多市场情形下燃煤发电企业交易策略分析

2023-02-17张金良王玉珠

电力建设 2023年2期

张金良，王玉珠

(华北电力大学经济与管理学院，北京市 102206)

0 引言

目前，我国二氧化碳排放的主要来源为能源领域的生产和转换，而其中燃煤发电排放在能源领域占35%左右[1]。因此，随着“双碳”目标与新型电力系统规划的提出，我国针对二氧化碳排放主要来源的燃煤发电行业采取了一系列政策措施。2008年3月，作为电力行业特有的交易类型，我国发电权交易正式开始实施。为减少二氧化碳排放，2017年12月，在发电行业率先开启碳排放权交易市场。在上述多种竞争市场环境下，利润最大化成为各个燃煤发电企业追求的目标。发电企业为实现其利润最大化，可以选择参加一种或多种市场型政策交易，即制定不同类型市场下的交易策略。因此，研究发电企业的多市场组合交易策略，对发电企业显得尤为重要。

在单一政策对发电企业的影响上，文献[2]通过建立火力发电企业参与碳排放权交易时的煤炭平仓价格模型，分析了企业的采购策略和抵御风险的能力。文献[3-6]利用系统动力学模型，分别研究了碳排放权交易、发电权交易的各因素对发电商的影响机制。文献[7-8]利用仿真算法模拟发电企业在碳排放权市场中的最优策略行为，来实现发电企业利润的最大化。文献[9-10]分析碳排放限额及分配方式对企业交易的影响，并解释了发电公司在排放管制下基于发电成本和排放强度的战略行为。文献[11]研究了碳成本传导原理及核算模型，以解决碳成本对不同发电机组出清顺序和装机容量不匹配问题。在碳排放权和发电权交易相结合方面，文献[12-14]认为发电权交易和碳排放权交易有一定的联系，并研究了2种政策相结合时企业利润的变化。文献[15-16]在发电权交易和碳排放权交易背景下，构建以区域利润最大化为目标的优化函数，并应用适当的利润分配法对发电机组进行了利润分配。文献[17]分析了有无碳配额时的4种交易策略，在此前提下选出发电商在参与发电权交易时的最优交易策略。还有一些研究将碳税与碳排放权交易相结合，来研究发电商的最优发电计划[18-20]。

随着我国电力体制改革进入新的发展阶段，全国电力市场交易进入活跃期，在全国碳排放权交易市场正式启动的背景下，发电商如何科学合理地选择交易策略，获得最大化利润，对燃煤发电商来说显得尤为重要。然而，目前极少有文献将燃煤发电企业在电能交易、碳排放权交易和发电权交易结合政策下的策略选择展开深入讨论。

基于上述分析，本文将碳排放权交易和发电权交易引入发电企业参与电力市场交易中，对这3种市场交易构建模型，从燃煤发电商利润最大化角度，构建发电商在单纯进行电能交易、单纯进行发电权交易、在电能交易的基础上进行发电权交易或碳排放权交易、同时进行电能交易和发电权交易及碳排放权交易时的5种交易策略，研究发电商如何选择策略来获得最大的利润。

1 模型构建

1.1 发电权交易市场

发电权交易的实质是具有不同发电成本的机组之间通过自发的交易，实现发电效益的补偿[21]。发电份额可以通过初始分配和二级市场交易2种渠道获得。发电商在发电权交易市场的收益Rg为：

Rg=pg(q0i-qi)

(1)

式中：pg为发电权交易的成交价格；q0i为发电企业i的初始发电份额；qi为发电企业i的实际发电量。q0i-qi>0表明发电商i为卖方；q0i-qi<0表明发电商i为买方；q0i-qi=0表明发电商不参加发电权二级交易市场。

机组的实际发电量要在其允许的最大值qmax与最小值qmin之间，即：qmin≤qi≤qmax。

每个发电商的二次发电成本函数Ci(qi)为：

(2)

式中：ai、bi、ci为企业i发电运行的成本系数。

1.2 碳排放权交易市场

碳排放权交易是通过市场经济抑制二氧化碳排放的重要机制。根据一个地区的碳排放总量，运用基线法或其他分配方式[22]，按照一定的分配比例将碳排放配额分配给各发电企业，发电企业根据自身的生产和碳排放实际情况，决定是否在碳市场中对碳配额进行交易。

免费分配为目前我国碳排放配额分配的主要方式，但在实际碳排放权交易试点地区中，大多数试点地区已经开始实行有偿分配模式。假设发电企业分得的免费初始碳排放权配额为：

(3)

表1 各类别机组碳排放基准值Table 1 Carbon-emission benchmark values of various types of units

表2 常规燃煤纯凝发电机组负荷系数修正系数Table 2 Correction coefficient of load coefficient of conventional coal-fired pure-condensing generator set

(4)

(5)

式中：δ为一级碳市场中发电企业拍卖调整系数。

(6)

式中：θ为当企业超出碳排放限额时的惩罚系数。

2 发电商交易策略

发电企业作为理性经济人，做决策时会根据自身发电量的情况，综合考虑碳排放权交易市场、发电权交易市场及电能交易市场中的交易情况，使其自身利润达到最大。所以，发电企业有以下5种决策情形：

情形1：发电企业在发电权市场购买发电权来增加发电量，在电力市场进行电能交易，并对剩余或短缺的碳排放权进行交易。此时，发电企业的利润函数为：

(7)

代入式(1)—(6)，即发电企业的最优决策模型为：

(8)

s.t.qmin≤qi≤qmax

(9)

(10)

式中：pi为电力市场中发电企业i上网电量的成交价格。

式(9)表示发电机组的出力约束；式(10)表示发电企业的碳排放约束，即发电企业通过免费分配、一级碳市场拍卖和二级碳市场交易的总碳配额要大于企业实际碳排放。

情形2：发电企业将所有的发电份额出售，来获得利润，此时发电企业的利润函数为：

π2=pgq0i

(11)

情形3：发电企业根据自己获得的初始发电权量进行发电，并在电力市场上进行出售电能来获取利润，购买或出售多余或者短缺的碳排放权。发电企业的利润函数为：

(12)

代入式(2)—(6)，得发电企业的最优决策模型为：

(13)

在情形3中，发电机组除满足出力约束外，还要满足免费分配到的碳配额与在一级市场中拍卖到的碳配额以及在二级碳市场中交易到的碳配额总和大于企业实际的碳排放。

情形4：发电企业按照初始发电份额进行发电并交易电量。当实际碳排放大于免费配额，则惩罚函数大于0；当实际碳排放小于免费配额，则惩罚函数等于0。发电企业的利润函数为：

(14)

代入式(2)—(6)，得发电企业的最优决策模型为：

(15)

情形5：发电企业发电权市场进行部分发电份额交易，并在电能市场出售电量，但不进行碳排放权交易，只对超出配额的部分支付罚金。发电企业的利润函数为：

(16)

代入式(1)—(6)，得发电企业的最优决策模型为：

(17)

在情形4和情形5中，由于发电企业不进行碳排放权交易，所以其只须满足出力约束，对超出初始碳配额的碳排放量，由企业付出相应的惩罚成本。

3 算例分析

3.1 参数设置

本文以碳排放权交易、发电权交易与电力市场交易为基础，构建了5种情形下以燃煤发电企业利润最大化为目标的规划模型，对燃煤发电企业在多种市场情形下的交易电量和交易碳配额进行决策分析。以3家发电企业参与市场运营为例，各发电企业的参数如表3所示。在电力市场交易中，上网电价为450元/(MW·h)，发电权交易价格为270元/(MW·h)，二级碳市场价格为40元/t，一级碳市场价格为28元/t。

表3 发电企业参数Table 3 Parameters of power generation enterprises

3.2 结果分析

根据表3设定的参数，调用Matlab软件中的fmincon函数对5种情形下发电企业决策模型进行求解，取初始拍卖系数为0.05，惩罚系数为2，所得结果见表4。

由表4可知，从情形1与其他4个情形的利润比较可以得出，对于大容量环保发电企业，通过购买发电权增加发电量，并在电能市场和碳排放权交易市场上进行电能交易和碳排放权交易时利润最大。情形2表明，对于一些计划关停或发电成本较高的小火电机组，在其他情形下，利润为负值，可将其全部发电权电量卖给大容量环保火电机组，以此获得一定的收益。情形3下发电企业1、发电企业2、发电企业3的利润相较于情形4分别增加0.7%、2.7%、8.1%，即相比于单纯的电能交易，发电企业在电能交易的基础上进行碳排放权交易更能有效地增加企业的利润。情形4下发电企业的利润相较于情形5有所增加，即在不进行碳排放权交易时，相较于按照初始发电份额进行生产，发电企业进行发电权交易获得的利润更高。

表4 发电企业在不同情形下的最优交易策略Table 4 Optimal transaction strategies of power generation enterprises in different situations

3.3 灵敏度分析

本文从碳排放权市场和发电权市场出发，分别分析发电权交易价格、碳配额比例、碳交易价格对发电企业利润的影响。

1)发电权价格对企业利润的影响。

不同发电权价格下的各企业利润如图1所示。在考虑发电权价格对发电企业利润的影响时，由于在情形3和情形4下企业不参与发电权交易，所以只考虑剩余3种情况下发电企业的利润变化。从图1可以看出，在情形1和情形5下，发电企业参与的交易包含发电权交易时，企业利润会先随着发电权交易价格的增加而减少，当发电权价格增加到一定值时，企业利润会缓慢增加。例如企业2在发电权价格为300元/(MW·h)以前，利润会随着发电权价格增加而减少，利润在发电权价格为300元/(MW·h)时达到最低点后，又会随着发电权价格的增加而提升。其原因为在利润达到最低点后，发电企业会满足最小发电约束后，将剩余的发电权出售来获得利润。

图1 不同发电权价格下的各企业利润Fig.1 Profits of enterprises under different power-generation right prices

另一方面，从图1可以看出，发电企业在发电权处于不同价格时的交易策略。例如企业3，在发电权价格为150～215元/(MW·h)和230～300元/(MW·h)时，优先选择情形1的策略进行决策；发电权价格在215～230元/(MW·h)时，优先选择情形5进行交易；发电权价格在300～450元/(MW·h)时，优先选择情形2进行交易。

2)有偿拍卖比例对企业利润和碳排放量的影响。

(1)对企业利润的影响。

图2为发电企业在不同拍卖比例下的利润。可以看出，在5种情形下，企业利润都随着拍卖比例的增加而下降，但下降幅度有所不同。情形1和情形3下，企业参加的交易包含碳排放权交易，此时，企业利润与拍卖比例基本呈线性关系。并且可以看出，利润随拍卖比例下降的幅度与企业初始发电计划有关。初始发电计划越大，随着拍卖比例的递增，大容量环保型发电企业利润下降越快，初始发电计划越小，拍卖比例对其影响也越小。即发电企业在参加碳排放权交易时，当拍卖比例较小时，大容量环保企业不仅可以将初始获得的部分免费配额用于自身生产排放，而且剩余的免费碳配额可以在二级碳排放权市场出售从而转化为收益。当有偿拍卖比例不断增加时，可以出售的免费配额量逐渐减少，发电企业购买碳配额的成本也随之增加，导致企业利润下降。

图2 不同拍卖比例下的企业利润Fig.2 Corporate profits under different auction ratios

发电企业在情形4和情形5下，即不参加碳排放权交易时，其利润会在拍卖比例为一定值前没有变化，超过一定量的拍卖比例，其利润会随着拍卖比例下降。如在情形5下，当拍卖比例小于0.6时，发电企业1的利润一直保持在1 990万元。当拍卖比例超过0.6时，企业利润开始随着拍卖比例的增加而下降。原因在于，发电企业不参加碳排放权交易时，拍卖比例会影响其初始碳排放额和罚金。当拍卖比例较小时，其免费获得的排放额高于实际排放量，此时不会有罚金的存在，不存在碳成本。当拍卖比例增大到某一值时，实际排放量超过初始免费碳排放额，企业就必须支付罚金，即产生碳成本，从而降低企业的利润。

在情形2下，发电企业将所有的发电份额出售获取利润，即企业不进行发电。在这种情况下，碳配额拍卖比例的大小与企业的利润无关，所以在此不予讨论。

(2)对碳排放量的影响。

图3为情形1中各拍卖比例下发电企业的二氧化碳排放总量。可以看出，当碳拍卖比例增加时，发电企业排放的二氧化碳随之减少。并且由于不同企业排放特性不同，其碳排放量变动幅度也不同：企业碳排放因子越大，排放量随拍卖比例变化的趋势更明显。在其余情形下，不同碳拍卖比例下的碳排放量变化趋势与情形1大致相同，所以本文只表示情形1中各拍卖比例下发电企业的二氧化碳排放总量。

图3 不同拍卖比例下的碳排放量Fig.3 Carbon emissions under different auction ratios

3)碳价对企业利润的影响。

由于在情形2和情形5下发电企业不参与碳排放权交易，所以只考虑情形1、情形3和情形4三种情况下碳排放权价格对发电企业的利润影响。不同碳价下的企业利润如图4所示。由图4可知，随着碳市场交易价格的上升，大容量发电企业的利润随之增加，小容量发电企业利润随之减少。这是因为，大容量企业获得的免费配额除了供应自身之外，还可以将剩余的免费碳配额在碳排放权市场出售来获得利润，此时碳价越高，企业的利润就会越高。而小企业只能通过购买配额或支付罚金，对小企业来说，碳配额交易价格越高，其碳成本越大，企业利润越低。另外，对于燃煤发电企业来说，相较于单纯按照初始发电份额进行发电并进行电能交易，在电能交易的基础上进行发电权交易能更有效地增加企业的利润。