寻求碳交易市场下电力市场多主体最优决策行为的方法

1.本发明涉及一种寻求碳交易市场下电力市场多主体最优决策行为的方法，属于电力市场分析与研究领域。


背景技术：

2.碳交易是指利用市场机制控制和减少温室气体排放，将碳排放权作为一种商品进行交易，减少二氧化碳排放，推动碳中和目标的实现。对于电力市场而言，高排放的火力发电商是主要的交易主体。国家发放碳配额后，火力发电商通过在碳排放权交易平台进行碳配额交易来完成履约要求。在交易过程中，碳价的波动会影响碳配额的买卖，从而对火力发电商产生成本的扰动。在这一背景下，各电力市场主体均有自身的优化目标。火力发电商一方面需要完成碳配额履约要求，另一方面需要满足电力用户的需求。电网企业则需要在平衡发电商供电量的基础上满足电力用户需求。而最终的销售电价也会造成电力用户需求的波动。由此，为保证自身利益最大化，在碳交易市场中，电力市场各主体有着不同的优化目标，需在新环境形势下积极寻求最优决策策略应对。现有技术在研究碳交易背景下电力市场主体最优策略选择时，缺乏对碳交易市场影响效果的充分考虑，例如碳配额等因素对电力市场的影响，导致构建的模型不够符合实际情况，对影响效果的分析研究不够准确。


技术实现要素：

3.本发明的发明目的是寻求碳交易市场下电力市场多主体最优决策行为的方法，该方法可充分考虑碳交易的影响，通过求解碳交易影响下不同电力主体最优利润，分析主体决策行为，为其做出最优战略决策提供依据。
4.本发明实现其发明目的所采取的技术方案是：一种寻求碳交易市场下电力市场多主体最优决策行为的方法，所述步骤如下：
5.s1、选取电力市场中的火力发电商、可再生能源发电商、电网企业和电力用户作为多目标优化参与者；所述火力发电商分为碳配额买方火力发电商和碳配额卖方火力发电商；
6.s2、构建步骤s1确定的多目标优化参与者的最优利润模型；
7.s21、建立火力发电商利润函数：
8.r
in
＝pfy
1-a
1-b
1-pc·
(θy
1-β
in-α)
9.r
out
＝pfy
2-a
2-b2+pc·
[α-(θy
2-β
out
)]
[0010]
其中，r
in
指碳配额买方火力发电商的利润函数，r
out
指碳配额卖方火力发电商的利润函数；pf表示火力发电商的市场成交电价；y1为碳配额买方火力发电商总发电量，y2为碳配额卖方火力发电商总发电量；a1表示碳配额买方火力发电商的发电成本，a2表示碳配额卖方火力发电商的发电成本；b1表示碳配额买方火力发电商的碳减排成本，b2表示碳配额卖方火力发电商的碳减排成本；β
in
表示碳配额买方火力发电商的碳减排量，β
out
表示碳配额卖方火力发电商的碳减排量；θ为单位发电量的碳排放系数；α表示碳配额；pc表示碳价；
[0011]
s22、建立可再生能源发电商利润函数：rr＝prz-a3[0012]
其中，rr表示可再生能源发电商的利润函数；pr表示可再生能源发电商的市场成交电价；z为可再生能源发电商总发电量；a3表示可再生能源发电商的发电成本；
[0013]
s23、建立电网企业利润函数：rg＝pgx-a4[0014]
其中，rg表示电网企业的利润函数；pg为平均输配电价；x为电网企业的总输配电量；a4表示电网企业的成本，此处假设过去产生的固定成本已经被回收，仅考虑网损成本；
[0015]
s24、建立电力用户成本函数：c＝p
·
x
′
[0016]
其中，c表示电力用户成本函数；x
′
为用户电力需求量，等于电网企业的总输配电量减去损失电量，x
′
＝x-x
p
，p为销售电价，x
p
为网损电量；
[0017]
s25、设定约束条件：
[0018]
根据电力市场运行机理及各多目标优化参与者的行为特征，设定约束条件，约束条件包括多目标优化参与者的成本约束、市场均衡约束以及政策约束；
[0019]
所述成本约束包括发电成本约束和减排成本约束；所述市场均衡约束包括电量平衡约束和发电商数量约束，所述政策约束包括可再生能源发电比例约束和电价约束；
[0020]
s3、基于最优利润函数，建立多目标优化模型；
[0021]
w＝maxr
in
+maxr
out
+maxrr+maxrg+minc
[0022]
＝max[pfy
1-a
1-b
1-pc·
(θy
1-β
in-α)]+max{pfy
2-a
2-b2+pc·
[α-(θy
2-β
out
)]}+max[prz-a3]+max[pgx-a4]+min[p
·
x
′
]
[0023]
s4、求解多目标优化模型，寻求参与者的最优策略。
[0024]
进一步，本发明所述碳价pc为火力发电商总发电量y的函数，pc＝rc+kcy，其中y＝y1+y2，rc和kc为碳市场价格需求系数。
[0025]
进一步，本发明所述销售电价p为用户电力需求量x
′
的函数，p＝a
0-b0x
′
，a0表示电力需求函数的截距，b0表示电力需求函数的斜率。
[0026]
进一步，本发明所述碳配额买方火力发电商的发电成本a1为碳配额买方火力发电商总发电量y1的函数，碳配额卖方火力发电商的发电成本a2为碳配额卖方火力发电商总发电量y2的函数，其中，cf表示火力发电成本函数，a
fc
、b
fc
、c
fc
为火力发电商的发电成本系数；
[0027]
所述发电成本约束包括火力发电商的发电成本函数cf为递增函数：c
′f(y1)≥0，c
″f(y1)≥0；c
′f(y2)≥0，c
″f(y2)≥0。
[0028]
进一步，本发明所述碳配额买方火力发电商的碳减排成本b1为碳配额买方火力发电商的碳减排量β
in
的函数，碳配额卖方火力发电商的碳减排成本b2为碳配额卖方火力发电商的碳减排量β
out
的函数，其中，c
ec
表示碳减排成本函数，ae、be、ce为火力发电商的碳减排成本系数；
[0029]
所述减排成本约束为火力发电商的碳减排成本函数c
ec
为递增函数：c
′
ec
(β
in
)≥0，c
ec
″
(β
in
)≥0；c
ec
′
(β
out
)≥0，c
ec
″
(β
out
)≥0。
[0030]
进一步，本发明所述可再生能源发电商的发电成本a3为可再生能源发电商总发电
量z的函数，其中，cr表示可再生能源发电商的发电成本函数，ar、br、cr为可再生能源发电商的发电成本系数；
[0031]
所述发电成本约束包括可再生能源发电商的发电成本函数cr为递增函数：c
′r(z)≥0，c
″r(z)≥0。
[0032]
进一步，本发明所述电网企业的成本a4为电网企业的总输配电量x的函数，a4＝cg(x)＝εx*pf，其中，cg表示电网企业的成本函数，ε为网损率，εx＝x
p
为网损电量。
[0033]
进一步，本发明所述电量平衡约束为当市场达到均衡时，火力发电商总发电量和可再生能源发电商总发电量全部由消费者购买：x
′
＝y+z-x
p
，y＝y1+y2，，其中，y为火力发电商总发电量；x
p
为网损电量；n
in
表示碳配额买方火力发电商数量，hi表示第i个碳配额买方火力发电商的发电量；n
out
表示碳配额卖方火力发电商数量，mj表示第j个碳配额卖方火力发电商的发电量；nr表示可再生能源发电商数量，z
t
表示第t个可再生能源发电商的发电量；
[0034]
所述发电商数量约束为在碳交易市场中，火力发电商数量nf为碳配额买方火力发电商数量n
in
和碳配额卖方火力发电商数量n
out
之和；整个市场的发电商数量n为火力发电商数量nf与可再生能源发电商数量nr之和：nf＝n
in
+n
out
，n＝nf+nr。
[0035]
进一步，本发明所述可再生能源发电比例约束为政府要求电网企业的总输配电量x中需包含一定比例的可再生能源发电商发电量：δ＝z/x，其中，δ为可再生能源发电商总发电量占电网企业的总输配电量的比例，这一比例的最低限额由国家规定；
[0036]
所述电价约束为火力发电商的市场成交电价pf与可再生能源发电商的市场成交电价pr相等，等于销售电价p与平均输配电价pg的差额：pf＝pr＝p-pg。
[0037]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0038]
一、本发明利用多目标优化理论，寻求碳交易市场下火力发电商、可再生能源发电商、电网企业和电力用户各主体最优决策行为，构建碳交易市场下电力市场中各主体的利润函数。在主体构建中，本发明考虑的主体更加全面，将火力发电商分为碳配额买方和碳配额卖方，能更加具体的模拟碳交易市场，更加贴合现实情况。
[0039]
二、本发明基于全国碳市场发展现状，研究碳交易对电力市场各主体决策行为的影响，考虑的碳交易情况为当前正在实行的全国碳市场交易机制，其中，碳配额的设定按照当前碳市场运行机制执行，更加贴合现实情况。
[0040]
三、本发明将火力发电商的碳减排成本考虑其中，设定碳配额买方和碳配额卖方均具有相应的碳减排技术，但减排程度不同，更加贴合现实情况。
[0041]
通过本发明方法可以得到碳市场对电力市场各主体决策的影响，比如碳价的波动对火力发电商、电网公司以及电力用户等电力市场主体最优利润的影响，从而促进电力市场各主体在参与碳交易的过程中制定与选择最优策略，帮助各主体进行利益最大化决策，积极推进电力市场的绿色转型。本发明为各主体带来的具体效益如下：
[0042]
(1)火力发电商。火力发电商需依据自身利益最大化控制发电量，在合适的碳价下买入或卖出碳配额。同时，应逐渐倾向于通过改善和提高自身技术、引用先进设备等，减少一部分碳排放，从而实现利益最大化。
[0043]
(2)可再生能源电力。碳价升高，碳交易市场可以促进可再生能源电力的消纳，推
进碳中和目标的实现。
[0044]
(3)电网企业。电网企业为保证电力平稳供应和自身利益最大化，需要关注碳交易市场的动态，及时了解电价和碳配额变动对发电行业的影响。
[0045]
(4)电力用户。随着电价上涨，为使自身效益最大化，电力用户将减少用电需求。
[0046]
综上，通过本发明可以得到碳市场对电力市场各主体最优利润的影响，为促进电力市场各主体在参与碳交易的过程中做出最优策略提供参考，在积极推进电力市场的绿色转型方面具有实际意义。
[0047]
下面通过具体实施方式及附图对本发明作进一步详细说明。
附图说明
[0048]
图1为本发明实施例中碳交易市场下碳价对发电比例变化的影响示意图。
[0049]
图2为本发明实施例中碳交易市场下碳价对火力发电商利润的影响示意图。
[0050]
图3为本发明实施例中碳交易市场下碳价对一般工商业电力用户成本的影响示意图。
[0051]
图4为本发明实施例中电力需求量对电网企业利润的影响示意图。
具体实施方式
[0052]
实施例
[0053]
一种寻求碳交易市场下电力市场多主体最优决策行为的方法，所述步骤如下：
[0054]
s1、选取电力市场中的火力发电商、可再生能源发电商、电网企业和电力用户作为多目标优化参与者；所述火力发电商分为碳配额买方火力发电商和碳配额卖方火力发电商；
[0055]
s2、构建步骤s1确定的多目标优化参与者的最优利润模型；
[0056]
s21、建立火力发电商利润函数：r
in
＝pfy
1-a
1-b
1-pc·
(θy
1-β
in-α)
[0057]rout
＝pfy
2-a
2-b2+pc·
[α-(θy
2-β
out
)]
[0058]
其中，r
in
指碳配额买方火力发电商的利润函数，r
out
指碳配额卖方火力发电商的利润函数；pf表示火力发电商的市场成交电价；y1为碳配额买方火力发电商总发电量，y2为碳配额卖方火力发电商总发电量；a1表示碳配额买方火力发电商的发电成本，a2表示碳配额卖方火力发电商的发电成本；b1表示碳配额买方火力发电商的碳减排成本，b2表示碳配额卖方火力发电商的碳减排成本；β
in
表示碳配额买方火力发电商的碳减排量，β
out
表示碳配额卖方火力发电商的碳减排量；θ为单位发电量的碳排放系数；α表示碳配额；pc表示碳价；
[0059]
s22、建立可再生能源发电商利润函数：rr＝prz-a3[0060]
其中，rr表示可再生能源发电商的利润函数；pr表示可再生能源发电商的市场成交电价；z为可再生能源发电商总发电量；a3表示可再生能源发电商的发电成本；
[0061]
s23、建立电网企业利润函数：rg＝pgx-a4[0062]
其中，rg表示电网企业的利润函数；pg为平均输配电价；x为电网企业的总输配电量；a4表示电网企业的成本，此处假设过去产生的固定成本已经被回收，仅考虑网损成本；
[0063]
s24、建立电力用户成本函数：c＝p
·
x
′
[0064]
其中，c表示电力用户成本函数；x
′
为用户电力需求量，等于电网企业的总输配电
量减去损失电量，x
′
＝x-x
p
，p为销售电价，x
p
为网损电量；
[0065]
s25、设定约束条件：
[0066]
根据电力市场运行机理及各多目标优化参与者的行为特征，设定约束条件，约束条件包括多目标优化参与者的成本约束、市场均衡约束以及政策约束；
[0067]
所述成本约束包括发电成本约束和减排成本约束；所述市场均衡约束包括电量平衡约束和发电商数量约束，所述政策约束包括可再生能源发电比例约束和电价约束；
[0068]
s3、基于最优利润函数，建立多目标优化模型；
[0069]
w＝maxr
in
+maxr
out
+maxrr+maxrg+minc
[0070]
＝max[pfy
1-a
1-b
1-pc·
(θy
1-β
in-α)]+max{pfy
2-a
2-b2+pc·
[α-(θy
2-β
out
)]}+max[prz-a3]+max[pgx-a4]+min[p
·
x
′
]
[0071]
s4、求解多目标优化模型，寻求参与者的最优策略。
[0072]
优选的，所述碳价pc为火力发电商总发电量y的函数，pc＝rc+kcy，其中y＝y1+y2，rc和kc为碳市场价格需求系数。
[0073]
优选的，所述销售电价户为用户电力需求量x
′
的函数，p＝a
0-b0x
′
，a0表示电力需求函数的截距，b0表示电力需求函数的斜率。
[0074]
优选的，所述碳配额买方火力发电商的发电成本a1为碳配额买方火力发电商总发电量y1的函数，碳配额卖方火力发电商的发电成本a2为碳配额卖方火力发电商总发电量y2的函数，其中，cf表示火力发电成本函数，a
fc
、b
fc
、c
fc
为火力发电商的发电成本系数；
[0075]
所述发电成本约束包括火力发电商的发电成本函数cf为递增函数；c
′f(y1)≥0，c
″f(y1)≥0；c
′f(y2)≥0，c
″f(y2)≥0。
[0076]
优选的，所述碳配额买方火力发电商的碳减排成本b1为碳配额买方火力发电商的碳减排量β
in
的函数，碳配额卖方火力发电商的碳减排成本b2为碳配额卖方火力发电商的碳减排量β
out
的函数，其中，c
ec
表示碳减排成本函数，ae、be、ce为火力发电商的碳减排成本系数；
[0077]
所述减排成本约束为火力发电商的碳减排成本函数c
ec
为递增函数：c
′
ec
(β
in
)≥0，c
ec
″
(β
in
)≥0；c
ec
′
(β
out
)≥0，c
ec
″
(β
out
)≥0。
[0078]
优选的，所述可再生能源发电商的发电成本a3为可再生能源发电商总发电量z的函数，其中，cr表示可再生能源发电商的发电成本函数，ar、br、cr为可再生能源发电商的发电成本系数；
[0079]
所述发电成本约束包括可再生能源发电商的发电成本函数cr为递增函数：c
′r(z)≥0，c
″r(z)≥0。
[0080]
优选的，所述电网企业的成本a4为电网企业的总输配电量x的函数，a4＝cg(x)＝εx*pf，其中，cg表示电网企业的成本函数，ε为网损率，εx＝x
p
为网损电量。
[0081]
优选的，所述电量平衡约束为当市场达到均衡时，火力发电商总发电量和可再生
能源发电商总发电量全部由消费者购买：x
′
＝y+z-x
p
，y＝y1+y2，其中，y为火力发电商总发电量；x
p
为网损电量；n
in
表示碳配额买方火力发电商数量，hi表示第i个碳配额买方火力发电商的发电量；n
out
表示碳配额卖方火力发电商数量，mj表示第j个碳配额卖方火力发电商的发电量；nr表示可再生能源发电商数量，z
t
表示第t个可再生能源发电商的发电量；
[0082]
所述发电商数量约束为在碳交易市场中，火力发电商数量nf为碳配额买方火力发电商数量n
in
和碳配额卖方火力发电商数量n
out
之和；整个市场的发电商数量n为火力发电商数量nf与可再生能源发电商数量nr之和：nf＝n
in
+n
out
，n＝nf+nr。
[0083]
优选的，所述可再生能源发电比例约束为政府要求电网企业的总输配电量x中需包含一定比例的可再生能源发电商发电量：δ＝z/x，其中，δ为可再生能源发电商总发电量占电网企业的总输配电量的比例，这一比例的最低限额由国家规定；
[0084]
所述电价约束为火力发电商的市场成交电价pf与可再生能源发电商的市场成交电价pr相等，等于销售电价p与平均输配电价pg的差额：pf＝pr＝p-pg。
[0085]
下面根据实际情况给利润函数中的参数赋值。
[0086]
上述求解多目标线性规划的基本思想是将多目标转化为单目标，常见的方法有理想点法、线性加权法、最大最小法、目标规划法、模糊数学解法等。本发明在具体实施方式中选择目标规划法进行多目标求解。模型的设定如下：
[0087]
目标设定“goal＝[-5e13；-5e13；-5e13；-5e13；5e13]”，约束上限设定“[x*0.01 x*0.01]”，约束下限设定“ub＝[x*0.9 x*0.9]”(x为电网企业的总输配电量)。依据实际情况，设定用户电力需求量为3792.89亿千瓦时，按照可再生能源发电比例33.8％，设定火力发电商总发电量初始值y＝2639.89亿千瓦时，可再生能源发电商总发电量初始值z＝1153亿千瓦时。同时，为分析各电力市场主体最优利润演变情况，利用for函数使用户电力需求量随时间变化而变化，设定电网企业的总输配电量与电力用户需求量年均增速相同，为4.5％(下一年电网企业的总输配电量x1＝本年电网企业的总输配电量x*4.5％)。
[0088]
本发明结合实际设定发电成本系数，基于某省电网输配电价表、《某省统计年鉴2021》设定相关参数，如表1。
[0089]
表1模型参数描述及取值
[0090]
参数名称参数函数取值单位火力发电商的发电成本函数斜率a
fc
4.56*10-14
元/kwh2火力发电商的发电成本函数截距b
fc
0.26元/kwh火力发电商的发电成本函数常量c
fc
0元可再生能源发电商的发电成本函数斜率ar8.53*10-13
元/kwh2可再生能源发电商的发电成本函数截距br0.55元/kwh可再生能源发电商的发电成本函数常量cr0元火力发电商的碳减排成本函数斜率ae4*10-7
元/t2co2火力发电商的碳减排成本函数截距be0元/tco2火力发电商的碳减排成本函数常量ce0元电网企业的网损率ε6％
电力需求函数的斜率b01.6109*10-13
元/kwh2电力需求函数的截距a00.7元/kwh平均输配电价pg0.21元/kwh单位发电量的碳排放系数θ7.8*10-4
tco2/kwh碳市场价格需求系数rc0.04元碳市场价格需求系数kc8.1626e-11元/kwh
[0091]
根据本发明提出的寻求碳交易市场下电力市场多主体最优决策行为的方法，和上表中对利润函数中参数的赋值，可获得碳交易市场下碳价对火力发电商、可再生能源发电商、电网企业和电力用户的决策行为影响。其中图1至图4为将本发明建立的函数模型及系数、参数赋值输入matlab软件中，获得的部分结果图。图1为本实施例中碳交易市场下碳价对发电比例变化的影响示意图。图2为本实施例中碳交易市场下碳价对火力发电商利润的影响示意图。图3为本实施例中碳交易市场下碳价对一般工商业电力用户成本的影响示意图。图4为本实施例中电力需求量对电网企业利润的影响示意图。
[0092]
从图1可以看出，随着碳价的升高，火力发电量占总发电量的比例逐渐减少，可再生能源发电量占比逐渐增加，两者发电比例逐渐趋于平均稳定。图2可以看出，火力发电商中碳配额卖方和买方的利润随着碳价的变化呈现不同趋势，在碳价小于66元时，碳配额买方的整体利润要略高于碳配额卖方；而当碳价大于66元后，碳配额买方的整体利润要低于碳配额卖方，且随着碳价的不断升高，买卖双方的利润差距不断增大。图3可以看出，一般工商业电力用户成本的整体变化趋势为先增加后减少。图4可以看出，电力需求量对电网企业的利润有正向影响。