电网技术：考虑动态碳交易曲线的电-碳市场出清模型及节点边际电价构成机理分析

电网技术：考虑动态碳交易曲线的电-碳市场出清模型及节点边际电价构成机理分析

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考虑动态碳交易曲线的电力-碳市场出清模型及节点边际电价构成机制分析/叶晨 牟宇婷 王贝贝 周一波 杨洲

电力系统技术，2023，第2期：613-623。

01

研究背景

随着全球能源需求的不断增长，化石燃料过度消耗导致的全球气候变暖问题成为当前社会经济发展面临的重大挑战。为实现减排目标，电力行业不断推进多元化清洁能源的开发利用，碳市场被认为是平衡电力经济性和低碳环保性的有效手段。但是现有的碳市场都是基于中长期时间尺度的，由于碳市场与日前电力市场时间尺度的差异，无法实时反映碳市场因素对日前电力市场出清的影响。从国内外碳市场的运行经验来看，由于长期相对确定的碳配额供给与短期不确定的需求之间的矛盾，这种基于中长期时间尺度的碳市场在短期运行中存在一定的风险：首先，这种运行模式会导致交易中心面对碳价频繁大幅波动的情况，无法更好地调度发电侧资源； 第二，政府需要更多的干预来控制碳价，使其逐渐演变为以政府干预为主，而非市场驱动，不符合未来市场发展的趋势；第三，未来当用户侧广泛参与低碳需求响应时，将无法为用户提供稳定、准确的价格信号，因此在较短的时间尺度内释放价格信号，更好地帮助未来发电企业动态掌控碳市场的供需关系，更好地引导未来电力用户更好地响应低碳需求，具有重要意义。

02

主要内容

1）根据供需原理制定动态碳交易需求曲线。

首先，基于发电厂允许排放的碳配额总量根据其生产的季节和日周期预先分配，且随时间段变化的假设，构建电力市场与碳市场相互耦合的结构关系，如图1所示；然后，构建相应的碳配额分配模型；最后，基于基本经济学原理，将碳市场中流动性商品与其价格的关系描述为分段线性函数，构建动态的碳交易供需曲线，以便根据碳市场供需紧张程度对碳市场中流动性商品进行定价，如图2所示。

图1 市场结构关系

图2 动态碳交易供需曲线

2）考虑供需关系和节点边际电价形成机制的电力—碳耦合市场出清模型。

首先，构建包括火电和可再生能源发电在内的多能源发电企业生产成本模型；然后，考虑节点电力平衡约束、碳配额约束、火电出力约束、可再生能源发电出力约束和支路潮流约束等约束，以发电企业生产成本与碳交易成本之和最小为目标函数进行市场出清；最后，通过构建节点边际电价分解模型，得到嵌入碳交易的节点综合边际电价（价格，CETS-LCMP）的构成要素。

3）案例分析。

选取改进的PJM 5节点系统网络进行算例仿真，其中机组G1、G2、G4、G5均为燃煤发电机组，G3为燃气发电机组，节点1除连接燃煤发电机G1外，还连接一台风力发电机组W1。

分析了动态碳交易供需曲线下节点4处CETS-LCMP的组成情况以及交易碳配额/CCER与碳价的变化关系，如图3、图4所示。同时，还对碳市场不同发展阶段的出清结果、不同目标函数下的出清结果、不同可再生能源产出特征下的出清结果进行了敏感性分析。

图3 动态碳交易供需曲线下节点4处CETS-LCMP的组成

图4 碳配额交易/CCER与碳价关系

通过研究分析，得到以下结论：

①CETS-LCMP的价值取决于碳市场发展不同阶段的边际单位和政策；碳市场碳配额需求量与碳价正相关，碳配额/CCER供给量与碳价负相关，碳配额需求量增加，碳价上升；碳配额需求量减少，碳价下降。

②在碳市场发展的不同阶段，随着空间的逐步缩小，碳价格将逐步上升，整体CETS-LCMP也将随之上升，这将进一步激励发电企业通过技术改进节能减排或使用更多清洁能源。

③考虑动态碳交易需求曲线时，反映碳市场实时供需关系，能够使碳排放量与系统总成本达到一定的平衡，具有较高的市场效率，促进了电力—碳市场的有效协调。

④考虑线路阻塞后，CETS-LCMP具有明显的时空异质性，充分体现了电网枢纽平台的配置作用，可根据不同空间分布下的资源稀缺程度调整价格。

03

创新

本文提出了考虑动态碳交易曲线的电力碳市场清算模型，创新点为：

1）针对电力—碳市场难以有效协调，传统能源发电企业和高耗能用户无法控制其碳成本风险的问题，提出了动态碳交易供需曲线。

2）通过将优化模型扩展为拉格朗日函数，构建为节点边际电价分解模型，给出CETS-LCMP各组分的清晰成分形式，从而对CETS-LCMP的电气和碳组分有更直观的认识，有利于指导未来电力终端用户按照CETS-LCMP更好地响应低碳需求。

04

后续研究方向或讨论主题

本文通过动态碳交易需求曲线开发了实时碳价，希望未来随着高比例新能源的广泛接入，电力系统碳交易的时空分辨率能够进一步提高。下一步将考虑不同区域（如我国东部和西部地区）不同碳排放约束下的CETS-LCMP组成，并研究基于CETS-LCMP的需求响应。

参考格式

叶晨,牟宇婷,王贝贝,等. 考虑动态碳交易曲线的电力碳市场出清模型及节点边际电价构成机制分析[J]. 电网技术, 2023, 47(2): 613-623.

叶晨，牟志军，王建军，等． 及曲线的模型[J]. 电力，2023, 47(2): 613-623.

康重庆,杜尔顺,李耀旺,等. 新型电力系统的“碳视角”:科学问题与研究框架[J]. 电网技术, 2022, 46(3): 821-833.

黄红旭,梁睿,张晓彤,等. 碳约束下煤矿综合能源系统多目标配置双层优化[J]. 电网技术,2022,46(5):1731-1741.

彭春华, 张海洋, 孙慧娟, 等. 碳交易机制下综合能源市场多能源供应商均衡报价策略[J]. 电网技术, 2022, 46(2): 463-471.

陈登勇, 刘芳, 刘帅. 基于阶梯碳交易的P2G-CCS耦合气氢混合虚拟电厂优化调度[J]. 电网技术, 2022, 46(6): 2042-2053.

团队介绍

东南大学电气工程学院电力经济与技术研究所主要研究方向为电力市场与监管、需求侧管理与需求响应、能源电力综合系统规划、电力系统节能与经济运行等。研究所现有教授2人、副教授3人，博士生导师3人，博士生22人，硕士生42人。研究所积极推动相关领域科研发展，在需求响应基础理论与应用、虚拟电厂建设运行与新能源市场化交易、基于机器学习的电力市场模拟与推演、能源互联网商业模式等方面具有鲜明特色，在虚拟电厂运行与集控平台开发、电力市场仿真系统与推演平台开发等领域有成功应用。研究所承担国家863项目、国家自然科学基金、美国能源基金会等机构资助的科研项目210余项。

关于作者

叶晨（1998），女，硕士生，主要研究方向为电力市场、碳市场等，E-mail：。

牟玉婷（1990），男，讲师，硕士生导师，主要研究方向为电力市场建模、优化与仿真，E-mail：。

王贝贝（1979一），女，通讯作者，副教授，博士生导师，主要研究方向为电力市场、电力系统优化调度、智能用电、新能源接入系统运行控制等，E-mail：。