基于系统动力学方法的碳市场拍卖比例对我国电源结构的影响研究

张素芳，吕书贺

（华北电力大学 经济与管理学院，北京 102206）

一、研究背景与意义

日渐加剧的全球气候变暖问题对人类的生存和发展形成了重要的挑战，世界各国积极发展低碳经济战略来应对气候变化所带来的不利影响。因此，150多个国家在1997年12月完成了《京都议定书》的制定，书中明确提出运用市场机制来解决温室气体减排的一系列问题，将温室气体的排放权作为一种商品进行交易[1]，这为建立碳排放权交易市场奠定了基础。欧盟在碳交易市场建设中走在了各国前列，发展成为规模最大的国际碳交易机制。欧盟碳排放权交易制度主要分为三个阶段：第一阶段为试验阶段，涉及到的行业主要是电力行业、钢铁行业、水泥行业等温室气体排放量大的行业，为后续阶段的实施提供经验。第二阶段为全面减排阶段，被纳入的温室气体的种类和行业增多，且减排目标有所提升。第三阶段要求更加严格，对于排放总量以及减排目标等做出了更为严格的目标[2]。在三个阶段的发展过程中，逐步提高减排目标并纳入更多的温室气体种类和行业，从而扩大市场规模，促进国家的长期可持续发展。

中国作为全球第一大温室气体排放国，具有很大的减排市场，参与到碳市场建设中是十分重要且必要的。借鉴欧盟碳市场的经验，从2011年国家批准开展碳排放权交易试点工作以来，我国一直在为建立全国性碳排放交易市场不断努力。我国的七个碳试点包括北京、上海、天津、深圳、湖北、广东和重庆。七个试点作为七个独立的碳市场，具有各自的碳交易规则和设定。从2013年到2017年，试点区域的碳交易量达到了两亿吨,交易额累计40亿元。在七个试点的发展过程中，广东和湖北的交易活跃度较高，且产品种类丰富，交易量大，而重庆试点的交易状况较为低迷。在试点发展的经验基础上，2017年12月19日，全国碳排放交易体系正式启动，该体系分为三大建设阶段：基础建设期（2017年—2018年）、模拟运行期（2018年—2019年）和深化完善期（2020年之后）。因为电力行业碳排放量大，数据基础好，产品单一，数据计量完备，配额分配简便易行等优点，电力行业被首批纳入该体系。近十多年来，在国家一系列激励政策的支持下，虽然风电、太阳能光伏发电等新能源在电源结构中的占比越来越大，但火电这一环境污染较大的传统化石能源仍占主导地位。2017年，火电、风电和光伏发电在我国发电中的占比分别为70.92%、4.76%和1.84%。如何更快优化电源结构，是我国电力发展面临的重要挑战，也是实现我国经济可持续发展的重要任务。

二、国内外相关文献研究现状

国外研究碳市场和电力市场的文献均较多，但关于碳市场对电力行业的影响研究还较少，国外碳市场研究主要以欧盟碳市场为主（EU ETS）, EU ETS发展较为成熟，目前大多数文献研究碳定价和碳市场配额分配等方面的问题。Karoline S. Rogge，Volker H. Hoffmann（2010）运用归纳法分析了欧洲碳排放交易系统对发电技术部门创新体系的影响，研究认为欧盟ETS对企业CO2排放的影响，为向低碳过渡奠定了基础[3]。Fei Teng，Frank Jotzo（2017）研究了我国电力市场改革与碳定价的影响渠道，运用概率离散模型分析出电力市场改革与碳定价的密切关系[4]。

国内碳市场的发展正处于起步阶段，因此大多数文献围绕如何建设碳市场的问题进行研究。陈强，蒋传文（2013）研究了不同拍卖比例下电力系统碳排放交易最优经济性，实现了不同拍卖分配比例下的系统碳排放交易性最优，对于电力系统的碳排放交易有参考作用[5]。陈思玮（2017）以河北省为例，研究了碳交易机制对电源结构多目标优化的影响，研究表明在碳交易机制影响下，促进了可再生能源的发展，降低了河北省的碳排放量，提高了资源利用率，促进河北省电源结构逐渐向多元化形式发展[6]。李菁（2015），李欣，曹建华等（2015）研究了我国电源结构的调整方案，阐述了我国电源结构现状中存在的问题以及发展方向[7]。赵新刚，冯天天等（2014）研究了可再生能源配额机制对我国电源结构的影响机理，运用系统动力学的方法，分析了绿色证书市场和电力市场的交互作用，进行模拟仿真和情景分析，表明在市场机制和政府管制的共同作用下，可再生能源配额制能够促进我国电源结构的调整[8]。

目前研究对我国碳市场与电力行业的交互作用的影响不多，且主要以减少电力行业碳排放量为研究目标，对我国电源结构的影响研究相对较少，本文将通过两个市场的相互作用，建立碳市场对电源结构的影响关系，促进电源结构的优化调整。

三、我国碳市场与电力市场简述

（一） 我国碳市场演进

随着京都议定书的签订，我国逐步建设规划全国性碳排放权交易市场。在“十二五”规划中明确提出了运用碳排放权交易等市场化的手段来控制我国碳排放的增长状况。2013年起，我国先后设立了湖北、北京、广东、上海、天津、重庆、深圳七个试点进行碳排放权交易，直到2017年12月，全国碳排放交易体系正式启动。在四年多的时间里，七个试点的市场活跃度、交易量不断提升，履约率不断提高，各试点发展状况不尽相同，广东、湖北的市场活跃度相对较高，而重庆的市场活跃度相对较低，在试点运行的过程中，存在配额分配不精准、碳价波动大、交易制度与规则不完善等问题。目前，20多个行业将近3000家重点排放单位被纳入碳排放权试点市场。截至2017年12月19日，全国7个试点累计配额成交量已经超过2亿吨CO2当量，成交额超过46亿元人民币，成交均价为32.2元/吨[9]。

在碳交易市场发展进程中，配额分配一直是十分重要的环节。EU ETS的制度设计是，采取分阶段逐步提高拍卖比例的方法以发挥市场的作用，主要内容是将拍卖比例由0%逐渐增加到100%，即由政府完全分配配额转变为完全发挥市场作用，以提高碳交易市场的运行效率[10]。本文在设定拍卖比例时参考我国碳市场试点的配额配发模式，在碳市场建立的初期，为吸引企业参与进来，主要以配额免费配发为主，根据碳交易市场的发展情况逐步提高配额拍卖比例[11]。因此，本文在设计拍卖比例情景时，采用循序渐进式，逐步提高拍卖比例，从而研究在拍卖比例升高的过程中，我国电源结构的相应变化，并对降低发电运行成本提出相关建议。

（二） 我国电源结构现状

根据我国的电源结构变化情况，2011—2017年能源发电量如图1所示。从图中我们可以看出，火力发电仍占据我国发电的主导地位，到2017年达到45513亿千瓦时，但由于近年来可再生能源发电的快速发展，火电占比呈现逐年下降的趋势，从2011年的82.45%下降到2017年的70.92%；相比之下，水力发电的占比虽远不如火力发电，但由于我国水力发电技术的日益成熟，水电占比呈现增长的趋势，由2011年的14.12%上升到2017年的18.61%；另外，核电、风电和太阳能发电由于技术要求高，成本巨大等问题，在我国电源结构中的占比较小，但由于近几年可再生能源的大力发展，上述几类能源的发电占比逐年提高，除了作为清洁能源的优势之外，政策支持也使得以上几种可再生能源得到了快速发展。

图1 2011—2017年中国的电源结构趋势① 资料来源：根据中国电力企业联合会网站数据整理。

当前电源结构存在的主要问题是：1.火力发电占比过高。虽然火电占比呈现逐年下降的趋势，但下降幅度并不大。由于我国电力行业发电量总体在增长，火电占比在下降，但其绝对量却在逐年上升，火电在发电形式中处于主导地位。尤其是，我国火电的主要燃料是煤炭，它是一种不可再生资源。过度依赖煤炭资源，不利于我国电力行业的可持续发展，并且存在严重的环境污染问题和碳排放问题；2.虽然近十多年相关政策的大力支持以及电力企业等市场参与者对可再生能源的日益重视，可再生能源的发展有了长足进步，发电比例在增长，但是其占比仍过低，这既包括技术原因，也包括体制机制等原因[12]。

（三） 碳市场与电力市场关系简介

由于电力行业在所有行业中碳排放量最大，仅火力发电企业便占据全国碳排放总量的一半，且具有产品单一，计量方式先进，管理规范使得配额分配更加简便可行，数据基础好等优点，电力行业被最先纳入碳交易市场中。在电力行业企业之间，管理水平的差异能够促进企业之间的竞争关系，对于管理水平较高的企业，其效率也较高，通过先进的减排技术以获得更多的配额，发电机会也越来越大。因此，发电水平较高的企业，在整个碳市场所获得的利润也会越来越多，占据优势地位，能够通过市场参与者的竞争关系达到优胜劣汰的效果，从而提高市场运行效率。

碳市场通过碳排放交易，给电力行业增加了碳排放权配额成本，进而导致了电力行业发电成本中环境成本份额的增加，从而对电力市场产生一定的影响。因此，在研究碳市场和电力市场交互关系时，主要以成本传导机制为基础，研究其对电力价格的影响，进而影响电力市场的供需平衡问题。对于我国的电力价格问题, 本文在研究时假设市场决定电价的条件，从而使碳市场和电力市场的传导过程更加合理流畅，同时也顺应我国电力体制改革的进程，在市场化的基础上研究相关问题。

四、碳市场与电力市场的系统动力学模型

系统动力学是一门分析研究信息反馈系统的学科，也是一门认识系统问题和解决系统问题的交叉综合学科。它是根据系统内部组成要素互为因果反馈特点，从系统的内部结构来寻找问题发生的根源，而不是用外部的干扰或随机事件来说明系统的行为性质。系统动力学对问题的理解，是基于系统行为与内在机制间的相互依赖关系，并通过数学模型的建立与运行的过程而获得的，一步步发掘出产生变化的因果关系。系统动力学模型主要包含三种方程：状态方程、速率方程与辅助方程，与之相对应的三种主要形式的变量是状态变量、速率变量以及辅助变量，除此之外常用的还有常量和外生变量，以此为基础建立仿真模型。

系统动力学方法的主要工具是因果环路图和系统动力学建模。系统建模需要规定界限，本文研究的范围是碳交易市场中的配额分配部分和电力市场模型。对于模型的具体内容，需要设定市场之间的相关因子，主要包括内生因子和外生因子，其中内生因子包括：拍卖配额，各类能源在建装机容量，各类能源的装机容量，各类能源的发电量，各类能源的发电成本，各类能源的CO2排放量。外生因子主要有：国内生产总值，电力需求，拍卖比例。碳交易市场拍卖比例和电力市场电源结构的关系，通过成本传导，进而影响厂商利润，从而使各类能源的发电供给量得以改变，达到调整电源结构的目的[13]。

在建立模型的时候，本文做了相应的假设条件，这样能够使得模型更加合理。为了使碳交易市场和电力市场的模型更加清晰直观，本文提出以下假设条件：

1. 本文关于电力行业的研究对象—碳配额需求者为发电企业。在模型中我们研究的是电源结构的相应调整，即传统能源发电量与各类可再生能源发电量的结构比例调整。因此，在本文的模型中，仅考虑拍卖比例对发电企业所带来的影响。碳配额分配给发电企业，从而使发电企业的成本受到相应影响，进一步影响发电厂商的利润，从而促进厂商调整各类能源的发电量占比。

2. 本文假设市场决定电力价格。在我国当前电力体制中，电价主要受政策影响从而波动较小，但我国电力行业正在进行电力体制改革，逐渐发挥市场作用，电力价格也在一步步摆脱制度限制，因此本文在研究电力价格相关问题时，以市场作用为主，具有更加深远的意义。

3. 本文的碳配额拍卖比例为情景设定。由于我国碳排放权交易市场处于初步发展阶段，因此对于碳配额拍卖比例的相关政策制定还相对欠缺[14]。借鉴欧盟碳市场以及中国碳市场的试点经验，市场初期的配额分配以免费配发为主，而用于竞价拍卖的配额仅占5%甚至更低，因此从当前的政策角度考虑不符合本文的研究思路[15]。基于配额分配现状，本文设定不同梯度的拍卖比例，以期更加直观的展现拍卖比例对电源结构的影响效果并从中寻求最有利于电力市场发展的拍卖比例。

4. 本文考虑的可再生能源发电包括：水电、核电、风电和太阳能发电。由于生物质能发电的占比较小且数据较难获取，本文在考虑电源结构时，可再生能源发电未考虑占比较小的能源，这对于本文研究的方向和目的影响不大[16]。

（一） 碳市场与电力市场交互作用的因果环路图

系统动力学是建立在各因素之间的因果关系和反馈机制的基础上的。图2是碳交易市场与电力市场相互作用的因果环路图，这为后面建立系统动力学仿真模型奠定了基础。

图2 碳配额拍卖比例与电力市场交互作用的因果环路图

在碳市场中，碳配额总量和拍卖比例会影响用于竞价拍卖的碳配额，当拍卖比例增加时，政府免费分配的配额量相应减少，因此用于竞价拍卖的配额增多，这使得市场中的预计销售量和预计购买量相应变化。由于碳配额总量受政策制定的限制有上限值，因此供给的变化幅度较小[17]。当竞价拍卖的配额增加时，碳市场的作用力加强，电力行业的CO2排放作为成本计算到发电成本中，相当于提高了电力行业中碳排放权配额成本，从而促使电力行业降低各类能源的CO2排放量，达到节能减排的目的。当拍卖比例持续增加后，产品总量的上限会使交易运行达到稳定状态，从而使超额需求逐渐降低，因此，在碳市场的因果关系中，在一定程度上表现为正反馈机制，当比例升高到一定程度时，则会使市场因素之间呈现负反馈状态，本文研究正是寻找更具有市场效率的碳配额拍卖比例[18]。

在电力市场中，当碳排放权配额成本提高后，会导致电力行业发电成本中环境成本份额的增加。从电力供给者角度考虑，基于成本利润的额市场驱动，由于传统能源和各类可再生能源发电的CO2排放量（排放系数）不同，会使得煤电厂商和可再生能源厂商的利润空间成反向变化，进而使传统能源的装机容量和可再生能源的装机容量呈现相反的变化趋势，电源结构得到重新配置[19]。从电力需求角度，除受到宏观经济中消费系数的影响之外，发电成本的变化会使得煤电和可再生能源发电的价格受到影响，从而影响电力需求。在碳市场的影响下，电源结构得到优化调整[20]。

（二） 碳市场与电力市场交互作用的系统动力学模型

系统动力学模型根据因果环路图建立相应的流量存量图，如图3所示，建立相应的变量关系，建立方程与对应的程序，对模型进行初步检验与评估。模型中存在几个状态变量：拍卖配额，电力行业CO2基准排放量，可再生能源装机容量和传统能源装机容量。模型中的速率变量包括：年度综合发电量排放基准，各类能源厂商的利润率以及拍卖比例。上述速率变量和状态变量之间用数学关系表达，模型中的其他变量为辅助变量和外生变量。在该系统中，碳市场的拍卖配额会影响各类能源的发电成本，进而影响厂商的利润状况，从而使厂商调整不同能源发电的装机容量，最终使得各类能源的发电量得到相应调整，从而使电源结构得到优化。而各类能源发电量的变化会改变CO2排放量，从而改变碳市场配额，形成环路。

图3 碳市场和电力市场相互作用的流量存量图

五、情景模拟与结果分析

（一） 参数设定及数据处理

1.常量。根据电力需求与GDP之间的关系，我们通过回归分析，得出二者之间存在正相关关系，因此本文通过GDP的增长率来间接确定电力需求增长率。

2.外生变量。本文考虑各类能源的发电占比情况，以2017年的最新数据为基础，表4-2为2017年各类能源发电量的基本情况。本文研究的电源种类包括水电、火电、核电、风电和太阳能发电，因此，为电力需求的初始值进行赋值时，采用以上几种能源的需求量之和，即电力需求初始值=火电+水电+风电+核电+太阳能发电（2017年度），为64180亿千瓦时。

3.状态变量。拍卖配额是配额总量与拍卖比例的函数，即拍卖配额=配额总量*拍卖比例。而各类能源发电的CO2排放量=各类能源的CO2排放系数*各类能源的发电量。各类能源的装机容量是电力需求和厂商利润的数学函数，运用历史数据以及EVIEWS回归分析，得出具体的数学关系式。其初始值设定为2017年底的装机容量，其中火电装机容量为110604万千瓦，可再生能源发电装机总量为67093万千瓦。

4.辅助变量。各类能源的发电量=各类能源装机容量*装机平均利用小时数，其中可再生能源装机平均利用小时数为各类可再生能源的设备利用小时数的加权平均数，可再生能源利润与传统能源利润是其对应能源的发电成本的数学函数。由于拍卖配额的变化会导致电力行业碳排放权配额成本相应变化，进而改变发电成本，因此，系统中设定发电成本与拍卖配额的关系，通过文献中对拍卖比例与成本数据的数学关系以及EVIEWS的回归分析，确立发电成本与拍卖配额之间的数学关系式。

5.速率变量。年度综合发电量碳排放基准与时间存在数学关系，可再生能源装机容量是电力需求与可再生能源厂商利润率的函数，传统能源的装机容量是电力需求与传统能源厂商利润率的函数。拍卖配额是配额总量与拍卖比例的数学函数，即拍卖配额=配额总量*拍卖比例。

6.拍卖比例设定。本文研究碳市场不同的配额拍卖比例对于电源结构的影响，由于我国碳交易市场处于初级阶段，配额分配的相关问题还没有完全落实，本文将配额分配分为免费配发和竞价拍卖两种形式。本文研究借鉴国外碳市场的发展经验以及我国碳市场试点的发展经验，设定4个梯度的配额拍卖比例，主要依据碳市场发展的不同阶段，逐步提高拍卖比例。如表1所示，为拍卖情景设定。

表1 拍卖比例情景假设

（二） 模拟结果分析

通过软件的模拟结果，我们得到了在四种不同情景下的各类能源发电量趋势图。

图4 可再生能源发电量在不同拍卖比例下的趋势图

可再生能源发电量的具体趋势图见图4，从左上至右下，依次为0%到100%。从图中我们可以看出，拍卖比例的变化对可再生能源的发电量具有方向性的影响，当逐渐增大拍卖比例时，可再生能源发电量的趋势由下降转变为上升，而在5%和100%的拍卖比例下，可再生能源的发电量趋势大体相同，而在上述几种情景下，50%的拍卖比例最有利于可再生能源发电的发展。

拍卖配额的趋势图如图5所示，随着碳市场的发展，拍卖配额的比重占配额总量的比重越来越大，拍卖配额量呈现上升趋势，从而发挥市场的作用，提高市场运行效率，且用于拍卖的配额增加对CO2减排具有正反馈作用，因此拍卖配额呈现指数增长，当达到减排目标后，增速会逐渐下降且趋于平缓，由于本文研究拍卖制度对电源结构的影响，未将减排目标考虑进来，因此图中呈现的是指数增长部分。

图5 拍卖配额趋势

拍卖制度对传统能源发电厂商和可再生能源发电厂商的利润空间影响呈现相反的变化，传统能源厂商利润呈现下降趋势而可再生能源利润空间呈现上涨趋势，这是因为拍卖制度的实行，增加了电力行业CO2的碳排放成本，而传统能源的单位CO2排放量远远高于可再生能源，因此厂商更多的选择使用可再生能源发电，而传统额能源发电则逐渐减少。在市场作用下，电力行业CO2排放量用于碳市场分配配额的比重逐渐增长，即应用于市场的碳排放量越来越多，也就是说纳入电力行业碳排放权成本的份额越来越大，这也有利于碳减排的实施。

六、结论

2017年12月，我国启动了全国碳市场体系，电力行业是唯一纳入该市场的行业。全国碳市场的建立，对我国发电结构将产生什么影响，是一个十分值得研究的课题。本文运用系统动力学模型，研究碳配额不同拍卖比例对我国电源结构的影响。本文所得主要结论是：

（一） 拍卖制度有利于可再生能源发电的发展

拍卖比例的变化对可再生能源的发电量和发电成本具有显著影响。但是，拍卖比例并非越高越有利于促进可再生能源发电的发展，存在一个最优拍卖比例。

（二） 拍卖制度对传统能源发电量和装机容量的影响较小

拍卖比例的变化对我国传统能源发电量和装机容量的影响趋势较小。我国传统能源发电为主要发电形式，碳市场的拍卖制度的实施不能撼动传统能源发电的地位，对其影响不大。

（三） 拍卖制度有利于碳配额总量的增长

由于拍卖制度主要发挥碳市场中的市场供需调节，因此，拍卖比例的增加能够提高市场的运行效率，碳市场配额份额也会相应增加。换言之，拍卖制度的实施对碳配额总量的增长具有促进作用。

（四） 电力行业是目前唯一纳入碳市场的行业，电力市场与碳市场关系极其密切

目前，由于我国市场化电价体系尚未建立，影响了发电成本的传导，将影响碳市场的有效性。因此，我国应积极推进电力市场改革，尤其是电价形成机制改革，使市场之间的成本传导更加顺畅。

（五） 拍卖制度的实施有利于市场参与者的发展，能够提高市场参与者的积极性

随着碳市场的发展，CO2排放总量会逐渐下降，使得拍卖配额达到一个饱和值，因此，拍卖制度的实施对拍卖配额的影响经历了指数增长到逐渐平稳的过程。积极发展碳市场拍卖制度有利于碳市场的发展，能够促进供需双方的交易，促进碳市场的发展以及实现CO2的减排目标。

由于数据及本人研究能力所限，本文还存在一些需要改进的地方：1、本文设定了很多假设条件，虽然使模拟结果更加清晰直观，但也造成了研究基础与现实情况存在一定差距。2、由于数据所限，在选取数据时未采用生物质能等能源的相关数据，研究结果会产生细微偏差。3、本文的拍卖比例设定较为粗略。未来的研究中，可细化拍卖比例的设定，充实数据，并考虑更多的现实因素，使模拟结果更接近现实，为相关政策制定提供更加科学的建议。