碳交易機(jī)制下綜合能源市場多供能主體均衡競價策略

　　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，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)制和能源運營模式成為了當(dāng)前的研究熱點[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)運行的影響。

　　本文擬考慮碳交易機(jī)制的引入將對IEM運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，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，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�？梢钥闯觯�電力供應(yīng)商在考慮碳交易機(jī)制后供電量明顯減少，因為電力供應(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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