行市场竞争更能促进新能源的生产和消纳。

4.3 不同指标下各发电企业行为策略及利润

4.3.1 可再生能源配额比例对发电企业交易电量的影响

由图2（a）可以看出，在非合作博弈情况下，随着可再生能源配额比例的增加，常规能源发电企业的交易电量不断下降，可再生能源企业的交易电量不断上升。原因在于，电力用户作为可再生能源配额制的责任承担主体，随着配额比例的增加，电力用户要消纳更多的可再生能源电量来完成配额要求。所以在电力市场交易中，当可再生能源配额比例上升时，电力用户将增加可再生能源电量的购买量并减少常规能源电量的购买量，以避免受到惩罚。因此，实施可再生能源配额制对于可再生能源的消纳利用具有积极作用。

图2 可再生能源配额比例对交易电量的影响Fig.2 Impacts of renewable energy quota ratios on trading electricity

在合作博弈情况下，如图2（b）所示，常规能源发电企业和可再生能源发电企业的交易电量均随着可再生能源配额比例的增加而增加。由于常规能源发电成本低于可再生能源发电，所以联盟体在合作情况下会优先让常规能源发电企业进行发电，可再生能源发电企业只需生产与可再生能源配额制要求售电商完成绿电消纳量相等的产量，从而这两类发电企业联合操纵市场交易，从而抬高电价，提升利润。

4.3.2 可再生能源配额比例对发电企业利润的影响

在不同可再生能源配额比例下，两类发电企业在非合作和合作博弈下的利润如图3所示。

图3 可再生能源配额比例对发电企业利润的影响Fig.3 Impacts of renewable energy quota ratios on profits pf power generation enterprises

在非合作博弈情况下，与图2（a）所示的交易电量相对应，随着可再生能源配额比例的增加，常规能源发电企业的利润随着交易电量的减少而逐渐降低，可再生能源发电企业的利润快速增加。随着可再生能源配额需求的不断增加，售电商为避免因未完成配额而受到惩罚，不仅在电力市场中增加绿色电力的购买量，还将在绿色电力证书市场中增加绿证的购买数量以补足配额要求，从而使可再生能源发电企业的利润快速增加。由此可见，在非合作博弈情况下，可再生能源配额制的实施有利于可再生能源的消纳，并对可再生能源发电企业产生积极激励作用。

在合作博弈情况下，随着可再生能源配额比例的增加，总交易电量随之增加，导致电价降低，常规能源发电企业的利润缓慢下降。基于本文提出的利润分配模型，企业参与发电权交易的电量越多，获得的利润分配也就越多，从而激发企业参与发电权交易的积极性。可再生能源发电企业的利润随着交易电量的增加而快速上升，同时随着绿电产量的提高，在绿证市场上获得的收益也越多。

在各个可再生能源配额比例下，常规能源发电企业在合作博弈情况下的利润都高于非合作博弈下的利润。因此，双方合作有助于火电企业在多种政策背景下摆脱亏损困境。

4.3.3 碳配额比例对各发电企业交易电量和利润的影响

由图4可以看出，随着碳配额比例的增加，无论是非合作博弈还是合作博弈，常规能源发电企业的交易电量都随之增加，利润也有所增加；可再生能源发电企业的交易电量随之减少，其利润也相应地减少。原因在于，随着碳配额比例的增加，常规能源发电企业获得的免费碳配额随之增加，企业发电所需的碳成本降低，从而在电力市场进行交易报价时具有一定的优势。同时电力市场中可再生能源发电企业的市场份额被压缩，导致其利润下降。另一方面，随着碳配额比例的不断增加，常规能源发电企业不仅可以将分配到的碳配额用于自身生产，其剩余的部分还可以通过碳市场进行出售来获得利润，所以常规能源发电企业的利润随着碳配额比例的上升不断增加。

图4 碳配额比例对各企业交易电量和利润的影响Fig.4 Impacts of carbon quota ratios on trading electricity and profits of enterprises

4.3.4 3种政策同时变化对各发电企业利润的影响

由图5 可以看出，随着可再生能源配额比例和碳配额比例的同时增加，两种博弈下发电企业的总利润都随之增加。并且对于厂商来说，通过联盟间的合作共同制定市场交易决策，能获得更高的利润。同时，相较于不参与发电权交易，积极参加发电权交易更能提升企业的利润。所以，对于发电企业来说，积极参加发电权交易，并通过与其他发电企业合作制定交易策略能获得最优的利润。

图5 不同情况下发电企业的总利润Fig.5 Total profits of power generation enterprises under different circumstances

4.3.5 可再生能源配额比例和碳配额比例同时变化对碳排放量和绿电消纳量的影响

从图6（a）中可以看出，随着可再生能源配额比例和碳配额比例的同时增加，合作博弈下厂商发电总碳排放量随之增加，非合作博弈下的碳排放量随之减少。从图6（b）中可以看出，随着可再生能源配额比例和碳配额比例的增加，合作博弈和非合作博弈下的绿电消纳量都随之增加，并且非合作博弈下的消纳量大于合作博弈下的消纳量。所以，尽管合作有利于发电企业提高自身的利润，但对环境会造成更大的负担。可再生能源发电企业和常规能源发电企业作为独立的个体在市场进行竞争更有利于二氧化碳排放的减少和可再生能源的消纳，从而加速实现电力行业的减排目标。

图6 不同比例下企业的碳排放量与绿电消纳量Fig.6 Carbon emissions and green power consumptions of enterprises in different proportions

5 结论

本文基于现行的可再生能源配额制，综合考虑碳排放权市场和绿色电力证书市场的发展情况，构建了在非合作博弈和合作博弈两种情况下可再生能源发电企业和常规能源发电企业参与电力市场的交易模型，通过对所建模型进行算例仿真与验证得到以下结论。

1）相较于非合作博弈，合作博弈更能提高厂商的整体收益。积极参加发电权交易和不参与发电权交易相比，前者更能增加发电企业的利润。并且厂商之间通过合作，在碳排放限额和可再生能源消纳要求的压力下，常规能源发电企业在多种政策背景下更易获得较高利润，从而摆脱困境。

2）常规能源发电企业和可再生能源发电企业作为独立的个体在市场进行竞争，更能促进可再生能源的消纳。并且随着可再生能源配额比例的不断增加，可再生能源发电企业市场份额增大，从而挤压常规能源发电企业市场份额，促进常规能源发电企业进行市场转型。

3）当碳配额比例不断收紧时，常规能源发电企业的交易电量与利润都随之减少，可再生能源发电企业的交易电量和利润增加。制定适当的碳配额比例，对于可再生能源消纳和市场转型也会起到一定的积极作用。

4）合作博弈虽然可以提高可再生能源发电企业和常规能源发电企业的共同利润，但会提高电价，损害消费者利益，并且对于二氧化碳排放的减少和可再生能源的消纳具有消极作用，所以相关部门应制定一定的规则，限制发电厂商之间的过度合作。