碳交易机制下综合能源市场多供能主体均衡竞价策略

所属分类：经济论文阅读次时间：2022-01-10 10:50

本文摘要：摘要：为了研究引入碳排放交易机制对综合能源市场(IntegratedEnergyMarket，IEM)运行和多供能主体竞价策略的影响，首先，构建了多供能主体碳交易奖惩规则;其次，基于多供能主体奖惩型碳交易机制建立了多供能主体竞价函数模型;然后，基于纳什均衡建立了碳交易机制下IEM

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　　摘要：为了研究引入碳排放交易机制对综合能源市场(IntegratedEnergyMarket，IEM)运行和多供能主体竞价策略的影响，首先，构建了多供能主体碳交易奖惩规则;其次，基于多供能主体奖惩型碳交易机制建立了多供能主体竞价函数模型;然后，基于纳什均衡建立了碳交易机制下IEM多供能主体均衡竞价模型;鉴于所建模型具有高维非线性的特点，采用双层改进型微分进化智能优化算法对其进行了求解。最后，通过算例分析了碳交易机制的加入对IEM运行和多供能主体均衡竞价策略的影响，结果表明所提出的模型和算法可有效求解多供能主体最优竞价策略。

　　关键词：综合能源市场;碳交易;竞价策略;微分进化;纳什均衡

能源市场

　　0引言

　　随着我国新一轮电力市场改革和能源市场化改革的逐步推进，国家发改委和国家能源局提倡各市场主体加强能源互联，促进多种能源优化互补的发展方式。建设安全高效、低碳清洁的综合能源系统市场服务机制和能源运营模式成为了当前的研究热点[1-2]。各市场主体参与市场竞争是研究建设综合能源系统市场服务机制和能源运营模式主要内容之一。在市场各主体竞争过程中，供能主体作为综合能源市场(integratedenergymarket，IEM)重要参与主体，其选择合理的竞价策略可有效最大化自身效益，增强市场竞争力。

　　国内外学者已对IEM各主体竞价策略开展了一些研究。如：文献[3]提出了综合能源系统能源供应商、售电商、用户三主体交互迭代联合竞价出清策略，解决市场各主体在竞争性市场环境下如何保持良性运作的问题;文献[4]研究了电-热IEM联合出清机制下供应商策略竞价问题，建立了电-热联合市场竞价双层模型;文献[5]建立了一个考虑综合能源服务公司的IEM异步机制，分析异步市场环境下综合能源系统的优化运行策略;文献[6-7]设计了在开放市场环境下，各能源服务商与消费者之间的交易机制，建立能源竞价策略集和采购模式，并对综合能源服务商之间的非合作竞价行为进行了数学分析。以上文献在研究IEM各主体竞价策略方面具有指导意义，然而，目前相关文献中鲜有对碳交易机制下IEM中参与主体的竞价行为进行分析研究。

　　2021年“碳达峰、碳中和”写入我国政府工作报告，提出了加快建设全国用能权、碳排放权交易市场，完善能源消费双控制度;为响应国家的碳目标号召，进一步控制能源行业的碳排放量，国家电网公司也发布“双碳”行动方案，其中发展碳排放权交易市场是推进碳减排相关目标的重要环节。因此，研究碳交易机制下IEM多供能主体均衡竞价策略已势在必行。文献[8]将碳交易机制引入电力市场出清均衡模型，分析了碳交易机制的引入对电力市场均衡状态的影响;文献[9-10]将碳交易机制应用于电-气联合系统优化调度模型中，改善了不确定性电-气联合系统运行问题的经济性和低碳效益;文献[11-13]将碳交易机制引入综合能源系统中，分析了碳交易成本对系统运行的影响。

　　本文拟考虑碳交易机制的引入将对IEM运行以及各市场主体均衡竞价策略带来的影响，基于多供能主体奖惩型碳交易机制构建碳交易机制下IEM多供能主体均衡竞价策略模型，以控制多供能主体碳排放量，并有效提升多供能主体参与市场竞争的积极性和市场竞争力，降低社会用电总成本。

　　在碳交易机制下的竞争过程中，多供能主体制定均衡竞价策略以谋求经济利润最大化。上述模型为双层优化模型，内层为多供能主体竞价决策层，外层为IEM出清层，决策层优化多供能主体竞价作为IEM出清基础，出清层根据所有IEM各主体的竞价信息及系统运行参数，出清各供能主体的中标电量、热量和市场价格，为决策层计算供能主体的收益和优化均衡竞价策略提供依据。

　　在供能主体竞价策略优化方法的研究方面，文献[3，14-15]采用以雅克比和高斯赛德尔迭代为核心的对角化循环迭代方法求解各市场主体的最优反应函数;文献[8，16-17]利用(Karush-Kuhn-Tucker，KKT)最优性条件，将能源供应商竞价策略双层优化模型转化成一组非线性互补方程组进行求解。目前这两种常用的方法均有所不足，为避免对角化循环迭代法求解效率、鲁棒性和收敛性较差以及非线性互补算法将双层模型转换成单层模型的繁杂过程。

　　本文采用双层改进型微分进化智能算法求解所提模型，其基于纳什均衡理论，利用纳什适应度函数，将智能优化算法与博弈论方法有效结合，避免了将双层优化问题转化为单层平衡约束规划问题的繁杂过程;同时，鉴于外层是以纳什适应度函数为寻优标准在可行域内搜索各供能主体的所有报价策略组合，内层是以电、热供需总体社会效益最大化为目标对IEM进行出清，通过双层嵌套优化可在一定程度上弥补常规博弈论方法在多人博弈和非完全信息下求解效果不理想问题。最后通过算例分析了碳交易的加入对IEM多供能主体均衡竞价策略的影响，结果表明所提出的模型和算法可有效求解多供能主体最优竞价策略。

　　1多供能主体碳交易成本计算模型

　　碳交易机制是根据政府分配的碳排放配额对CO2排放权进行交易的机制。鉴于CO2在6种要求减排的温室气体中占比最大，故以每吨CO2的量为温室气体排放权交易的计量单位。国内对企业碳排放配额分配主要采用基准线法、历史强度下降法和历史排放法[18]。本文根据《上海市2019年碳排放配额分配方案》，以常用的基准线法确定各能源供应商的碳排放初始配额。

　　根据政府分配的碳排放配额，本文建立了多供能主体碳排放奖惩规则。即当各供能主体的碳排放总量小于政府分配的碳排放配额，可以通过二次市场出售剩余的无偿配额并得到奖励补贴;当各供能主体的碳排放总量超出政府分配的碳排放配额，需要通过二次市场购买碳排放权并缴纳超出碳排放配额的罚金;各供能主体的碳排放总量超出政府分配的无偿配额越多，碳交易价格越高，各供能主体同时也需要缴纳更多的罚金。各供能主体分别为电力能源供应商、热力能源供应商以及电热耦合能源供应商。

　　2碳交易机制下IEM多供能主体均衡竞价模型

　　碳交易机制下IEM多供能主体均衡竞价模型是基于博弈论中的经典纳什均衡理论而构成的。不失一般性，本文IEM采用暗标拍卖机制，供能主体需要在市场投标结束前向IEM运营商(marketoperator，MO)申报各自的报价策略和可用容量，其中电力和热力供应商需向MO申报各自的供电和供热的报价和容量，电热耦合供应商需申报电-热组合投标容量和报价以及电热耦合系数，并以电能作为电-热组合报价的计量基准，当电-热组合报价的电能获得出清时，其电热耦合系数对应的热能同时获得出清[4]。在此基础上，MO根据事先得到的市场逆需求函数，在满足输电网、输热网安全约束的情况下，以追求电、热供需总体社会效益最大化为目标对市场进行出清。

　　3综合能源供应商双层优化模型求解

　　鉴于基于碳交易机制下的多供能主体均衡竞价模型具有非线性和高维度的特点，本文采用高效的双层改进型微分进化算法对其进行求解。微分进化算法在众多智能优化算法中是一种简单有效的智能优化计算方法[23]，相比于遗传算法、粒子群算法等其他智能算法，具有收敛速度快、稳定性好等特点，但在解决多维度、非线性、多耦合的复杂优化问题时，常规微分进化算法在进化后期变异阶段易出现种群多样性下降而陷入局部最优的问题。

　　4算例分析

　　4.1基本数据

　　电力供应商C1、C2分别拥有电力机组G1、G2，电-热耦合供应商C3拥有热电联产机组HS1(G3)，热力供应商C4拥有区域锅炉HS2，负荷D1，H1、D2，H2为电热需求用户，负荷D3为纯电力需求用户，系统相关参数见文献[4]。DL-TVMDE算法参数设置：外层三角微分进化，种群规模50，最大迭代次数200;内层三角微分进化，种群规模50，最大迭代次数100。

　　当碳交易机制参与市场之后，电力供应商、热力供应商以及电热耦合供应商在运行时的边际成本都会增加，各博弈主体的策略性行为将抬高IEM的电价与热价，以此来实现各自在市场新形势下仍然保持其收益最大化的目的。比较考虑碳交易机制前后各供能主体的供电量、供热量和各自的收益。可以看出，电力供应商在考虑碳交易机制后供电量明显减少，因为电力供应商均考虑燃煤电厂，其在供电时碳排放量排放较大，使其成本变高，所以在考虑碳交易机制后，电力供应商会策略性减少发电量，以在市场新形势下保持较高的收益。

　　不同奖惩系数下碳交易价格与碳交易总成本。可以看出，碳交易价格处于低值时，无论奖惩系数取多少，对碳交易总成本没有影响。当碳交易成本出现负值时，即市场供能主体开始有碳收益时，奖惩系数对碳交易总成本有较大影响。当α=0时，碳交易价格大于24$/t时，市场供能主体碳交易总成本开始有收益;当碳交易价格增加到29.2$/t时，电热耦合供应商达到供能上限，碳交易总成本随碳交易价格正比缓慢下降。

　　当α=0.2时，碳交易价格大于23.7$/t时，市场供能主体碳交易总成本开始有收益;当碳交易价格增加到30$/t时，电热耦合供应商达到供能上限，碳交易总成本随碳交易价格正比缓慢下降;当α=0.4时，碳交易价格大于23.3$/t时，市场供能主体碳交易总成本开始有收益;当碳交易价格增加到32.4$/t时，电热耦合供应商达到供能上限，碳交易总成本随碳交易价格正比缓慢下降。

　　5结论

　　本文引入碳排放交易机制，基于纳什均衡建立了碳交易机制下IEM多供能主体均衡竞价模型，并将智能优化算法与博弈论方法有效结合，提出DL-TVMDE优化算法求解模型，通过理论和算例分析得到如下结论：

　　1)在IEM中引入碳交易机制后，奖惩型碳交易机制通过奖励低排放供能主体和惩罚高排放供能主体，使多供能主体积极主动节能减排以在碳交易市场获取效益。

　　2)碳排放量较大的电力供应商，其策略性行为会抬高IEM的价格，且随着市场价格的提高，综合能源系统的碳排放总量在不断减少，有更多的供能主体从碳交易市场获利。

　　3)所提出的双层改进型微分进化算法可直接对碳交易机制下IEM多供能主体均衡竞价双层模型进行高效求解，避免了将双层优化问题转化为单层平衡约束规划问题的繁杂过程。本文研究碳交易机制下综合能源市场中多供能主体策略性竞价行为，对市场多供能主体争取自身最大化收益，电力市场设计者完善综合能源市场机制和规则，以及市场监管机构预防和监测市场力滥用行为等均具有重要的工程应用价值。

　　参考文献

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　　[3]崔杨，闫石，王铮，等.计及三主体竞价的综合能源系统日前迭代出清策略[J].电网技术，2020，44(11)：4164-4175.CUIYang，YANShi，WANGZheng，etal.AnIterativeClearanceStrategyforIntegratedEnergySystemConsideringThree-agentBidding[J].PowerSystemTechnology，2020，44(11)：4164-4175(inChinese).

　　[4]陈柏沅，王程，吴陈硕，等.基于联合出清机制的电-热综合能源市场均衡分析[J].电网技术，2020，44(8)：2848-2858.CHENBaiyuan，WANGCheng，WUChenshuo，etal.Analysisontheequilibriumofelectricandthermalcomprehensiveenergymarketbasedonjointclearingmechanism[J].PowerSystemTechnology，2020，44(8)：2848-2858(inChinese).

　　作者：彭春华1，张海洋1，孙惠娟1，徐锐2