大数据驱动下电-碳市场耦合及协同发展研究综述

冯天天，李 晏，孙晓琪，王浩然

（中国地质大学（北京），北京 100083）

0 引言

温室气体大量排放加剧全球变暖，气候变化已成为热点议题[1-4]。联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）发布的《气候变化2023》报告指出目前国际控排投入还无法实现既定的气候目标[5]。因此，各国未来将持续推进低碳政策实施[6]。其中，碳市场是控制温室气体排放的重要政策工具[7-8]。而化石能源作为电力行业重要燃料来源，燃烧过程中会产生大量的二氧化碳排放[9-12]。2021 年，燃煤发电的二氧化碳排放高达9.7×108t。截至2022 年，燃煤发电仍占全球总发电量的30%以上[13]。因此，电力行业被列为碳市场重点监管对象[14-20]，如何减少电力行业碳排放成为实现“双碳”目标需要解决的关键问题[21-22]。

虽然电力市场与碳市场分属不同领域，流程独立，但是在“双碳”目标下，尤其是在新型电力系统建设背景下，两个市场都被赋予了促进电力行业低碳发展和新能源消纳的重要任务。电—碳市场协同发展势在必行[23-24]。基于此，两市场如何交互才能更高效地实现控排降碳引起了学者的广泛关注。当下，学者普遍认为碳市场对电力市场的运行会产生深刻影响[25]。然而，较少有学者对两市场间协同耦合机制展开综述分析[26]。此外，传统的文献综述侧重较为简单的市场影响分析，而文献计量法能为两市场耦合机制知识演进与热点分析提供新方法，具有从海量文献数据中提取信息分析的优势[27]。

综上所述，本文采用CiteSpace 展开文献可视化分析，基于1991—2022 年电-碳市场2 563 条文献数据进行知识图谱绘制以及图谱结果解读，对电碳市场融合发展的研究现状进行整理，对核心作者、重要研究团队及研究脉络做出全景式的介绍。基于文献计量分析结果，本文深入探讨电-碳市场耦合机理、耦合方式及耦合效果，并基于此提出两市场耦合发展的建议。

1 电-碳市场耦合研究发展脉络

本文采用Electricity Market 和Carbon Market 2 个主题词在Web of Science 核心集进行检索，检索时间为1991—2022 年，检索得到3 597 篇相关文献数据。通过CiteSpace 自带的数据处理功能对数据进行降重处理，去除重复数据40 条，不符合分析要求数据1 034 条，最终得到分析数据2 563 条，将所得数据导入CiteSpace 软件[28]进行电-碳市场文献计量分析。

电-碳市场关键词时间线分析如图1 所示。其中，右侧展示了关键词聚类分析中前5 个聚类结果；carbon 为 碳，carbon dioxide 为二氧化碳，carbon emission 为二氧化碳排放量，carbon tax 为碳税，EU ETS 为欧盟碳市场，electricity market 为电力市场，market 为市场，energy 为能源，energy market scenarios 为能源市场情景，energy trading 为能源交易，energy efficiency 为能源效率，bioma（biomass）为生物质，gas 为天然气，climate change 为气候变化，diffusion 为扩散。红色部分为关键词突现分析，往往是对领域内研究有突出贡献的关键词才会突现出来。从聚类结果可知，电-碳市场耦合研究中，能源效率、能源市场情景分析、欧盟碳市场以及能源交易是研究的热点。

图1 关键词时间线分析知识图谱Fig.1 Knowledge map of timeline analysis of key words

从关键词的时间演进趋势来看，主要分为3 个阶段：第一阶段为1993—2005 年；第二阶段为2006—2015 年；第三阶段为2016 年之后。在第一阶段，学者重点关注碳排放问题，研究持续时间长。随后，学者开始对能源效率、气候变化、电力市场及可再生能源等方向感兴趣。其中，关于市场和碳税的研究也获得了学者关注。此外，关于能源的研究持续时间较长，且不时会出现重要的研究进展。

第一阶段（1993—2005 年），由于欧盟碳市场还未成立，学者更关注电力部门如何减少碳排放，后期才逐步关注电-碳市场耦合研究。早期，Farrell A提出国际排放权交易有利于控排降碳[29]。Boots M 指出碳交易实施后，碳成本会反映在电力现货价格中[30]。

在此期间，学者Sijm J 是最早开始研究电-碳市场关联关系的一批学者，其聚焦在欧盟碳排放对电力市场的影响，如电价、企业利润、排放[31]以及电力市场交易结果[32]，后期比较关注电价和碳价之间的传导问题[33]。Sijm J 与Yihsu C 使用经济学理论和博弈模型相结合的方式研究碳价对电价传导问题，研究发现电力公司将碳成本转嫁到电价中，而由于配额的免费获得意外利润[34]。

第二阶段（2006—2015 年），有关欧盟碳市场研究较为火热，延续第一阶段碳价传导率以及碳市场对电力行业影响的研究，学者开始关注碳市场对发电端能源市场投资决策的影响。此外，逐渐有学者以中国作为基准情景，研究电-碳市场耦合关系，并取得重要研究进展。

Yihsu C 开始研究电-碳市场交互作用的时间较早，且持续时间长。Yihsu C 团队主要关注碳价对电价传导、电-碳市场的交互作用、基于电-碳市场交互作用导致的碳泄漏问题以及碳税相关的研究，研究的基准情景也多以欧洲、美国为主[35-57]。此外，Foxon Timothy J 团队聚焦研究低碳电力系统发展和能源管理，研究成果低碳电力系统路径分析引起学者广泛关注[38]，其与Hall S 合作研究发现能源融资有助于能源低碳转型[39]。

同时，中国Boqiang Lin 团队研究方向多，擅长大型模型构建和分析，虽没有聚焦在电-碳市场耦合研究上，但团队对中国电-碳市场交互关系的实证分析具有较大的影响力。Boqiang Lin 团队通过动态可计算一般均衡模型（CGE 模型）研究碳市场对电价的影响，发现碳市场运行可以大幅提高电价[40]。该团队还发现碳市场和化石能源市场间的溢出效应强度和方向具有时变性和不对称性[41]。

第三阶段（2016 年—至今），学者对电-碳市场耦合研究更加深入，从动态的视角下分析电-碳市场相互作用，研究方向更加细化，学者更加关注碳市场建设给电力市场带来的新变化和挑战，希望解决电-碳市场耦合下如何更好发展电力市场的问题，如需求侧管理、储能以及低碳电力系统转型等。第三阶段研究团队多，研究成果丰富，以下介绍几个研究成果较为突出团队。

Strbac G 较早关注到受碳市场影响下电力市场需求侧管理问题[42]。其团体主要研究碳市场背景下电力市场如何发展，如低碳能源系统建设[43]，如何实现向低碳电力系统过渡[44]以及储能价值分析[45]。其次，Jiahai Yuan 团队成员较多，研究方向广泛，主要以中国为例进行实证分析。该团队不仅研究碳市场对电力市场影响[46]，还研究电力市场对碳市场的影响，如电力市场转型对碳排放的影响[47]，并且关注到在碳市场影响下可再生能源发电经济性问题[48]。此外，Bangzhu Zhu 团队对电-碳市场相互作用进行动态多时间尺度分析[49]。此外，Bangzhu Zhu 与Ping Wang 合作研究电力调度对碳排放的影响[50]以及电-碳市场风险溢出效应[51]。

同时，部分小团队也聚焦在电-碳市场耦合研究。如Wei Li 团队使用CGE 模型设定多情景仿真模拟碳市场对电力市场的影响[52-53]。Yanbin Li 团队比较关注碳市场溢出效应[54]以及碳市场对可再生能源电力的影响[55]。Dongxiao Niu 团队更多关注电力行业碳减排[56]，建议对电网碳减排因子进行标准化设置[57]。

总而言之，热点研究主要经历了3 个阶段的变化。第一阶段研究热点是如何减少碳排放，体现出了学界对气候变化的开始关注。随着欧盟碳市场的建立，学者开始关注碳成本对电价的影响。后来，学者对此展开了深入的研究且持续时间较长。因为非化石能源能有效减少电力市场碳排放，导致能源问题成为贯穿电-碳市场耦合机制研究的热点主题，基于此，在第二和第三阶段，学者普遍表现出了对能源问题的关注，具体体现在低碳能源系统、低碳电力系统、可再生能源发电技术及并网可行性等研究方向。此外，因为中国“双碳”目标的提出以及全国碳市场的建立，且电力行业是唯一被纳入碳市场的行业，第三阶段涌现出较多中国团队关注电-碳市场耦合主题研究，并形成了较为大型的研究团队。电-碳市场研究边界进一步扩大，研究深度得到拓展。此外，部分小型研究团队也做出了较为重要的研究成果。

2 电-碳市场耦合机理分析

碳排放权交易机制设定强制性的碳排放总量目标，通过配额分配机制内化企业环境污染产生的外部成本[58]，并允许企业进行有偿的碳配额交易，期望通过市场手段达到企业减排的目的[59]。电力市场是指竞争性电力市场，发电端和购电端通过协商、竞价在市场中进行电能量竞争性交易，主要分为现货市场和中长期市场[60]。虽然电-碳市场运作相对独立，但关联密切。电-碳市场耦合机理如图2 所示，两个市场在政策目标、交易主体、政策设计及政策重要组成部分等方面存在重合交互。其中，中国核证自愿减排量（China Certified Emission Reduction，CCER）是将温室气体减排项目所吸收的二氧化碳进行量化、核证、出售的标的，CCER 交易市场是全国碳排放权交易市场的关键补充。

图2 电-碳市场耦合机理Fig.2 Electricity-carbon market coupling mechanism

首先，电-碳市场的政策目标存在重合，即支撑双碳目标实现，碳市场是重要的控排降碳的政策手段，通过设立碳排放配额、碳交易等方式，引导企业减少碳排放，寻求可持续发展。同时，电力市场也在积极推动电力能源结构转型，通过增加可再生能源的比例，提高能源效率，减少化石燃料的使用，构建低碳电力系统，朝向低碳化的方向发展。

其次，由于化石能源企业二氧化碳排放量较大，且发电行业管理制度相对健全，数据基础比较好。为循序渐进推动碳市场建设，发电企业被首先纳入碳排放权交易控排履约范围，导致碳市场建设初期就与电力市场交易主体高度重合，与电力市场产生紧密衔接。

再次，碳配额是影响碳市场运营的重要因素，而配额总量设定与分配方案的设计是参考电力市场中控排企业的历史排放量确定的。同时，重点排放单位可在碳市场就配额进行交易，如果没有按时完成碳配额履约目标将面临罚金。此外，碳交易的监测、报告和核查体系主要监管控排企业温室气体排放，也将影响电力市场参与主体的企业活动，尤其是化石能源发电企业需要定期向省级主管部门提交企业碳排放报告进行审核。

最后，电力市场和碳市场的重要组成部分存在紧密联系。电力市场中绿电交易和碳市场中温室气体自愿减排项目都具有环境权益价值，可再生能源发电企业可以同时参加碳市场和电力市场交易，即可通过申请温室气体自愿减排项目销售给其他控排企业抵消碳配额获益，或者通过售卖绿电获得收益。未来，当碳市场覆盖主体范围扩大，可再生能源发电企业也可以选择向有配额需求的控排企业销售绿电从而获得收益。

3 电-碳市场耦合方式分析

基于电-碳市场耦合机理分析，接下来从电-碳市场价格机制耦合、市场交易耦合及交易信息耦合3 个方面对电-碳市场耦合方式展开分析，具体耦合方式如图3 所示。

图3 电-碳市场耦合方式Fig.3 Electricity-carbon market coupling approach

首先，在电-碳市场价格机制上，碳市场可通过配额配置释放价格信号，进而影响电力市场。免费碳配额数量的多少影响碳市场交易中有偿碳配额的稀缺程度，即影响碳价的高低。碳市场的出现提高了化石能源发电企业的成本。发电端成本的变化将促使发电企业提高上网电价，进而传导到用户端，反映在用电价提高。而用电价的提高缩小了可再生能源发电企业与化石能源发电企业之间的相对价差。短期内，由于可再生能源装机量不足以及发电波动性大的特点，将会影响电力系统稳定性。长期来看，碳成本将会促进电源结构转变，可再生能源装机增加，绿电交易量扩大。

其次，在电-碳市场交易上，电-碳市场通过市场参与主体行为耦合。由于各地区碳市场的规则和完善程度不一，市场交易主体基于个体利润最大化原则在电力市场交易中会采取两种不同的交易行为策略：（1）在现货市场交易中，两个市场的价格传导变化会影响电力现货市场边际出清价格以及电力调度优先顺序，市场原有的均衡状态被打破，进而影响市场主体的报价策略及博弈关系；（2）在中长期电力市场交易中，购电商会根据各地区碳市场的建设情况以及碳市场政策的稳定情况进行交易对象的选择。长期来看，市场交易主体会采取清洁化生产降低碳成本，碳市场如果想一直发挥信号作用，需要根据电力市场变化调整配额和拍卖比例。

最后，在电-碳市场交易信息上，由于电-碳市场参与交易主体高度相同，交易标的价格及数量互相影响，以及市场间交易行为互相影响导致两个市场间交易信息关联度高。电力市场环境权益的核算核查和数据信息将直接影响电-碳市场的交易情况。在电-碳耦合市场体系中，碳市场往往作为信息的接受者，接收着来自各电力企业不同程度的信息外溢。

4 电-碳市场耦合效果分析

首先，在电-碳价格传导方面，学者普遍认为碳价上涨将化石能源发电企业环境外部成本内化为企业内部发电成本，发电成本向下游传导，最终将导致上网电价和销售电价的上涨[61]。同时，学者指出碳价对电价的传导是不完全的[62]。通过电-碳市场动态多尺度的相互作用研究，学者提出短期碳价对电价有较强的影响，长期这种影响会减弱[63]。随后，学者通过多种模型和统计的方法量化研究碳价影响下电价波动比率，研究认为碳价对电价虽然有积极的影响，但是这种影响不是很稳定，会受到外部因素的干扰[64]。之后，学者开始关注碳价的驱动因素。研究发现电价、碳价和燃料价格存在长期关系，低碳价会减弱电价和碳价的联系[60]。学者普遍认为电源结构的类型和占比是导致碳价变化的重要因素[65]。

其次，在电-碳市场交易方面，因为目前碳成本被纳入市场调度决策中，学者指出由于燃煤机组减排成本高于燃气，因此在相同需求的情况下，电力批发市场的出清顺序或将被改变。此外，电力市场的运行出清结果也是确定碳排放权市场配额的重要考量要素[5]。同时，由于分布式能源[66-67]、微网[68-70]以及储能[71-74]的发展导致了大量工商业主体涌入电力市场，使得电力市场的博弈愈发复杂。有学者指出未来可以考虑加入报价的博弈行为分析。此外，学者认为两市场耦合有利于优化电源结构，促进新能源市场发展[75]。同时，需求侧响应技术[76-77]的发展应用也将深刻影响电力市场交易行为，动态需求侧响应机制有助于降低电力市场出清价格，优化电力系统管理[78]。有学者基于需求响应设计出计及电碳交易市场耦合的多个市场主体的成本效益分析方法[79]。

最后，在电-碳交易信息方面，电-碳市场联系越紧密，两市场的业务数据交互频度越高，深度越广，且两市场信息交互将会影响市场交易情况。但随着碳市场和金融市场的变化，电力企业的信息外溢情况并不稳定。学者认为指出碳价格回报和电力股票回报之间存在很强的信息相互依赖性，但两者的关系具有不对称性[80]。大型电力公司比小型电力公司倾向于为系统提供更多的信息。由于电-碳市场业务数据庞大，为避免市场敏感数据的直接交互，有学者提出采用区块链技术提供的跨链服务，区块链技术[81-82]的兴起为电-碳市场信息交互注入了新的活力。部分学者[83]基于区块链技术设计的虚拟电站交易模型不仅解决了可再生能源协调问题，而且实现了虚拟电站信息传输中的安全和效率问题。也有学者[84]认为以前基于区块链的提案不够全面、适用、有效，因此提出了一个全面的三阶段分层区块链框架。有助于解决市场成员交易过程中的信息壁垒，提高交易过程透明化。

5 结论与展望

本文基于大数据针对电-碳市场耦合研究展开文献计量分析，基于分析结果划分了研究阶段，并深入探讨了电-碳市场耦合的机理、方式以及效果。通过研究发现，电-碳市场一直处于发展完善的过程中，同时不断有低碳政策出台，如碳关税、绿证、绿电等政策，多市场耦合研究更具有现实意义。低碳电力系统是电-碳市场耦合下重要的发展方向，而低碳电力系统中能源结构转型、可再生能源系统模拟、多主体博弈研究、调度规划分析、电网安全稳定性分析以及需求侧响应技术研究将会成为未来的研究热点。此外，电-碳市场信息交互是支撑未来两市场深度交互关联的基础，市场间信息耦合、微网数据收集分析、虚拟电站信息传递以及基于区块链技术多能源系统信息建设将成为未来亟需讨论解决的问题。

未来，随着电-碳市场的完善，电-碳市场在实际运行中联系会进一步加强，市场间耦合点也会增加，需要解决的耦合难题和耦合难度将会进一步增加和提高。如何科学测算电力市场各环节碳排放、协调各地区电-碳市场建设进程不统一的问题、设计电-碳市场耦合机制、联系两市场的交易品种、范围和规则、以及协同绿电、绿证和可再生能源自愿减排项目之间政策目标和政策边界等问题是学者亟须解决的难题。因此，电-碳市场耦合研究将会更加复杂，仍将持续成为学者研究的热点问题。