本文摘要:摘要:為了研究引入碳排放交易機(jī)制對綜合能源市場(IntegratedEnergyMarket,IEM)運(yùn)行和多供能主體競價策略的影響,首先,構(gòu)建了多供能主體碳交易獎懲規(guī)則;其次,基于多供能主體獎懲型碳交易機(jī)制建立了多供能主體競價函數(shù)模型;然后,基于納什均衡建立了碳交易機(jī)制下IEM
摘要:為了研究引入碳排放交易機(jī)制對綜合能源市場(IntegratedEnergyMarket,IEM)運(yùn)行和多供能主體競價策略的影響,首先,構(gòu)建了多供能主體碳交易獎懲規(guī)則;其次,基于多供能主體獎懲型碳交易機(jī)制建立了多供能主體競價函數(shù)模型;然后,基于納什均衡建立了碳交易機(jī)制下IEM多供能主體均衡競價模型;鑒于所建模型具有高維非線性的特點(diǎn),采用雙層改進(jìn)型微分進(jìn)化智能優(yōu)化算法對其進(jìn)行了求解。最后,通過算例分析了碳交易機(jī)制的加入對IEM運(yùn)行和多供能主體均衡競價策略的影響,結(jié)果表明所提出的模型和算法可有效求解多供能主體最優(yōu)競價策略。
關(guān)鍵詞:綜合能源市場;碳交易;競價策略;微分進(jìn)化;納什均衡
0引言
隨著我國新一輪電力市場改革和能源市場化改革的逐步推進(jìn),國家發(fā)改委和國家能源局提倡各市場主體加強(qiáng)能源互聯(lián),促進(jìn)多種能源優(yōu)化互補(bǔ)的發(fā)展方式。建設(shè)安全高效、低碳清潔的綜合能源系統(tǒng)市場服務(wù)機(jī)制和能源運(yùn)營模式成為了當(dāng)前的研究熱點(diǎn)[1-2]。各市場主體參與市場競爭是研究建設(shè)綜合能源系統(tǒng)市場服務(wù)機(jī)制和能源運(yùn)營模式主要內(nèi)容之一。在市場各主體競爭過程中,供能主體作為綜合能源市場(integratedenergymarket,IEM)重要參與主體,其選擇合理的競價策略可有效最大化自身效益,增強(qiáng)市場競爭力。
國內(nèi)外學(xué)者已對IEM各主體競價策略開展了一些研究。如:文獻(xiàn)[3]提出了綜合能源系統(tǒng)能源供應(yīng)商、售電商、用戶三主體交互迭代聯(lián)合競價出清策略,解決市場各主體在競爭性市場環(huán)境下如何保持良性運(yùn)作的問題;文獻(xiàn)[4]研究了電-熱IEM聯(lián)合出清機(jī)制下供應(yīng)商策略競價問題,建立了電-熱聯(lián)合市場競價雙層模型;文獻(xiàn)[5]建立了一個考慮綜合能源服務(wù)公司的IEM異步機(jī)制,分析異步市場環(huán)境下綜合能源系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行策略;文獻(xiàn)[6-7]設(shè)計了在開放市場環(huán)境下,各能源服務(wù)商與消費(fèi)者之間的交易機(jī)制,建立能源競價策略集和采購模式,并對綜合能源服務(wù)商之間的非合作競價行為進(jìn)行了數(shù)學(xué)分析。以上文獻(xiàn)在研究IEM各主體競價策略方面具有指導(dǎo)意義,然而,目前相關(guān)文獻(xiàn)中鮮有對碳交易機(jī)制下IEM中參與主體的競價行為進(jìn)行分析研究。
2021年“碳達(dá)峰、碳中和”寫入我國政府工作報告,提出了加快建設(shè)全國用能權(quán)、碳排放權(quán)交易市場,完善能源消費(fèi)雙控制度;為響應(yīng)國家的碳目標(biāo)號召,進(jìn)一步控制能源行業(yè)的碳排放量,國家電網(wǎng)公司也發(fā)布“雙碳”行動方案,其中發(fā)展碳排放權(quán)交易市場是推進(jìn)碳減排相關(guān)目標(biāo)的重要環(huán)節(jié)。因此,研究碳交易機(jī)制下IEM多供能主體均衡競價策略已勢在必行。文獻(xiàn)[8]將碳交易機(jī)制引入電力市場出清均衡模型,分析了碳交易機(jī)制的引入對電力市場均衡狀態(tài)的影響;文獻(xiàn)[9-10]將碳交易機(jī)制應(yīng)用于電-氣聯(lián)合系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型中,改善了不確定性電-氣聯(lián)合系統(tǒng)運(yùn)行問題的經(jīng)濟(jì)性和低碳效益;文獻(xiàn)[11-13]將碳交易機(jī)制引入綜合能源系統(tǒng)中,分析了碳交易成本對系統(tǒng)運(yùn)行的影響。
本文擬考慮碳交易機(jī)制的引入將對IEM運(yùn)行以及各市場主體均衡競價策略帶來的影響,基于多供能主體獎懲型碳交易機(jī)制構(gòu)建碳交易機(jī)制下IEM多供能主體均衡競價策略模型,以控制多供能主體碳排放量,并有效提升多供能主體參與市場競爭的積極性和市場競爭力,降低社會用電總成本。
在碳交易機(jī)制下的競爭過程中,多供能主體制定均衡競價策略以謀求經(jīng)濟(jì)利潤最大化。上述模型為雙層優(yōu)化模型,內(nèi)層為多供能主體競價決策層,外層為IEM出清層,決策層優(yōu)化多供能主體競價作為IEM出清基礎(chǔ),出清層根據(jù)所有IEM各主體的競價信息及系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù),出清各供能主體的中標(biāo)電量、熱量和市場價格,為決策層計算供能主體的收益和優(yōu)化均衡競價策略提供依據(jù)。
在供能主體競價策略優(yōu)化方法的研究方面,文獻(xiàn)[3,14-15]采用以雅克比和高斯賽德爾迭代為核心的對角化循環(huán)迭代方法求解各市場主體的最優(yōu)反應(yīng)函數(shù);文獻(xiàn)[8,16-17]利用(Karush-Kuhn-Tucker,KKT)最優(yōu)性條件,將能源供應(yīng)商競價策略雙層優(yōu)化模型轉(zhuǎn)化成一組非線性互補(bǔ)方程組進(jìn)行求解。目前這兩種常用的方法均有所不足,為避免對角化循環(huán)迭代法求解效率、魯棒性和收斂性較差以及非線性互補(bǔ)算法將雙層模型轉(zhuǎn)換成單層模型的繁雜過程。
本文采用雙層改進(jìn)型微分進(jìn)化智能算法求解所提模型,其基于納什均衡理論,利用納什適應(yīng)度函數(shù),將智能優(yōu)化算法與博弈論方法有效結(jié)合,避免了將雙層優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為單層平衡約束規(guī)劃問題的繁雜過程;同時,鑒于外層是以納什適應(yīng)度函數(shù)為尋優(yōu)標(biāo)準(zhǔn)在可行域內(nèi)搜索各供能主體的所有報價策略組合,內(nèi)層是以電、熱供需總體社會效益最大化為目標(biāo)對IEM進(jìn)行出清,通過雙層嵌套優(yōu)化可在一定程度上彌補(bǔ)常規(guī)博弈論方法在多人博弈和非完全信息下求解效果不理想問題。最后通過算例分析了碳交易的加入對IEM多供能主體均衡競價策略的影響,結(jié)果表明所提出的模型和算法可有效求解多供能主體最優(yōu)競價策略。
1多供能主體碳交易成本計算模型
碳交易機(jī)制是根據(jù)政府分配的碳排放配額對CO2排放權(quán)進(jìn)行交易的機(jī)制。鑒于CO2在6種要求減排的溫室氣體中占比最大,故以每噸CO2的量為溫室氣體排放權(quán)交易的計量單位。國內(nèi)對企業(yè)碳排放配額分配主要采用基準(zhǔn)線法、歷史強(qiáng)度下降法和歷史排放法[18]。本文根據(jù)《上海市2019年碳排放配額分配方案》,以常用的基準(zhǔn)線法確定各能源供應(yīng)商的碳排放初始配額。
根據(jù)政府分配的碳排放配額,本文建立了多供能主體碳排放獎懲規(guī)則。即當(dāng)各供能主體的碳排放總量小于政府分配的碳排放配額,可以通過二次市場出售剩余的無償配額并得到獎勵補(bǔ)貼;當(dāng)各供能主體的碳排放總量超出政府分配的碳排放配額,需要通過二次市場購買碳排放權(quán)并繳納超出碳排放配額的罰金;各供能主體的碳排放總量超出政府分配的無償配額越多,碳交易價格越高,各供能主體同時也需要繳納更多的罰金。各供能主體分別為電力能源供應(yīng)商、熱力能源供應(yīng)商以及電熱耦合能源供應(yīng)商。
2碳交易機(jī)制下IEM多供能主體均衡競價模型
碳交易機(jī)制下IEM多供能主體均衡競價模型是基于博弈論中的經(jīng)典納什均衡理論而構(gòu)成的。不失一般性,本文IEM采用暗標(biāo)拍賣機(jī)制,供能主體需要在市場投標(biāo)結(jié)束前向IEM運(yùn)營商(marketoperator,MO)申報各自的報價策略和可用容量,其中電力和熱力供應(yīng)商需向MO申報各自的供電和供熱的報價和容量,電熱耦合供應(yīng)商需申報電-熱組合投標(biāo)容量和報價以及電熱耦合系數(shù),并以電能作為電-熱組合報價的計量基準(zhǔn),當(dāng)電-熱組合報價的電能獲得出清時,其電熱耦合系數(shù)對應(yīng)的熱能同時獲得出清[4]。在此基礎(chǔ)上,MO根據(jù)事先得到的市場逆需求函數(shù),在滿足輸電網(wǎng)、輸熱網(wǎng)安全約束的情況下,以追求電、熱供需總體社會效益最大化為目標(biāo)對市場進(jìn)行出清。
3綜合能源供應(yīng)商雙層優(yōu)化模型求解
鑒于基于碳交易機(jī)制下的多供能主體均衡競價模型具有非線性和高維度的特點(diǎn),本文采用高效的雙層改進(jìn)型微分進(jìn)化算法對其進(jìn)行求解。微分進(jìn)化算法在眾多智能優(yōu)化算法中是一種簡單有效的智能優(yōu)化計算方法[23],相比于遺傳算法、粒子群算法等其他智能算法,具有收斂速度快、穩(wěn)定性好等特點(diǎn),但在解決多維度、非線性、多耦合的復(fù)雜優(yōu)化問題時,常規(guī)微分進(jìn)化算法在進(jìn)化后期變異階段易出現(xiàn)種群多樣性下降而陷入局部最優(yōu)的問題。
4算例分析
4.1基本數(shù)據(jù)
電力供應(yīng)商C1、C2分別擁有電力機(jī)組G1、G2,電-熱耦合供應(yīng)商C3擁有熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組HS1(G3),熱力供應(yīng)商C4擁有區(qū)域鍋爐HS2,負(fù)荷D1,H1、D2,H2為電熱需求用戶,負(fù)荷D3為純電力需求用戶,系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)見文獻(xiàn)[4]。DL-TVMDE算法參數(shù)設(shè)置:外層三角微分進(jìn)化,種群規(guī)模50,最大迭代次數(shù)200;內(nèi)層三角微分進(jìn)化,種群規(guī)模50,最大迭代次數(shù)100。
當(dāng)碳交易機(jī)制參與市場之后,電力供應(yīng)商、熱力供應(yīng)商以及電熱耦合供應(yīng)商在運(yùn)行時的邊際成本都會增加,各博弈主體的策略性行為將抬高IEM的電價與熱價,以此來實(shí)現(xiàn)各自在市場新形勢下仍然保持其收益最大化的目的。比較考慮碳交易機(jī)制前后各供能主體的供電量、供熱量和各自的收益?梢钥闯,電力供應(yīng)商在考慮碳交易機(jī)制后供電量明顯減少,因?yàn)殡娏⿷?yīng)商均考慮燃煤電廠,其在供電時碳排放量排放較大,使其成本變高,所以在考慮碳交易機(jī)制后,電力供應(yīng)商會策略性減少發(fā)電量,以在市場新形勢下保持較高的收益。
不同獎懲系數(shù)下碳交易價格與碳交易總成本?梢钥闯,碳交易價格處于低值時,無論獎懲系數(shù)取多少,對碳交易總成本沒有影響。當(dāng)碳交易成本出現(xiàn)負(fù)值時,即市場供能主體開始有碳收益時,獎懲系數(shù)對碳交易總成本有較大影響。當(dāng)α=0時,碳交易價格大于24$/t時,市場供能主體碳交易總成本開始有收益;當(dāng)碳交易價格增加到29.2$/t時,電熱耦合供應(yīng)商達(dá)到供能上限,碳交易總成本隨碳交易價格正比緩慢下降。
當(dāng)α=0.2時,碳交易價格大于23.7$/t時,市場供能主體碳交易總成本開始有收益;當(dāng)碳交易價格增加到30$/t時,電熱耦合供應(yīng)商達(dá)到供能上限,碳交易總成本隨碳交易價格正比緩慢下降;當(dāng)α=0.4時,碳交易價格大于23.3$/t時,市場供能主體碳交易總成本開始有收益;當(dāng)碳交易價格增加到32.4$/t時,電熱耦合供應(yīng)商達(dá)到供能上限,碳交易總成本隨碳交易價格正比緩慢下降。
5結(jié)論
本文引入碳排放交易機(jī)制,基于納什均衡建立了碳交易機(jī)制下IEM多供能主體均衡競價模型,并將智能優(yōu)化算法與博弈論方法有效結(jié)合,提出DL-TVMDE優(yōu)化算法求解模型,通過理論和算例分析得到如下結(jié)論:
1)在IEM中引入碳交易機(jī)制后,獎懲型碳交易機(jī)制通過獎勵低排放供能主體和懲罰高排放供能主體,使多供能主體積極主動節(jié)能減排以在碳交易市場獲取效益。
2)碳排放量較大的電力供應(yīng)商,其策略性行為會抬高IEM的價格,且隨著市場價格的提高,綜合能源系統(tǒng)的碳排放總量在不斷減少,有更多的供能主體從碳交易市場獲利。
3)所提出的雙層改進(jìn)型微分進(jìn)化算法可直接對碳交易機(jī)制下IEM多供能主體均衡競價雙層模型進(jìn)行高效求解,避免了將雙層優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為單層平衡約束規(guī)劃問題的繁雜過程。本文研究碳交易機(jī)制下綜合能源市場中多供能主體策略性競價行為,對市場多供能主體爭取自身最大化收益,電力市場設(shè)計者完善綜合能源市場機(jī)制和規(guī)則,以及市場監(jiān)管機(jī)構(gòu)預(yù)防和監(jiān)測市場力濫用行為等均具有重要的工程應(yīng)用價值。
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作者:彭春華1,張海洋1,孫惠娟1,徐銳2
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