計(jì)入碳交易效益的發(fā)電權(quán)交易在清潔能源中的應(yīng)用

李益青　劉前進(jìn) 周保榮 劉仕萍 程蘭芬

摘要：中國(guó)致力于建立清潔低碳的現(xiàn)代能源體系，發(fā)電權(quán)交易及碳排放權(quán)交易均能促進(jìn)碳減排，因此，對(duì)兩者作綜合的研究具有重要意義。首先，在一般發(fā)電權(quán)交易的效益剖析的基礎(chǔ)上，分析了清潔能源發(fā)電權(quán)交易效益，提出了計(jì)入碳交易效益來(lái)全面計(jì)算清潔能源發(fā)電權(quán)交易的效益。然后，計(jì)算了碳交易效益，建立了以發(fā)電權(quán)交易效用及碳減排效用最大化為目標(biāo)函數(shù)的清潔能源發(fā)電權(quán)交易模型。該模型通過(guò)折算報(bào)價(jià)方式改進(jìn)報(bào)價(jià)及撮合次序，具備提高交易效益及交易效率的優(yōu)點(diǎn)。最后，算例結(jié)果驗(yàn)證了所提模型的正確性及可行性。

Abstract： China is committed to establishing a clean and low-carbon modern energy system. Both power generation rights trading and carbon emission trading can promote carbon emission reduction. Therefore， it is of great significance to conduct comprehensive research on them. Firstly， on the basis of benefit analysis of general generation rights trading， the benefit of the clean energy power generation right transaction is analyzed， a scheme considering carbon trading to fully calculate the benefits of clean energy generation rights trading is proposed in this paper. Then， the carbon trading benefit is calculated， and a clean energy generation rights trading model with the objective function of maximizing generation rights trading effect and carbon emission reduction effect is established. The model improves the quotation and matching order by means of discounted quotation， and has the advantages of improving transaction effect and transaction efficiency. Finally， results in case study verify the correctness and the feasibility of the proposed model.

關(guān)鍵詞：節(jié)能減排；碳交易效益；發(fā)電權(quán)交易；清潔能源；社會(huì)效用

Key words： energy saving and emission reduction；carbon trading benefit；generation rights trading；clean energy；social utility

中圖分類(lèi)號(hào)：TM73 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）31-0186-04

0 引言

在國(guó)家能源戰(zhàn)略驅(qū)動(dòng)下，中國(guó)風(fēng)電、光伏發(fā)電發(fā)展成果顯著[1]。但是，近年中國(guó)用電需求增長(zhǎng)放緩而新能源等電源仍保持較快增長(zhǎng)，導(dǎo)致新能源的消納問(wèn)題突出[2]。比如，我國(guó)每年有近百億kWh的風(fēng)電被舍棄，消納問(wèn)題制約了風(fēng)電發(fā)展 [3]；在水電方面，云南省棄水量逐年上升，其2016年棄水量達(dá)400億kWh。為加快建設(shè)清潔低碳、安全高效現(xiàn)代能源體系并履行國(guó)家在二氧化減排等方面的承諾[4]，促進(jìn)電力行業(yè)的節(jié)能減排及清潔能源的健康發(fā)展是電力行業(yè)亟須解決的重點(diǎn)問(wèn)題。

在促進(jìn)清潔能源消納及電力工業(yè)節(jié)能減排等問(wèn)題上，發(fā)電權(quán)交易得到相關(guān)學(xué)者的關(guān)注。文獻(xiàn)[5-6]總結(jié)了發(fā)電權(quán)交易優(yōu)化資源配置、節(jié)能減排、規(guī)避市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)等作用。文獻(xiàn)[7-8]認(rèn)為發(fā)電權(quán)交易可促進(jìn)新能源的就地消納并有效減少棄風(fēng)、棄光。文獻(xiàn)[9-10]建立了基于發(fā)電權(quán)交易的跨省跨區(qū)清潔能源消納機(jī)制。文獻(xiàn)[11]探索了碳交易與發(fā)電權(quán)交易的結(jié)合。發(fā)電權(quán)交易具有節(jié)能降耗的效果，而碳排放權(quán)交易主要是促進(jìn)碳減排，因此，存在對(duì)這兩者進(jìn)行綜合研究的必要。相關(guān)學(xué)者探討了發(fā)電權(quán)交易參與清潔能源消納的理論、機(jī)制設(shè)計(jì)等內(nèi)容，但對(duì)碳交易及發(fā)電權(quán)交易綜合研究較少，尤其是對(duì)于如何引入碳交易到現(xiàn)有的發(fā)電權(quán)交易中缺乏可行方案。

本文針對(duì)這些問(wèn)題，探討了發(fā)電權(quán)交易及碳交易綜合運(yùn)用，尤其是結(jié)合清潔能源的環(huán)保優(yōu)勢(shì)和發(fā)電權(quán)交易優(yōu)化資源配置的作用，提出了計(jì)入碳交易效益的發(fā)電權(quán)交易來(lái)提高清潔能源交易效益的設(shè)想，并建立了計(jì)入碳交易效益的清潔能源發(fā)電權(quán)交易模型。本文在發(fā)揮電力市場(chǎng)、碳交易市場(chǎng)作用上有一定研究意義，對(duì)提高清潔能源發(fā)電權(quán)交易效益方面具有一定的價(jià)值。

1 清潔能源發(fā)電權(quán)交易效益分析

通常來(lái)說(shuō)，發(fā)電權(quán)出讓方、受讓方只有在預(yù)期參與發(fā)電權(quán)交易后有利于提高自身的經(jīng)濟(jì)效益時(shí)才有可能自愿參與發(fā)電權(quán)交易，其利潤(rùn)本質(zhì)上是交易雙方發(fā)電成本差利潤(rùn)。但發(fā)電權(quán)交易的價(jià)值不僅體現(xiàn)在交易產(chǎn)生的成本差利潤(rùn)，還會(huì)產(chǎn)生由于節(jié)能減排而帶來(lái)的其它方面的效益，其中CO2減排效益就是其中之一[11]。并且，在碳交易市場(chǎng)中，企業(yè)可以通過(guò)直接購(gòu)買(mǎi)碳排放權(quán)限額來(lái)抵消超額的碳排放量，從而付出最低的減排成本[12]。換言之，發(fā)電權(quán)交易形成的碳減排量也可以通過(guò)在碳交易市場(chǎng)中出售獲得新的利潤(rùn)，從而提高發(fā)電權(quán)交易的總利潤(rùn)。

提高電源的調(diào)節(jié)能力可以增加清潔能源消納[1]，則在電力市場(chǎng)條件下，清潔能源電廠可以購(gòu)買(mǎi)電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻和備用輔助服務(wù)等增加其電能的消納，這不可避免地提高其經(jīng)濟(jì)成本。那么，清潔能源參與發(fā)電權(quán)交易時(shí)，其交易收益應(yīng)盡可能的全面計(jì)算，才有利于保證一定收益的情況下盡可能提高消納量。在一般的發(fā)電權(quán)交易中，由于碳交易效益不明顯而只考慮交易雙方發(fā)電成本差利潤(rùn)，但在清潔能源發(fā)電權(quán)交易中時(shí)，以清潔能源作為發(fā)電權(quán)受讓方替代發(fā)電的環(huán)保優(yōu)勢(shì)之一正是能夠?qū)崿F(xiàn)CO2的大量減排，如果未能有效計(jì)入碳交易的效益，則不利于突出清潔能源的環(huán)保優(yōu)勢(shì)。因此，在清潔能源發(fā)電權(quán)交易中，需要在考慮交易雙方發(fā)電成本差利潤(rùn)基礎(chǔ)上進(jìn)一步計(jì)入碳交易的效益，由此才能全面地計(jì)算清潔能源發(fā)電權(quán)交易的效益。

2 清潔能源發(fā)電權(quán)交易模型

計(jì)入碳交易效益的發(fā)電權(quán)交易在社會(huì)效用中考慮碳交易效益，再將該模型應(yīng)用于清潔能源參與的發(fā)電權(quán)交易，形成清潔能源發(fā)電權(quán)交易模型，其有利于將清潔能源的環(huán)保優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化為減排效益，從而提高清潔能源發(fā)電權(quán)交易的效益。

2.1 碳交易效益的計(jì)算

為了計(jì)算碳交易效益，需要準(zhǔn)確計(jì)算交易后出讓方的碳減排量。若出讓方為化石燃料電廠，可以采用政府間氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì)IPCC發(fā)布的指導(dǎo)手冊(cè)所提供得碳排放量計(jì)算方法，即能源消耗量乘以能源消耗產(chǎn)生的 CO2的系數(shù)最終得出總排放量；或者采用文獻(xiàn)[13]的方法計(jì)算碳減排量。本文利用碳排放強(qiáng)度系數(shù)計(jì)算出讓方在交易后的碳減排量，進(jìn)一步可得碳交易效益，其公式如下：

式中， C表示某發(fā)電機(jī)組單位電量的碳排強(qiáng)度系數(shù)，單位為t/MWh，不同機(jī)組的C取值不同，通常取值范圍為0.6～1.2t/MWh；E、PC分別表示機(jī)組發(fā)電量、碳交易價(jià)格。

2.2 清潔能源發(fā)電權(quán)交易模型

2.2.1 目標(biāo)函數(shù)

交易的目標(biāo)為雙方交易產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益最大，而社會(huì)效用與碳交易效益的量綱是一致的，那么可在典型集中撮合交易模型基礎(chǔ)上計(jì)入碳交易效益，則目標(biāo)函數(shù)為：

式中，Ps，i，t、Pb，i，t分別表示在第t交易時(shí)段出讓方i申報(bào)價(jià)、受讓方j(luò)申報(bào)價(jià)，pi，j表示交易雙方i、j的單位電量交易成本，Ei，j，t表示在第t交易時(shí)段交易雙方i、j的交易電量，Cs，i、Cb，j分別表示出讓方i與受讓方j(luò)的單位發(fā)電量二氧化碳排放量，Pc表示碳交易市場(chǎng)中單位二氧化碳配額價(jià)格，T表示交易時(shí)段總數(shù)，I、J分別表示在第t交易時(shí)段出讓方數(shù)量、受讓方數(shù)量。

清潔能源發(fā)電過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生溫室氣體，故在清潔能源發(fā)電權(quán)交易中以清潔能源作為發(fā)電權(quán)受讓方時(shí)，其單位電量二氧化碳排放量為0，即，將Cb，j=0其代入公式（2）可得：

2.2.2 約束條件

2.3 清潔能源發(fā)電權(quán)交易模型的優(yōu)點(diǎn)

設(shè)交易中心組織清潔能源參與的發(fā)電權(quán)交易，在典型集中撮合交易模式下已經(jīng)得到滿足約束的交易對(duì)，其中有出讓方I′個(gè)，受讓方J′個(gè)，其最大社會(huì)效用為：

若按照上述模式的撮合結(jié)果作為清潔能源發(fā)電權(quán)交易的撮合方案，根據(jù)公式（4）可得該撮合方案下總社會(huì)效用：

顯然，M2>M1，但對(duì)于清潔能源發(fā)電權(quán)交易來(lái)說(shuō)，此時(shí)的撮合方案未必是最優(yōu)方案，即此時(shí)的社會(huì)效用M2還不一定是清潔能源發(fā)電權(quán)交易的最大社會(huì)效用。換言之，該交易中心按照清潔能源發(fā)電權(quán)交易模型組織交易，則可以獲得一個(gè)最優(yōu)的匹配方案，且有最大社會(huì)效用M3；那么，必有M3？叟M2>M1，即采用清潔能源發(fā)電權(quán)交易模型可以提高交易的社會(huì)效用。這一優(yōu)點(diǎn)可以提高交易雙方經(jīng)濟(jì)效益，從而提高各方的交易的積極性。

對(duì)于典型模式中撮合成功的交易對(duì)，在清潔能源發(fā)電權(quán)交易模型中必能撮合成功；對(duì)于典型模式中某些撮合失敗的交易對(duì)，若滿足：

則在清潔能源發(fā)電權(quán)交易模型中也能撮合成功。換言之，采用清潔能源發(fā)電權(quán)交易模型在交易量充足情況下能夠撮合成功的交易對(duì)比典型模式更多，即前者的交易量更大，故采用清潔能源發(fā)電權(quán)交易模型可以提高交易效率。

3 算例分析

某省豐水期存在大量富余棄水，交易中心組織水火置換的發(fā)電權(quán)交易?？紤]到水電機(jī)組豐水期采用富余棄水參與發(fā)電權(quán)交易，故這里認(rèn)為水電機(jī)組滿足發(fā)電權(quán)交易中對(duì)水電機(jī)組發(fā)電能力、水流平衡方面的約束，并且認(rèn)為撮合結(jié)果滿足電網(wǎng)安全穩(wěn)定等方面的約束。

2016年，中國(guó)火電單位發(fā)電量二氧化碳排放量為0.822t/MWh，火電供電煤耗降至312克/千瓦時(shí)，2017年中國(guó)碳配額均價(jià)為22.33元/噸。為方便計(jì)算，設(shè)定各火電機(jī)組單位電量的碳排強(qiáng)度系數(shù)為0.82t/MWh，碳配額交易價(jià)格為22元/噸。水電廠申報(bào)受讓發(fā)電權(quán)、火電廠申報(bào)出讓發(fā)電權(quán)，發(fā)電權(quán)交易申報(bào)情況見(jiàn)表1；各發(fā)電廠間的交易成本見(jiàn)表2所示。

根據(jù)案例數(shù)據(jù)，分別采用發(fā)電權(quán)交易最大社會(huì)效用模型及清潔能源發(fā)電權(quán)交易模型進(jìn)行計(jì)算及分析，運(yùn)用清潔能源發(fā)電權(quán)交易模型的撮合結(jié)果如表3所示，兩種模型計(jì)算結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表4。

根據(jù)交易結(jié)果，運(yùn)用發(fā)電權(quán)交易最大社會(huì)效用模型時(shí)，其碳減排效益尚未計(jì)入社會(huì)效用中，運(yùn)用公式（1）代入相關(guān)數(shù)據(jù)可得其碳減排效用為9922元，則運(yùn)用發(fā)電權(quán)交易最大社會(huì)效用模型并計(jì)入碳減排效用后的總社會(huì)效用為34872元。而運(yùn)用清潔能源發(fā)電權(quán)交易模型時(shí)，其社會(huì)效用中已經(jīng)包含碳減排效用，總社會(huì)效用為40084元。相比之下，本文提出的模式交易量更高，而總社會(huì)效用提高了14.9%，即驗(yàn)證了該模型具備提高交易效益及交易效率的優(yōu)點(diǎn)?？梢?jiàn)，清潔能源發(fā)電權(quán)交易模型具有明顯優(yōu)勢(shì)，尤其是該運(yùn)用該模型時(shí)不需要復(fù)雜的操作，只需要在一般交易方案中運(yùn)用本模型并改進(jìn)報(bào)價(jià)即可，與現(xiàn)有的實(shí)施方案兼容性良好，容易推廣運(yùn)用。

采用本文所提方案總共消納富余棄水850MWh，其減少了標(biāo)準(zhǔn)煤的燃燒、CO2的排放并提高了經(jīng)濟(jì)效益，具體消納情況見(jiàn)表4。若在清潔能源豐富地區(qū)實(shí)施清潔能源發(fā)電權(quán)交易，可以充分發(fā)揮清潔能源效益，并發(fā)揮清潔能源的減排優(yōu)勢(shì)。以某省為例，該省在豐水期火電的發(fā)電總量約為65.98億千瓦時(shí)，同期水電的富余棄水遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于火電的發(fā)電量。假設(shè)火電有一半發(fā)電量滿足交易的校核條件且清潔能源并入后系統(tǒng)依舊有足夠的調(diào)峰調(diào)頻等能力，預(yù)估可減少32.99億千瓦時(shí)的棄水電量，則清潔能源發(fā)電權(quán)交易效益情況見(jiàn)表5。

4 結(jié)論

本文提出清潔能源發(fā)電權(quán)交易模型，在目標(biāo)函數(shù)中加入了碳交易效益，并通過(guò)折算報(bào)價(jià)的方式引入碳交易效益對(duì)撮合方案的影響，確保取得最大社會(huì)效益的基礎(chǔ)上，促進(jìn)了碳減排。該模型及實(shí)施方案是在現(xiàn)有的發(fā)電權(quán)交易實(shí)施方案中作了一定改進(jìn)，其運(yùn)用與一般實(shí)施方案基本一致，因此這種方式構(gòu)建模型具有很高的可行性，容易推廣。

計(jì)入碳交易效益的發(fā)電權(quán)交易可以準(zhǔn)確、全面的計(jì)算交易的經(jīng)濟(jì)效益，若碳交易效益很小可以忽略，但對(duì)于碳減排的效益較可觀時(shí)則不可忽略。尤其是清潔能源參與發(fā)電權(quán)交易時(shí)，采用清潔能源發(fā)電權(quán)交易模型可以全面計(jì)算其交易的效益，既能夠充分增加清潔能源的效益，又能展現(xiàn)其減排優(yōu)勢(shì)。算例分析表明，本文所提模型能全面計(jì)算清潔能源發(fā)電權(quán)交易的效益，有效地將清潔能源的環(huán)保優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化為減排效益優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益與保護(hù)環(huán)境的雙贏，有利于構(gòu)建清潔低碳的現(xiàn)代能源體系。另外，若遠(yuǎn)期的碳交易價(jià)格走高，則煤電等的碳減排壓力會(huì)增加，采用本文提出的清潔能源發(fā)電權(quán)交易將成為煤電等需要減排的發(fā)電廠商的最好選擇之一。

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