電碳耦合對(duì)煤電機(jī)組現(xiàn)貨市場(chǎng)結(jié)算電價(jià)影響分析模型

“如何落實(shí)減排行動(dòng)”這一關(guān)鍵問(wèn)題已成為各國(guó)應(yīng)對(duì)氣候變化的關(guān)注焦點(diǎn)。《格拉斯哥氣候協(xié)定》不僅關(guān)注燃煤發(fā)電的碳排放，還強(qiáng)調(diào)了市場(chǎng)機(jī)制在減少碳排放方面的作用。碳排放權(quán)交易制度（emission trading scheme，ETS）以市場(chǎng)機(jī)制引導(dǎo)碳排放空間資源配置，控制高耗能企業(yè)排放，在經(jīng)濟(jì)上鼓勵(lì)低排放企業(yè)。因此，碳市場(chǎng)已成為低成本、可持續(xù)有效的碳減排政策工具。中國(guó)燃煤發(fā)電碳排放占全社會(huì)排放總量的40%以上。充分挖掘碳市場(chǎng)和電力市場(chǎng)的減排潛力是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要手段之一，電-碳市場(chǎng)一體化已成為必然趨勢(shì)。與此同時(shí)，燃煤上網(wǎng)電價(jià)逐漸全面有序放開(kāi)。隨著碳市場(chǎng)進(jìn)程不斷推進(jìn)，必然會(huì)在一定程度上影響煤電機(jī)組參與電力市場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)性，碳成本將會(huì)增加煤電機(jī)組的發(fā)電成本，從而影響煤電上網(wǎng)電價(jià)，顯著降低煤電的競(jìng)爭(zhēng)力。

《中國(guó)電力》2024年第5期刊發(fā)了李祥光等人撰寫(xiě)的《電碳耦合對(duì)煤電機(jī)組現(xiàn)貨市場(chǎng)結(jié)算電價(jià)影響分析模型》一文。文章基于碳市場(chǎng)中碳價(jià)、配額有償分配比例和配額分配基準(zhǔn)值三重分析維度，分別設(shè)定輕度、中度和重度3種碳市場(chǎng)情景，構(gòu)建考慮碳排放成本的煤電現(xiàn)貨市場(chǎng)競(jìng)價(jià)模型，并通過(guò)算例模擬不同碳情景下碳成本對(duì)機(jī)組出清電價(jià)的影響，結(jié)果表明隨著碳市場(chǎng)規(guī)則的逐步完善，煤電機(jī)組現(xiàn)貨市場(chǎng)清算價(jià)也隨之提高。

（來(lái)源：《中國(guó)電力》 作者：李祥光, 譚青博, 李帆琪,李旭東,譚忠富）

煤電行業(yè)二氧化碳排放量占比最多，首先被納入了全國(guó)性碳市場(chǎng)，而碳排放成本又對(duì)煤電現(xiàn)貨市場(chǎng)結(jié)算電價(jià)造成一定程度的影響?；诖耍瑯?gòu)建了現(xiàn)貨市場(chǎng)下不考慮碳排放成本的煤電機(jī)組競(jìng)價(jià)調(diào)度模型，并進(jìn)行了模擬分析；繼而構(gòu)建了考慮碳排放成本的煤電機(jī)組競(jìng)價(jià)模型；再以廣東省為例，模擬了煤電機(jī)組在“有無(wú)風(fēng)光出力”“不同碳市場(chǎng)”情景下煤電機(jī)組現(xiàn)貨市場(chǎng)報(bào)價(jià)及出清情況的變化。結(jié)果顯示，隨著碳市場(chǎng)的逐步完善，碳價(jià)和配額總量進(jìn)一步收緊，煤電機(jī)組報(bào)價(jià)逐漸升高，現(xiàn)貨市場(chǎng)結(jié)算電價(jià)也隨之提高，夏季有風(fēng)有光情景下輕度、中度、重度碳市場(chǎng)的平均出清電價(jià)分別為0.1607元/(kW·h)、0.1863元/(kW·h)、0.2461元/(kW·h)，較未引入碳市場(chǎng)時(shí)分別增加了0.18%、16.14%、53.41%。

碳排放交易市場(chǎng)與碳價(jià)形成過(guò)程

1.1 歐盟碳市場(chǎng)運(yùn)行情況

歐盟碳交易體系（EU ETS）是世界上規(guī)模最大、運(yùn)行時(shí)間最長(zhǎng)的碳排放交易系統(tǒng)。圖1梳理了2005年以來(lái)歐盟碳排放配額期貨每日結(jié)算價(jià)和2021年以來(lái)歐盟碳排放配額現(xiàn)貨每日結(jié)算價(jià)數(shù)據(jù)。

圖1 歐盟碳配額價(jià)格

Fig.1 European Union carbon quota prices

由圖1可知，歐盟碳排放配額價(jià)格波動(dòng)性很大，具體可分為4個(gè)階段。第1階段是2005—2007年的試驗(yàn)階段，實(shí)行95%免費(fèi)配額比例、5%拍賣(mài)配額比例方法，該階段歐盟各成員公布實(shí)際排放數(shù)據(jù)，碳配額供給大于需求，同時(shí)，歐盟宣布碳配額不能跨期使用，引發(fā)拋售，碳價(jià)近0；第2階段是2008—2012年的過(guò)渡階段，免費(fèi)配額比例降低至90%，該階段碳價(jià)先是由于歐盟“3個(gè)20”行動(dòng)目標(biāo)大幅回升，基本回到甚至高于EU-ETS初期水平，隨后受金融危機(jī)影響，碳價(jià)大幅下降，2009年經(jīng)濟(jì)逐漸復(fù)蘇，碳價(jià)維持在一個(gè)中間水平，2012年底由于歐債危機(jī)和核證減排量（certified emission reduction，CER）過(guò)程，碳價(jià)再次大幅下跌；第3階段是2013—2020年的改革階段，大力推行拍賣(mài)配額、設(shè)定統(tǒng)一的配額總量上限并逐年減少1.74%、給新納入碳市場(chǎng)的企業(yè)預(yù)留5%配額等措施，該階段整體呈現(xiàn)多年低價(jià)平穩(wěn)發(fā)展、政策目標(biāo)刺激下碳價(jià)大幅回升的特征；第4階段是2021年以來(lái)的深化改革階段，能源危機(jī)疊加碳減排目標(biāo)提升，配額總量進(jìn)一步收緊，導(dǎo)致碳排放配額結(jié)算價(jià)飆升。另外，歐盟利用市場(chǎng)穩(wěn)定儲(chǔ)備機(jī)制從市場(chǎng)中撤回過(guò)剩的配額，有助于碳價(jià)穩(wěn)定提升。

1.2 中國(guó)碳交易市場(chǎng)運(yùn)行情況

1）八大試點(diǎn)碳交易市場(chǎng)。

自2013年起，中國(guó)陸續(xù)在北京、天津、上海、重慶、深圳、廣東、湖北、福建8個(gè)省市開(kāi)展碳交易試點(diǎn)。截至2022年7月8日，試點(diǎn)碳市場(chǎng)累積配額成交額高達(dá)136.76億元。從覆蓋范圍來(lái)看，試點(diǎn)碳市場(chǎng)主要包括電力、交通、建筑等高排放行業(yè)；在配額分配方式上，各試點(diǎn)主要以免費(fèi)分配為主，根據(jù)不同行業(yè)特點(diǎn)采用基準(zhǔn)線法或歷史強(qiáng)度法確定配額分配數(shù)量，但廣東等部分試點(diǎn)區(qū)域已引入有償分配；在現(xiàn)貨交易品種方面， 8個(gè)試點(diǎn)區(qū)域都擁有地方碳配額和國(guó)家核證減排量（China certified emission reduction，CCER）現(xiàn)貨交易2種交易品種，廣東、福建和北京還推出了地方核證自愿減排量現(xiàn)貨交易；在核證自愿減排量（CCER）機(jī)制方面，各試點(diǎn)抵消比例一般為核發(fā)配額量或年度實(shí)際排放量的5%~10%。

圖2梳理了2013—2022年中國(guó)八大試點(diǎn)碳市場(chǎng)配額年均成交價(jià)。總體來(lái)看，各試點(diǎn)碳市場(chǎng)碳價(jià)存在較大差異，但大多經(jīng)歷了開(kāi)市碳價(jià)較高、前期價(jià)格走低、后期碳價(jià)回升的過(guò)程。

圖2 2013—2022中國(guó)八大試點(diǎn)碳市場(chǎng)碳配額年均成交價(jià)

Fig.2 Annual transaction price of carbon quota in China's eight pilot carbon markets from 2013 to 2022

2）全國(guó)性碳交易市場(chǎng)。

2021年7月16日，中國(guó)正式啟動(dòng)全國(guó)碳交易市場(chǎng)，同時(shí)啟動(dòng)配額交易。全國(guó)碳市場(chǎng)試運(yùn)行階段與地方試點(diǎn)碳市場(chǎng)同步運(yùn)行，交叉重疊的控排企業(yè)將逐步轉(zhuǎn)移至全國(guó)市場(chǎng)。由于現(xiàn)階段全國(guó)碳市場(chǎng)制度將排放強(qiáng)度列為約束性指標(biāo)，全國(guó)碳市場(chǎng)采用行業(yè)基準(zhǔn)法進(jìn)行配額分配，該方法在強(qiáng)度控制的基礎(chǔ)上，以行業(yè)先進(jìn)碳排放水平作為基準(zhǔn)進(jìn)行配額分配。全國(guó)碳市場(chǎng)由一級(jí)市場(chǎng)和二級(jí)市場(chǎng)組成，一級(jí)市場(chǎng)為配額初始分配市場(chǎng)，包括免費(fèi)發(fā)放和拍賣(mài)2種配額分配方式；二級(jí)市場(chǎng)為自由交易市場(chǎng)，各排放主體的交易方式包括掛牌交易、單向競(jìng)價(jià)等方式。

圖3展示了2021年7月16日—2023年2月6日全國(guó)碳市場(chǎng)的日成交均價(jià)變化趨勢(shì)。整體來(lái)看，全國(guó)碳市場(chǎng)的日成交均價(jià)在40~60元/t范圍內(nèi)波動(dòng)，基本保持平穩(wěn)。截至2023年2月20日，全國(guó)碳市場(chǎng)累計(jì)交易量約為2.3億t，總成交金額約為105.05億元，市場(chǎng)交易換手率在3%左右。與歐盟碳市場(chǎng)高達(dá)417%的換手率相比，全國(guó)碳市場(chǎng)還處于發(fā)展初級(jí)階段，未來(lái)應(yīng)不斷提高碳市場(chǎng)的活躍程度，從而有效促進(jìn)碳市場(chǎng)換手率的大幅提升。

圖3 全國(guó)碳市場(chǎng)的日成交均價(jià)變化趨勢(shì)

Fig.3 Trend of daily transaction average price in national carbon market

1.3 碳交易機(jī)制及碳價(jià)形成

碳排放權(quán)交易（簡(jiǎn)稱碳交易）主要流動(dòng)商品有強(qiáng)制型碳排放商品 ——碳排放配額（carbon emission allowance，CEA）和激勵(lì)型碳抵消商品 ——國(guó)家核證減排量（China certified emission reduction，CCER）兩種。其中，碳排放配額交易遵循“限額與交易”原則，即政府或者監(jiān)管部門(mén)以控制碳排放總量為目標(biāo)，先確定碳市場(chǎng)中的碳配額總量上限，再為各排放源進(jìn)行碳配額的初始分配。納入碳交易市場(chǎng)的企業(yè)可以通過(guò)政府分配、自行拍賣(mài)等多種渠道來(lái)獲得對(duì)應(yīng)的碳配額，并且可在自身實(shí)際排放量的基礎(chǔ)上進(jìn)行碳配額的自由市場(chǎng)化交易，達(dá)到成本最優(yōu)化從而使減排目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)。碳交易過(guò)程如圖4所示。

圖4 碳交易過(guò)程

Fig.4 Carbon trading process

碳交易機(jī)制利用市場(chǎng)手段對(duì)CO2排放總量進(jìn)行控制，以達(dá)到讓企業(yè)有積極性通過(guò)提升自身技術(shù)等手段進(jìn)行減排的目的。對(duì)于電力行業(yè)，在碳市場(chǎng)發(fā)展初期一般采用以無(wú)償為主的方式進(jìn)行初始碳配額的分配，而在碳市場(chǎng)發(fā)展后期，免費(fèi)比例大大減小。初始碳配額的發(fā)放與系統(tǒng)發(fā)電量相關(guān)，對(duì)于超出或不足部分可在碳市場(chǎng)上進(jìn)行交易，仍有不足的部分則需要接受懲罰。因此，碳配額的價(jià)格主要由企業(yè)的需求曲線決定。

電力現(xiàn)貨市場(chǎng)與發(fā)電結(jié)算電價(jià)

2.1 中國(guó)“8+6”現(xiàn)貨市場(chǎng)試點(diǎn)

2017年8月28日，《關(guān)于開(kāi)展電力現(xiàn)貨市場(chǎng)建設(shè)試點(diǎn)工作的通知》中宣布全國(guó)第一批電力現(xiàn)貨市場(chǎng)建設(shè)試點(diǎn)有南方（以廣東起步）、蒙西、浙江、山西、山東、福建、四川、甘肅等8個(gè)地區(qū)。2021年3月，國(guó)家發(fā)展改革委宣布遼寧、上海、湖北、江蘇、安徽、河南等6個(gè)地區(qū)作為第二批電力現(xiàn)貨市場(chǎng)建設(shè)試點(diǎn)省份。

在現(xiàn)貨交易市場(chǎng)的組成上，浙江、廣東、山西、福建、四川、甘肅都采用“日前市場(chǎng)+實(shí)時(shí)市場(chǎng)”模式，蒙西增加了日內(nèi)市場(chǎng)，山東增加了“日內(nèi)機(jī)組組合調(diào)整交易”環(huán)節(jié)；在價(jià)格機(jī)制上，現(xiàn)貨試點(diǎn)地區(qū)發(fā)電側(cè)結(jié)算大部分都采用節(jié)點(diǎn)或區(qū)域邊際電價(jià)的價(jià)格機(jī)制，用戶側(cè)結(jié)算系統(tǒng)電價(jià)采用加權(quán)平均節(jié)點(diǎn)電價(jià)機(jī)制；在交易報(bào)價(jià)方面，各現(xiàn)貨試點(diǎn)地區(qū)發(fā)電側(cè)均采用“報(bào)量報(bào)價(jià)”模式，廣東、山西、山東、四川在用戶側(cè)采用“報(bào)量不報(bào)價(jià)”的模式，其他試點(diǎn)地區(qū)用戶側(cè)目前不參與報(bào)價(jià)。

2.2 發(fā)電結(jié)算電價(jià)形成過(guò)程

1）電網(wǎng)調(diào)度規(guī)則。

一般來(lái)說(shuō)，競(jìng)爭(zhēng)性電力市場(chǎng)應(yīng)結(jié)合機(jī)組邊際成本定價(jià)原則確定各機(jī)組參與經(jīng)濟(jì)調(diào)度的順序，優(yōu)先調(diào)度邊際成本較低的機(jī)組，最終滿足區(qū)域內(nèi)所需電力供應(yīng)的邊際機(jī)組的電能成本即為最終結(jié)算的上網(wǎng)電價(jià)。在特殊情況下，監(jiān)管機(jī)構(gòu)應(yīng)在邊際機(jī)組電能成本的基礎(chǔ)上考慮資源的稀缺性來(lái)確定電價(jià)上限或者容量機(jī)制，以確保電力電量平衡、電力系統(tǒng)安全運(yùn)行以及機(jī)組容量的投資收益。在實(shí)際情況中，鑒于電力系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境處于動(dòng)態(tài)變化之中，應(yīng)當(dāng)考慮電力電量平衡、電力系統(tǒng)備用需求、發(fā)電機(jī)組出力限制等約束條件，進(jìn)而確定機(jī)組的調(diào)度順序。

2）電力市場(chǎng)出清機(jī)制。

現(xiàn)階段，電力現(xiàn)貨交易價(jià)格機(jī)制包含參照各市場(chǎng)主體的報(bào)價(jià)結(jié)算和依據(jù)統(tǒng)一邊際出清價(jià)格結(jié)算2種方式。統(tǒng)一邊際出清電價(jià)機(jī)制下，將每個(gè)時(shí)段機(jī)組報(bào)價(jià)按照由低到高排序，并在滿足電力系統(tǒng)和機(jī)組各項(xiàng)約束的條件下依次成交，直到累計(jì)的機(jī)組出力剛好滿足該時(shí)刻的負(fù)荷需求，最終成交機(jī)組的報(bào)價(jià)即為邊際出清價(jià)格，該時(shí)段所有中標(biāo)機(jī)組統(tǒng)一按照此邊際出清價(jià)格結(jié)算。目前國(guó)外電力市場(chǎng)大多采用邊際出清價(jià)格機(jī)制進(jìn)行統(tǒng)一結(jié)算，同時(shí)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)成熟度最高的廣東電力現(xiàn)貨市場(chǎng)也采用統(tǒng)一邊際電價(jià)出清機(jī)制。因此，本文采用邊際電價(jià)出清機(jī)制的假設(shè)，構(gòu)建電-碳耦合市場(chǎng)下煤電競(jìng)價(jià)調(diào)度模型。

電-碳市場(chǎng)耦合關(guān)系與運(yùn)營(yíng)機(jī)制分析

3.1 碳市場(chǎng)對(duì)電力市場(chǎng)的影響

由于引入碳市場(chǎng)，預(yù)計(jì)電力批發(fā)市場(chǎng)的出清順序?qū)l(fā)生變化，進(jìn)而可能對(duì)目前發(fā)電側(cè)的利益結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定影響。發(fā)電側(cè)機(jī)組調(diào)度決策時(shí)會(huì)考慮碳成本，這將增加排放強(qiáng)度較低的發(fā)電機(jī)組的使用，并影響電力市場(chǎng)的出清結(jié)果。例如，在引入碳市場(chǎng)前，燃煤機(jī)組的邊際成本往往低于燃?xì)鈾C(jī)組，這使其在電力批發(fā)市場(chǎng)的集中清算和優(yōu)化調(diào)度中具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。引入碳市場(chǎng)后，燃煤機(jī)組比燃?xì)鈾C(jī)組的減排成本要高，在需求相同的情況下，電力批發(fā)市場(chǎng)的出清順序可能會(huì)有所調(diào)整。在某些情況下，具有邊際成本優(yōu)勢(shì)的燃?xì)鈾C(jī)組可能會(huì)取代燃煤機(jī)組，從而增加其利潤(rùn)率。

在引入碳市場(chǎng)后，碳排放的外部成本將被內(nèi)部化，差異化減排成本的運(yùn)營(yíng)收益差異將有所增加。其中，高能效企業(yè)可能會(huì)通過(guò)出售剩余減排量獲取額外收益，這將鼓勵(lì)企業(yè)投資并研發(fā)低碳技術(shù)，從而獲取更高收益，形成一個(gè)良性循環(huán)；隨著碳價(jià)格的上漲，化石能源機(jī)組的碳排放成本和供電成本差距同步拉大，高能效機(jī)組的成本競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)增大，而低能效機(jī)組的市場(chǎng)占有率將有所下降，化石能源機(jī)組的整體效率得以提高。

3.2 電-碳市場(chǎng)耦合關(guān)系設(shè)計(jì)

碳市場(chǎng)是政策工具市場(chǎng)，電力市場(chǎng)是需求驅(qū)動(dòng)市場(chǎng)。雖然這2個(gè)市場(chǎng)是獨(dú)立運(yùn)作的，但二者有著密切的關(guān)系，2個(gè)市場(chǎng)機(jī)制在實(shí)施中互相輔助、相互制約。本文設(shè)計(jì)的電-碳市場(chǎng)耦合關(guān)系如圖5所示。

圖5 電-碳市場(chǎng)耦合關(guān)系

Fig.5 Coupling relationship in“electricity-carbon” market

進(jìn)一步分析圖5可以看出：1）ETS和電力部門(mén)是獨(dú)立運(yùn)作的，有各自的政策、管理和交易體系。碳價(jià)格和電價(jià)之間沒(méi)有直接聯(lián)系，碳價(jià)格通過(guò)發(fā)電廠的利潤(rùn)和電力供應(yīng)來(lái)影響電價(jià)。2）對(duì)于火電企業(yè)來(lái)說(shuō)，發(fā)電過(guò)程一定會(huì)產(chǎn)生碳排放，碳市場(chǎng)根據(jù)電力企業(yè)排放的二氧化碳來(lái)確定碳配額。3）對(duì)于配額過(guò)?；虿蛔愕呐欧趴刂破髽I(yè)，通過(guò)碳交易確定碳價(jià)格和交易量。因此，這2個(gè)市場(chǎng)通過(guò)碳價(jià)和電價(jià)聯(lián)系在一起。

碳市場(chǎng)和電力市場(chǎng)減排目標(biāo)一致，共同推動(dòng)電力行業(yè)低碳轉(zhuǎn)型。1）在碳價(jià)格強(qiáng)制機(jī)制下，發(fā)電廠淘汰落后機(jī)組，增加可再生能源機(jī)組投資，促進(jìn)可再生能源消費(fèi)。2）運(yùn)用碳市場(chǎng)機(jī)制，引導(dǎo)企業(yè)加強(qiáng)碳資產(chǎn)管理，優(yōu)化碳排放空間配置。3）通過(guò)碳交易的經(jīng)濟(jì)激勵(lì)，促進(jìn)發(fā)電廠的技術(shù)創(chuàng)新。最后，碳價(jià)格將傳遞到消費(fèi)者終端，使消費(fèi)者減少用電量。碳價(jià)格是碳市場(chǎng)效率的核心。一個(gè)有效的碳價(jià)格信號(hào)不僅可以促進(jìn)碳市場(chǎng)與電力部門(mén)的聯(lián)動(dòng)，引導(dǎo)資源配置，而且還可以刺激電力企業(yè)淘汰落后燃煤機(jī)組，降低碳排放的社會(huì)成本。

3.3 電-碳市場(chǎng)協(xié)同運(yùn)營(yíng)分析

電力市場(chǎng)和碳市場(chǎng)的結(jié)算周期不同，電力市場(chǎng)的結(jié)算周期分為年、季度、月、日、小時(shí)，而碳市場(chǎng)主要結(jié)合年度核算和實(shí)時(shí)交易結(jié)算。因此，電-碳市場(chǎng)的交易結(jié)算周期應(yīng)與實(shí)時(shí)平衡的電力交易品種同步，以減少不同結(jié)算周期在電-碳市場(chǎng)間造成的成本分配和轉(zhuǎn)移不確定性的影響，從而更好發(fā)揮市場(chǎng)對(duì)用電側(cè)的導(dǎo)向和激勵(lì)作用。

電-碳市場(chǎng)的3種典型協(xié)調(diào)一體化運(yùn)行模式如下：1）事前碳權(quán)預(yù)存模式。碳市場(chǎng)允許電力用戶購(gòu)買(mǎi)一定的碳權(quán)量，當(dāng)儲(chǔ)備碳權(quán)量耗盡后，不再允許其參與電網(wǎng)需求響應(yīng)，并實(shí)時(shí)清算碳排放收益和響應(yīng)收益。2）事后碳交易抵消模式。電力用戶按月參與電力交易和需求響應(yīng)交易，計(jì)算電力碳排放并參與碳權(quán)市場(chǎng)，平衡上月碳排放赤字。3）碳權(quán)期貨模式。碳權(quán)期貨交易允許電力用戶按需鎖定未來(lái)的碳權(quán)量，并進(jìn)行季度或年度交付。由于國(guó)內(nèi)電力市場(chǎng)和碳市場(chǎng)還處于發(fā)展初期，電-碳市場(chǎng)的交易出清和結(jié)算成本必須緊密匹配。事前碳權(quán)預(yù)存模式針對(duì)碳市場(chǎng)的實(shí)時(shí)市場(chǎng)屬性，并基于碳權(quán)的實(shí)時(shí)交易價(jià)格進(jìn)行“日清”結(jié)算，有助于引導(dǎo)電力用戶及時(shí)調(diào)整用電量。

電-碳耦合市場(chǎng)下煤電競(jìng)價(jià)調(diào)度模型

目前關(guān)于發(fā)電商同時(shí)參與電力市場(chǎng)與碳市場(chǎng)相關(guān)研究中未見(jiàn)考慮現(xiàn)貨市場(chǎng)，故本文主要聚焦發(fā)電商在現(xiàn)貨日前市場(chǎng)中的決策行為，暫不考慮實(shí)時(shí)市場(chǎng)。

4.1 基本假設(shè)

1）本文假設(shè)現(xiàn)貨市場(chǎng)在各個(gè)時(shí)刻的出清結(jié)果能夠使該時(shí)刻的系統(tǒng)邊際成本為最低值，滿足這一條件的煤電機(jī)組組合的表達(dá)式為

2）隨著碳市場(chǎng)的發(fā)展，配額免費(fèi)分配比例將不斷降低，拍賣(mài)比例不斷升高。本文基于碳市場(chǎng)發(fā)展的不同程度，分別設(shè)定了輕度碳市場(chǎng)、中度碳市場(chǎng)和重度市場(chǎng)3種情景（見(jiàn)表1），以此研究不同程度的碳市場(chǎng)對(duì)現(xiàn)貨市場(chǎng)中煤電上網(wǎng)電價(jià)的影響。

表1 碳交易市場(chǎng)情景設(shè)置

Table 1 Carbon market scenario settings

表1中指標(biāo)說(shuō)明如下。

有償配額比例：廣東省2020年電力企業(yè)的免費(fèi)配額比例為95%，拍賣(mài)配額比例隨著碳市場(chǎng)程度加深不斷提高。以歐洲碳市場(chǎng)發(fā)展進(jìn)程為例，3個(gè)階段的拍賣(mài)配額比例分別為5%、10%和20%?；诖?，本文設(shè)置不同碳市場(chǎng)情景下有償配額比例分別為5%、30%和50%。

碳價(jià)：廣東省2022年碳配額現(xiàn)貨市場(chǎng)價(jià)格與拍賣(mài)市場(chǎng)價(jià)格基本相同，都在58元/t 左右。因此本文設(shè)定在輕度、中度和重度情景下，碳價(jià)分別為58.53元/t、100元/t和200元/t。

機(jī)組碳排放強(qiáng)度根據(jù)機(jī)組二氧化碳排放量及供電煤耗確定。

配額基準(zhǔn)線：在“雙碳”目標(biāo)的壓力下，中國(guó)碳市場(chǎng)程度將不斷加深，配額總量逐步收緊也將成為必然趨勢(shì)，基于此，本文參照《2019—2020 年燃煤機(jī)組配額分配技術(shù)指南》和相關(guān)課題的壓力測(cè)試分析設(shè)定了對(duì)應(yīng)的配額基準(zhǔn)線。

4.2 模型構(gòu)建

算例分析

本文算例研究對(duì)象包括廣東省風(fēng)電機(jī)組、光伏機(jī)組和常規(guī)煤電機(jī)組，為保障清潔能源優(yōu)先消納，允許清潔能源報(bào)量不報(bào)價(jià)，僅煤電機(jī)組參與現(xiàn)貨市場(chǎng)交易。

5.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

1）負(fù)荷及風(fēng)光出力情況。

假設(shè)廣東冬季最大負(fù)荷需求為1300 MW，夏季最大需求負(fù)荷為1800 MW，并以廣東省2022年夏季工作日典型負(fù)荷曲線為依據(jù)，設(shè)置日負(fù)荷需求值，風(fēng)電和光伏出力曲線實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)源于廣東某風(fēng)電場(chǎng)和某光伏電站。夏季某天24 h的總負(fù)荷及風(fēng)光出力曲線，如圖6所示。

圖6 廣東夏季典型日負(fù)荷及風(fēng)光出力曲線

Fig.6 Typical daily load and solar output curve in summer of Guangdong

2）煤電機(jī)組基本參數(shù)。

本文選取3臺(tái)燃煤發(fā)電機(jī)組（300 MW、600 MW、1000 MW）進(jìn)行模擬研究，機(jī)組的相關(guān)參數(shù)如表2~5所示。

表2 3臺(tái)常規(guī)煤電機(jī)組細(xì)分

Table 2 Three conventional coal power units are subdivided

表3 煤電機(jī)組在各負(fù)荷率下的平均供電煤耗

Table 3 Average coal consumption of power supply of coal power unit at each load rate

表4 生產(chǎn)消耗性材料費(fèi)限額標(biāo)準(zhǔn)

Table 4 Production consumable material cost limit standard

表5 機(jī)組運(yùn)行成本參數(shù)設(shè)置

Table 5 Unit operation cost parameter setting

3）機(jī)組報(bào)價(jià)曲線。

本文選取的3臺(tái)煤電機(jī)組的競(jìng)價(jià)曲線如圖7~9所示。由圖7~9可以看出，根據(jù)煤電機(jī)組在不同負(fù)荷率下的報(bào)價(jià)排序，由于3號(hào)煤電機(jī)組報(bào)價(jià)最低，將有可能最先參與市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度，然后是2號(hào)機(jī)組，最后是1號(hào)小型煤電機(jī)組。

圖7 1號(hào)機(jī)組報(bào)價(jià)曲線（300 MW）

Fig.7 Bid curve of Unit 1 (300 MW)

圖8 2號(hào)機(jī)組報(bào)價(jià)曲線（600 MW）

Fig.8 Bid curve of Unit 2 (600 MW)

圖9 3號(hào)機(jī)組報(bào)價(jià)曲線（1000 MW）

Fig.9 Bid curve of Unit 3 (1000 MW)

5.2 結(jié)果分析

5.2.1 單一現(xiàn)貨市場(chǎng)模擬運(yùn)行結(jié)果

1）夏季和冬季機(jī)組調(diào)度情況對(duì)比。

基于邊際成本定價(jià)原則對(duì)煤電機(jī)組進(jìn)行經(jīng)濟(jì)調(diào)度，從而滿足夏季和冬季的最大用電負(fù)荷需求，分別模擬夏季和冬季情景下的出清情況，結(jié)果如圖10所示。由于可再生能源沒(méi)有燃料成本，原則上可再生能源機(jī)組會(huì)優(yōu)先參與電力調(diào)度，然后是煤電機(jī)組出清。大型煤電機(jī)組首先進(jìn)行出清，其次出清中型煤電機(jī)組，最后是小型煤電機(jī)組出清。夏季和冬季情景下的煤電機(jī)組出清結(jié)果有一定差異，在其他能源機(jī)組出力相同時(shí)，夏季典型情景用電需求較高導(dǎo)致最終出清的煤電機(jī)組數(shù)量較多，因此煤電平均出清電價(jià)也比冬季更高，為0.1717元/(kW·h)；而冬季負(fù)荷需求比夏季低，因此平均出清電價(jià)較低，為0.1654元/(kW·h)。

圖10 不同情景下的機(jī)組調(diào)度順序及平均報(bào)價(jià)

Fig.10 Unit scheduling sequence and average quotation under different scenarios

2）夏季典型日機(jī)組出清情況。

圖11為廣東省夏季典型日有風(fēng)有光情景下的出清結(jié)果，可再生能源機(jī)組優(yōu)先發(fā)電，然后現(xiàn)貨市場(chǎng)基于邊際成本定價(jià)原則對(duì)煤電機(jī)組進(jìn)行經(jīng)濟(jì)調(diào)度，故不同時(shí)刻的上網(wǎng)電價(jià)與出力的波動(dòng)情況基本保持一致。

圖11 夏季有風(fēng)有光情景煤電機(jī)組出清情況及上網(wǎng)電價(jià)

Fig.11 Clearance of coal-fired power units and grid electricity price under wind and light conditions in summer

5.2.2 電-碳耦合市場(chǎng)模擬運(yùn)行結(jié)果

1）碳市場(chǎng)對(duì)機(jī)組報(bào)價(jià)的影響分析。

分別計(jì)算3種情景下3臺(tái)煤電機(jī)組的碳排放成本與平均報(bào)價(jià)，結(jié)果如圖12和圖13所示。以1號(hào)煤電機(jī)組（300 MW）為例，沒(méi)有引入碳市場(chǎng)時(shí)，機(jī)組的平均報(bào)價(jià)為0.1720元/(kW·h)，在輕度碳市場(chǎng)情景、中度碳市場(chǎng)情景和重度碳市場(chǎng)情景下，其平均報(bào)價(jià)分別為0.1723元/(kW·h)、0.2024元/(kW·h)、0.2720元/(kW·h)，較未引入碳市場(chǎng)時(shí)分別增加了0.18%、17.7%和58.21%，碳成本占機(jī)組平均報(bào)價(jià)的比例分別為0.33%、15.17%和36.89%。由圖12~13可以看出，火電機(jī)組的裝機(jī)容量越低，碳排放成本越高；隨著碳市場(chǎng)的逐步完善，機(jī)組的碳成本不斷增加，導(dǎo)致機(jī)組報(bào)價(jià)也大幅增加。另外，由于負(fù)荷高峰期與低谷期的碳價(jià)傳導(dǎo)率不同，相同情景下高峰期的碳成本和機(jī)組報(bào)價(jià)均高于低谷期。

圖12 不同碳情景下的碳排放成本

Fig.12 Carbon emission costs under different carbon scenarios

圖13 不同碳情景下的機(jī)組報(bào)價(jià)曲線

Fig.13 Unit bid curves under different carbon scenarios

另外，3號(hào)機(jī)組（1000 MW）在輕度碳市場(chǎng)情景下高峰期和低谷期的碳排放成本均為負(fù)數(shù)，分別為–2.25元/(MW·h)和–1.8元/(MW·h)，該結(jié)果表明3號(hào)機(jī)組在碳市場(chǎng)發(fā)展初期由于機(jī)組碳排放強(qiáng)度較低、機(jī)組效率較高導(dǎo)致碳排放量小于碳配額，可能會(huì)通過(guò)出售剩余減排量在碳市場(chǎng)獲取額外收益；但從長(zhǎng)期來(lái)看，隨著碳市場(chǎng)不斷完善，碳價(jià)和碳配額將進(jìn)一步縮緊，煤電機(jī)組將難以在碳市場(chǎng)中獲得額外收入。

2）不同碳市場(chǎng)情景下機(jī)組出清情況。

不同類(lèi)型的煤電機(jī)組碳成本相差不大，因此碳市場(chǎng)基本不會(huì)影響機(jī)組的調(diào)度順序。廣東省夏季有風(fēng)有光情景、夏季無(wú)風(fēng)無(wú)光情景煤電機(jī)組出清情況分別如圖14和圖15所示。夏季有風(fēng)有光情景下輕度、中度、重度碳市場(chǎng)的平均出清電價(jià)分別為0.1607元/(kW·h)、0.1863元/(kW·h)、0.2461元/(kW·h)，較未引入碳市場(chǎng)時(shí)分別增加了0.18%、16.14%、53.41%。

圖15 夏季無(wú)風(fēng)無(wú)光情景煤電機(jī)組出清情況及電價(jià)

Fig.15 Clearing situation and electricity price of coal-fired power units under the situation of no wind and no light in summer

由圖14~15可以看出，當(dāng)夏季無(wú)風(fēng)無(wú)光時(shí)，3臺(tái)煤電機(jī)組均參與市場(chǎng)出清；當(dāng)夏季有風(fēng)有光時(shí)，原則上可再生能源機(jī)組優(yōu)先發(fā)電，1號(hào)小型煤電機(jī)組（300 MW）由于報(bào)價(jià)最高沒(méi)有參與市場(chǎng)調(diào)度，因此有風(fēng)光出力下的同一碳市場(chǎng)情景同一時(shí)刻的出清電價(jià)要比無(wú)風(fēng)無(wú)光情景下的低。

由于碳價(jià)傳導(dǎo)率在負(fù)荷高峰與負(fù)荷低谷時(shí)刻有所不同，同一機(jī)組在高峰期和低谷期的碳成本有所差異，導(dǎo)致同一碳市場(chǎng)情景下機(jī)組在不同時(shí)刻的出清電價(jià)上漲幅度不同，并且負(fù)荷高峰期的上漲幅度略高于低谷期。隨著碳市場(chǎng)進(jìn)程不斷發(fā)展，配額分配基準(zhǔn)值和碳價(jià)將進(jìn)一步收緊，會(huì)逐漸增加煤電機(jī)組的碳成本，從而抬高機(jī)組報(bào)價(jià)，使機(jī)組出清電價(jià)不斷提高。短期內(nèi)輕度碳市場(chǎng)對(duì)煤電機(jī)組出清電價(jià)的影響較?。欢虚L(zhǎng)期內(nèi)中度碳市場(chǎng)下上網(wǎng)電價(jià)增加顯著，重度碳市場(chǎng)下上網(wǎng)電價(jià)大幅增加，煤電將逐步退出現(xiàn)貨市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，轉(zhuǎn)而承擔(dān)電力安全供應(yīng)的職責(zé)。

3）煤電機(jī)組碳配額交易行為分析。

由圖14的機(jī)組出清情況可計(jì)算得出各個(gè)機(jī)組每天的總發(fā)電量和總碳排放量，結(jié)合機(jī)組的碳成本曲線，可進(jìn)一步得出廣東省夏季有風(fēng)有光情景各個(gè)機(jī)組在碳市場(chǎng)中進(jìn)行配額交易的總收入，結(jié)果如表6所示。

表6 機(jī)組的碳市場(chǎng)總收入

Table 6 Total carbon market revenue and cost of the unit

由表6可知，輕度碳市場(chǎng)情景下，3號(hào)機(jī)組將剩余碳配額在碳市場(chǎng)中進(jìn)行出售，因此每個(gè)夏季典型日能夠獲取4.86萬(wàn)元的額外收入。而1號(hào)和2號(hào)機(jī)組均需要在碳市場(chǎng)中購(gòu)買(mǎi)碳配額，因此要在碳市場(chǎng)交易中支付一定的費(fèi)用，機(jī)組的碳成本會(huì)隨著碳市場(chǎng)的逐漸完善而不斷增加。另外，機(jī)組容量越大，單位度電碳成本越低，總碳成本越高，原因是容量大的機(jī)組效率較高，碳排放強(qiáng)度較低，因此單位度電碳成本較低；同時(shí)大型機(jī)組報(bào)價(jià)較低會(huì)優(yōu)先被調(diào)度，因此日發(fā)電量較多，機(jī)組的日總碳排放量較高，進(jìn)而提高了機(jī)組的總碳成本。

結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)結(jié)合碳市場(chǎng)情景分析，構(gòu)建了基于碳配額交易的煤電機(jī)組報(bào)價(jià)模型，并以3臺(tái)不同容量的常規(guī)煤電機(jī)組為算例，對(duì)比分析了有無(wú)可再生能源出力的碳市場(chǎng)對(duì)現(xiàn)貨市場(chǎng)中煤電上網(wǎng)電價(jià)的影響，結(jié)論如下：1）電碳耦合下的煤電機(jī)組競(jìng)價(jià)模型在機(jī)組報(bào)價(jià)中考慮了碳成本，量化了碳市場(chǎng)對(duì)電力市場(chǎng)的影響，具有更高的市場(chǎng)效率，促進(jìn)了電碳市場(chǎng)的有效協(xié)同；2）在電力現(xiàn)貨市場(chǎng)中，新能源機(jī)組出力越多，煤電機(jī)組出力越少，出清電價(jià)越低，這將激勵(lì)發(fā)電企業(yè)更多使用清潔能源，從根本上實(shí)現(xiàn)碳減排的目標(biāo)；3）在碳市場(chǎng)不同發(fā)展階段，由于空間逐步緊縮，煤電機(jī)組整體將從能夠?qū)ν獬鍪鄱嘤嗝赓M(fèi)碳配額/CCER逐步轉(zhuǎn)向需要向外購(gòu)買(mǎi)碳配額，并且對(duì)于碳配額的需求量逐步增大，因此碳價(jià)整體會(huì)有一定的提高，煤電機(jī)組的碳成本也會(huì)逐漸增加；4）碳市場(chǎng)的引入能夠積極引導(dǎo)減排性能較差的煤電機(jī)組通過(guò)技術(shù)改造進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)，主動(dòng)降低碳排放強(qiáng)度。

基于本文研究結(jié)果，對(duì)中國(guó)電力市場(chǎng)和碳市場(chǎng)建設(shè)提出以下建議：1）電力企業(yè)短期內(nèi)可以通過(guò)發(fā)展儲(chǔ)能、碳捕捉與封存等技術(shù)來(lái)減少碳排放；從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，企業(yè)應(yīng)逐步加大對(duì)可再生能源發(fā)電的投資；2）政府相關(guān)部門(mén)應(yīng)繼續(xù)完善配額分配政策，逐步提高配額拍賣(mài)比例和提升碳價(jià)，建立適用于中國(guó)碳市場(chǎng)發(fā)展新特點(diǎn)的碳減排制度；3）有序放開(kāi)發(fā)用電計(jì)劃，形成更加合理的市場(chǎng)出清價(jià)格，提高發(fā)電側(cè)資源利用效率；4）推動(dòng)電力市場(chǎng)與碳市場(chǎng)協(xié)調(diào)共同發(fā)展。碳成本在電力市場(chǎng)中具有不完全傳導(dǎo)性，因此應(yīng)考慮以計(jì)劃發(fā)用電量為依據(jù)的碳價(jià)聯(lián)動(dòng)機(jī)制，有利于推動(dòng)電力市場(chǎng)和碳市場(chǎng)的緊密耦合與健康發(fā)展，為中國(guó)實(shí)現(xiàn)“雙碳目標(biāo)”提供有效支撐。