可再生能源配额制下电力市场多主体交易决策优化模型

王 辉，张芮丹，王军杰，薛 璐

(上海电力大学经济与管理学院，上海 200090)

在化石能源不断消耗和环境持续污染的背景下，可再生能源的发展成为全球关注的热点。相对常规能源，可再生能源具有对环境友好和可持续发展的优势，为促进可再生能源的消纳和发展，各国均出台了相应的政策目标[1]。2016年, 国家发改委发布的“十三五”规划指出，为保障2020年实现可再生能源占到一次能源消费比重15%的目标，实施了可再生能源配额制(renewable portfolio standard，RPS)。美国、德国、瑞典、韩国等多个国家开展实施了RPS[2]，并有研究表明RPS加快了可再生能源的发展[3]。2018年11月,国家能源局发布第三版《关于实行可再生能源电力配额制的通知》[4](以下简称《通知》)。随着中国新一轮电力改革的不断深入推进，2019年1月1日起，配额考核正式施行。根据最新发布的《通知》，可再生能源配额制及其配套的绿色证书交易(tradable green certification,TGC)机制，作为配额考核主体之一的售电商要承担一定比例的配额义务。电力市场与绿色证书交易市场之间存在紧密的联系，配额考核政策的落实将对电力市场各主体的经营决策产生重要影响。因此，研究RPS对电力市场各主体交易决策的影响，对于促进可再生能源的发展，优化电力市场与绿证市场的协同运行具有重要的现实意义。

目前，关于可再生能源和配额制的研究主要集中在对发电商策略行为、对电力市场价格和市场能源结构这三个方面。康重庆等[5]在总结外国可再生能源参与市场的经验和交易模式的基础上，分析了中国可再生能源的发展现状、市场结构和未来研究方向，为可再生能源参与市场提供了参考。Pineda等[6]提出可再生能源已成为电力供给的重要来源，可再生能源配额制能有效地加快可再生能源的发展。Alizada[7]探讨了上网电价和可再生能源配额制这两种可再生能源政策在全球的发展进程。肖云鹏等[8]联系可再生能源在各国发展的实际，总结了含有高比例可再生能源的电力市场上的最新研究，提出了中国面向高比例可再生能源的关键问题。面对中国可再生能源消纳带来的挑战，马子明等[9]构建了基于配额制的国家可再生能源市场出清模型以及省级日前市场出清模型，为可再生能源的准确预测和消纳问题提供了新思路。余顺坤等[10]面对可再生能源发展的复杂性，利用系统动力学模型分析了考虑配额制的可再生能源动态发展。刘敦楠等[11]针对电力市场上新能源比例不断增加的现状，设计了可再生能源替代利益补偿偏差的计算办法。孙谊媊等[12]基于绿色证书交易机制提出了发电商和电力交易中心的非合作博弈双层优化模型，该模型可促进可再生能源消纳并提高发电商收益。以中国风电产业为例，Zhang等[13]建立了基于上网电价和可再生能源配额制的可再生能源发电产业长期发展的模型。

目前，前人研究多假设发电商作为配额承担主体，但最新的《通知》已经明确规定配额承担主体之一为售电商。在可再生能源配额制下，售电商作为配额承担主体参与绿色证书交易市场和电力市场交易的研究还较少。基于此，以常规能源发电商、可再生能源发电商和售电商为研究对象，研究可再生能源配额制和绿色证书交易制度对电力市场的影响，建立以各市场主体利益最优为目标的电力市场均衡模型。通过算例仿真验证所构建模型的可行性，并探讨当可再生能源配额占比不断变化时对各电力市场主体行为策略的影响。

1 RPS下电力交易市场架构

RPS下常规能源发电商和可再生能源发电商与电力市场和绿色证书交易市场的交易架构如图1所示。常规能源发电商生产的常规火电和可再生能源发电商生产的可再生绿电在电力市场上通过产量竞争来获取市场份额，同时可再生能源发电商可在绿色证书交易市场上出售对应的绿色证书。由于可再生能源发电商的可再生绿电在电力市场上和常规火电不进行区分，售电商为完成配额要求，只能在绿色证书交易市场上通过绿色证书交易来完成。因此，监管机构对配额义务的承担者售电商进行监管，约束售电商在绿色证书交易市场上积极参与绿证交易以完成配额义务，保证可再生能源的消纳。各电力市场交易主体在电力市场和绿色证书交易市场上的不同策略行为将对这两个市场产生互相影响。

图1 RPS下的电力交易市场架构

RPS下各电力市场主体供应关系如图2所示，常规能源发电商出售常规火电，可再生能源发电商出售可再生绿电和绿色证书，售电商按照配额要求和用户负荷预测进行购买。

图2 RPS下各电力市场主体供应关系

2 RPS下各市场主体最优利润模型

2.1 模型假设

(1)考虑可再生能源配额制对发电商和售电商市场行为的影响，在配额制的约束下，售电商需要承担配额考核义务，配额比例为α。

(2)在电力市场上，常规能源发电商和可再生能源发电商作为发电侧市场主体展开竞争，市场交易电价与市场需求电量呈逆需求函数[14]：

(1)

式(1)中：Ps为市场的交易价格；Qc,i、Qr,j分别为常规能源发电商和可再生能源发电商的市场交易电量；A、d分别为市场电价供应函数系数；I、J分别为常规能源发电商和可再生能源发电商的数量。

2.2 发电商的最优利润模型

根据第三版《可再生能源电力配额制征求意见稿》，各类发电企业不承担可再生能源配额义务，售电公司、参与电力直接交易的电力用户和拥有自备电厂的企业需要承担配额考核，即发电商不受配额约束，售电商将接受配额考核。在电力市场上，常规能源发电商通过出售常规电力获利，可再生能源发电商除出售可再生能源电力，还可在绿色证书交易市场上出售绿色证书以获取经济利益。

2.2.1 常规能源发电商最优利润

常规能源发电商i(i=1,2,…，I)的发电成本和边际电价较低，在电力市场上占据一定优势。常规能源发电商的利润由其在电力市场上的交易收益与发电成本组成，其决策目标为实现经济利益最大化，最优利润模型为

maxTi=PsQc,i-Ci

(2)

式(2)中：Ti为配额制下常规能源发电商的收益；Qc,i为常规能源发电商的成交电量；Ci为常规能源发电商的发电成本。常规能源发电商的二次成本函数[15]为

Ci=ai(Qc,i)2+biQc,i+ci

(3)

常规能源发电商的成交电量在机组的安全出力区间内：

(4)

2.2.2 可再生能源发电商最优利润

可再生能源相比于常规能源具有可持续、对环境友好等正外部性，实施配额制在有效减小常规火电对环境产生负外部性的同时，对可再生能源的消纳起了重要的推动作用。可再生能源发电商j(j=1,2,…，J)的利润包括在电力市场上的交易收益，在绿色证书交易市场上的绿证收益，再减去发电成本，其决策目标为实现经济利益最大化，最优利润模型为

maxTj=PsQr,j+PlQl-Cj

(5)

其中，可再生能源发电商在绿色证书交易市场上的绿色证书价格随着市场对绿证的需求变化而变化，绿证价格的供应函数为[14]

(6)

式中：Tj为配额制下可再生能源发电商的收益；Qr,j为可再生能源发电商的成交电量；Pl、Ql分别为可再生能源发电商出售的绿色证书价格和电量；B、f为绿证价格随绿证需求变化的供应函数系数。

与常规能源发电商相比，可再生能源发电商虽然没有燃料消耗成本，但因其强烈的间歇性、波动性和不确定性，发电成本中运行维修成本和备用成本较高，根据文献[16]，假设可再生能源发电商具有如式(7)所示的二次成本函数：

Cj=aj(Qr,j)2+bjQr,j+cj

(7)

可再生能源发电商的成交电量在机组的安全出力区间内：

(8)

2.3 售电商的最优利润模型

根据可再生能源配额制，售电商需承担配额要求，即购电总量中绿色电力占比需达到α，售电商可向常规能源发电商和可再生能源发电商购买电力，然后在绿色证书交易市场购买一定比例的绿色证书来完成可再生能源配额。

为约束售电商和发电商签约的合同电量与用户实际用电电量保持一定的平衡,对售电商超出一定范围的偏差电量进行考核，即偏差考核。参考文献[11]，假设该地区的允许偏差范围为[β%,γ%]，售电商的偏差量为ΔQd。则当偏差量ΔQd小于β%时偏差电量为Qd-；当偏差量ΔQd大于γ%时偏差电量为Qd+；当偏差量ΔQd为β%～γ%时，不惩罚，计算方式如式(9)所示：

ΔQd=Qa-Qp

(9)

(10)

(11)

则售电商k的偏差考核收益为

Td=PdQe

(12)

式中：Td为售电商k的偏差考核收益；Qp为售电商预测用户电量；Qa为用户实际用电量；Qe为考核电量；Pd为惩罚电价；Sd+和Sd-为惩罚电价的上、下边界。

售电商的利润为出售电力所得的交易收益，减去其所有成本。成本包括在电力市场上向常规能源发电商和可再生能源发电商的购电成本，在绿色证书交易市场上购买的绿证成本，以及偏差考核成本。售电商的决策目标为实现自身经济利益最大化，综上所述，其最优利润模型为

(13)

式(13)中：Ts为配额制下售电商的收益；Py、Qy为售电商与用户的约定电价和电量。

2.4 约束条件

在强制配额义务与其配套的绿色证书交易机制的约束下，售电商的总购电量中绿电占比需达到或超过α，则

(14)

由式(14)可知，配额占比α可以影响常规电力和绿电在电力市场上的市场占有率。

3 RPS下各市场主体最优决策

假设市场采用统一出清方式进行出清，利用逆向归纳法求解各电力市场主体最优交易决策。假设某电力市场上有两家常规能源发电商G1和G2，两家可再生能源发电商G3和G4，他们的预测交易电量分别为Q1、Q2、Q3和Q4。

3.1 常规能源发电商最优交易电量

首先，常规能源发电商以初始售电量Qi进行博弈，追求目标函数收益Ti最大：

(15)

可求出常规能源发电商最优售电量Q1和Q2：

(16)

(17)

3.2 可再生能源发电商最优交易电量

可再生能源发电商以初始售电量Qj进行博弈，追求目标函数收益Tj最大：

(18)

可求出可再生能源发电商最优售电量Q3和Q4：

(19)

(20)

3.3 售电商最优交易电量

售电商以购电量Qs进行博弈：

(21)

可求出售电商对应的购电量Qs：

(22)

3.4 各市场主体最优交易价格

根据等量传递公式[17]，令Q1+Q2+Q3+Q4=Qs，最后将Q1、Q2、Q3、Q4代入式(1)，即可推导出市场均衡状态下的市场交易价格Ps的表达式：

Ps=A-d(Q1+Q2+Q3+Q4)

(23)

4 算例分析

4.1 数据假设及各发电商参数

假设在某电力市场上有4家发电商参与市场竞争，各发电商的基本参数如表1所示。

表1 发电商基本参数

其中，G1、G2为常规能源发电商，G3、G4为可再生能源发电商，同时，该电力市场中售电商对用户的售电价按照当前市场平均价格475 元/(MW·h)计算。其余参数选取及基准值的确定如表2所示。

表2 参数选取及基准值确定

为分析配额制对市场各参与主体的影响，假设Q1、Q2、T1、T2和Q3、Q4、T3、T4分别为常规能源发电商G1、G2及可再生能源发电商G3、G4的交易量和收益。

4.2 RPS对各发电商交易电量的影响

在不受配额约束时，相对于可再生能源发电商，常规能源发电商发电成本、边际电价较低，在电力市场上竞标电价和电量均占有优势，市场份额远远高于可再生能源发电商，使得可再生能源发电消纳问题严重。

为了解决和激励可再生能源消纳，在市场上引入可再生能源配额制及其配套的绿色证书交易制度，由图3可知，随着市场上配额的逐渐增加，为避免因未完成配额被列入不良信用记录的联合惩罚，售电商作为配额承担主体，在电力市场上会随着配额的增加而加大与可再生能源发电商的可再生能源电力购买数量。当售电商向可再生能源发电商购买可再生能源电力的电量不足以满足配额要求时，售电商将在绿色证书交易市场上购买绿色证书用以补足配额要求，与此同时，售电商将逐渐减少常规能源发电的购买数量。由此可见，配额制的实施能有效地推进可再生能源电力的生产和消纳，考虑到常规能源发电对环境带来的负面影响，实行配额制对环境有正的促进作用。

图3 RPS对各发电商交易量的影响

4.3 RPS对各发电商利润的影响

不同配额指标对常规能源发电商和可再生能源发电商利润的影响如图4所示。

图4 RPS对各发电商利润的影响

由图3可知，随着配额需求的不断增大，常规能源发电商G1和G2的发电量逐渐减少，可再生能源发电商G3和G4的发电量不断增加。与此对应的，如图4所示，随着配额的不断递增，G1和G2的利润由于与售电商在电力市场上的购买量的减少而呈递减趋势，与之相反，G3和G4的利润随着售电商在电力市场上购买量的增加呈较快递增趋势。可见，配额对可再生能源的正向激励不断扩大，有利于可再生能源的进一步消纳和持续发展。

4.4 RPS对售电商利润的影响

由于售电商作为配额承担主体，向发电商购买的电量中可再生能源占比需达到α，而现阶段可再生能源电价因其发电成本较高，导致边际电价较常规能源偏高，随着配额不断增加，售电商需要同比增加可再生能源电量和绿色证书的购买。而售电商的售电电价无法随着自身购电成本的不断增加而同步增加，如图5可知，这就导致售电商的利润随着配额的增加而呈现递减趋势。随着市场不断的压缩售电商的利润，售电商为了增加利润，未来将向着多能源互补，电力综合能源服务的方向，扩充自身的服务类型和业务范围。

图5 RPS对售电商利润的影响

4.5 RPS对电力市场交易价格的影响

图6为配额占比变化下市场交易电价的变化情况，配额制的实施虽然有利于可再生能源电力的消纳，但也使得电力市场的交易价格提高。

图6 RPS对电力市场交易价格的影响

综上所述，配额制对环境有正的促进作用，有利于可再生能源的消纳与发展，对可再生能源发电商的激励作用明显，但对常规能源发电商来说是促进其市场转型的重要举措，常规能源将更多的承担起调峰调压的作用。可再生能源发电商通过在绿色证书交易市场对绿色证书进行出售，能够分摊其较高的生产成本，减轻政府的可再生能源补贴压力。但是随着可再生能源发电商的市场份额不断增加，可再生能源发电的不确定性和间歇性可能会对电网的稳定运行带来波动，对电力市场运行带来一定的风险。

5 结论

通过对仿真结果进行分析，结合中国电力市场和可再生能源的发展情况，对各电力市场主体和可再生能源配额制之间的协同发展得出以下结论。

(1)构建出基于可再生能源配额制的结合电力市场和绿色证书交易市场的最优策略模型，用于研究常规能源发电商、可再生能源发电商和售电商在配额发生变化时的策略影响。

(2)实施可再生能源配额制及其配套的绿色证书交易制度能够有效地促进可再生能源电力的消纳，减轻政府的补贴负担。随着配额需求的不断增加，可再生能源的市场占有率会持续增大，售电商和常规能源发电商的效益会有明显下降。根据可再生能源发电的特点，高份额的市场占有率会对电网稳定运行带来潜在风险。针对这类问题，应加快可再生能源技术更新，降低可再生能源发电的成本，从而降低可再生能源电力价格，对于常规能源发电商来说未来需要更多的承担起维持电力市场安全稳定运行的调节作用。

(3)随着可再生能源配额制的正式实施，市场竞争愈加激烈。各电力市场主体在制定交易决策时，可综合考虑用户的用电偏好和需求响应对交易决策的影响，以实现交易决策的进一步优化。