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悉尼大学邱靖、陶悦川等：基于博弈论的可再生能源证书交易双层优化模型

发布时间:2021-02-04

收录于话题

碳市场

基于博弈论的可再生能源证书交易双层优化模型

陶悦川¹，孙荣峰²，姜建国²，赖姝颖¹，邱靖^{1, 2*}

（1. 悉尼大学电气与信息工程学院；2. 齐鲁工业大学（山东省科学院），山东省科学院能源研究所，山东省生物质气化技术重点实验室）

文章导读

碳排放权交易体系（emission trading schemes, ETS）与可再生能源证书（renewable energy certificates, REC）是国际上促进碳减排的2种主要市场性政策工具。本文提出了一种包涵ETS与REC两种机制且引入P2G参与的发电交易模型，并以澳大利亚的政策和市场为背景在IEEE 30节点系统上进行了仿真。因电力系统结构、市场环境、体制机制等差异，不同国家和地区ETS与REC的具体规则有较大差别。当前中国正在加快推进全国碳交易市场，同样存在REC认购率很低的问题，本文研究可以为中国ETS与REC如何协同提供启示。

主要内容

在所提出的模型中，博弈论帮助每个参与者做出决策。本文有3种参与者，即P2G、可再生能源发电厂和火力发电厂。每个参与者通过一个双层模型最大化其收益，如图1所示，上层目标是使市场参与者的收益最大化，下层目标是实现系统的经济调度。对于回报模型，P2G将出售碳配额，而火力发电厂将出售或购买配额。REC交易发生在每对火电厂和可再生能源发电厂之间。利用KKT条件将3个双层模型转化为3个单层模型。通过找到纳什均衡点确定每个参与者的最优策略。

⬆ 图1 ETC与REC交易机制并行框架

REC的价格模型可以通过需求-供给曲线来求解。可再生能源发电厂是REC的产出者，本文REC的主要消费者为火电机组。在寡头市场中，需求曲线是如图2所示的拐折曲线。文中需求-供给曲线是反应整个市场情况的聚合曲线，体现了总需求和总供给如何在宏观经济层面上相互作用。沿着拐折的需求曲线，弹性是不同的。当参与者将其价格提高到P₀以上，其他竞争对手将不会跟随，由于替代效应，该参与者将失去市场份额。因此，P₀上方的需求曲线更有弹性。当降价时，需求将失去弹性，因为它的竞争对手会紧随其后。

⬆ 图2 拐折的需求曲线

在案例分析中，基于澳大利亚的市场仿真，展示了所提模型对于机组出力的影响。通过3个算例，比较本文的模型与传统的最优电力调度模型，算例设计如下：

算例1：不考虑REC，假设市场完全竞争；

算例2：考虑REC交易，假设市场为寡头，采用非合作博弈；

算例3：考虑REC交易，假设市场为寡头，采用P2G与可再生能源发电厂合作的博弈模型。

黑线是可再生能源发电厂的可调度能源，面积图代表可再生能源发电厂的实际调度能源，黑线和面积图之间的空白区域代表未利用的可再生能源。

⬆ 图3 火电及可再生能源机组出力 (算例1)

⬆ 图4 火电及可再生能源机组出力 (算例2)

⬆ 图5 火电及可再生能源机组出力 (算例3)

与算例1相比，算例2和算例3消纳了更多的可再生能源，因为REC的交易（绿色和橙色面积）确保了可再生能源的优先调度，且算例3的可再生能源利用率略高于算例2。此外，由于P2G和可再生能源发电厂的合作，REC的销售量增加，这必将增加联盟的总收入。从火电机组的出力看，算例3比算例1和2更平滑，这是因为当可再生能源发电厂与P2G合作时，P2G能够调节频率，平滑可再生能源输出。但在算例1和2中，这项工作是由火电机组完成的，将导致其输出随间歇性可再生能源波动。

主要结论

（1）通过允许火力发电厂购买REC增加碳排放配额，将REC的主要购买者从电力消费者转变为火力发电厂，可以增加REC的购买动机，因此，成熟的ETS可以推动REC市场的发展，在保障各方收益的情况下实现碳减排。

（2）在模型研究中，引入电转气（power-to-gas, P2G）与可再生能源发电厂合作以提高其收益，并考虑与现实接近的寡头电力市场条件，建立了基于合作博弈的双层优化模型，上层目标是每个参与者收益最大化，下层目标是独立系统运营商（independent system operator，ISO）总成本最小；通过KKT（Karush-Kuhn-Tucker）条件将3个双层模型转化为3个单层模型，可以用分布式迭代求得纳什均衡点，并带入电网模型进行系统计算。

（3）以澳大利亚的政策和市场为背景的IEEE 30节点系统的仿真计算表明，考虑REC交易的可再生能源发电厂与P2G合作有助于增加其收入，减少火力发电机组收益，促进电力部门整体减排；另外，碳价敏感性分析也揭示了碳市场对REC交易市场的影响。

（4）根据本文研究，澳大利亚可以将ETS与REC市场相结合以提高REC的认购率，进一步促进碳减排。

本文引文信息

陶悦川, 孙荣峰, 姜建国，等. 基于博弈论的可再生能源证书交易双层优化模型[J]. 全球能源互联网，2020，4(1)：64-76.

TAO Yuechuan, SUN Rongfeng, JIANG Jianguo, et al. Bi-level Optimization Model of Renewable Energy Certificates Trading Based on Game Theory [J]. Journal of Global Energy Interconnection, 2020, 4(1): 64-76 (in Chinese).

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