基于配額制的可再生能源電力交易系統(tǒng)動力學仿真
楊立兵1，張汀薈2，李雅超2，李曉剛1，吳敏1，王蓓蓓2*
（1．國家電網有限公司華東分部；2．東南大學電氣工程學院）
本文發(fā)表在《全球能源互聯(lián)網》第5期"電力市場促進可再生能源發(fā)展"專題，歡迎點擊品讀。本文受國家自然科學基金面上項目及國家電網華東分部科技項目資助。
文章導讀
近年來以風能和光伏為代表的可再生能源電力消納問題日漸突出，初期以補貼刺激其發(fā)展的方式資金缺口大且難以可持續(xù)實施，可再生能源配額制度(Renewable Portfolio Standard，RPS)及其配套的綠色證書交易機制(Tradable Green Certificates，TGC) 能夠以市場化手段激勵可再生能源有效消納。本文梳理了電力市場和綠色證書市場之間的資源傳遞關系，構建了市場主體進行綠色證書和電力交易的基本框架，搭建了各耦合模塊的系統(tǒng)動力學模型，仿真模擬了可再生能源發(fā)電商參與電力中長期以及綠色證書市場的策略，并分析了各市場的交易情況。
研究成果
1、梳理了配額制下，可再生能源發(fā)電商與售電商在可再生能源電力中長期市場、電力現(xiàn)貨市場以及綠色證書市場之間的價格、供需傳遞關系。
2、搭建了包括可再生能源電力中長期合約交易、傳統(tǒng)能源中長期合約交易、電力現(xiàn)貨交易的電力市場與綠色證書市場等相互耦合模塊的系統(tǒng)動力學模型，主擬分析了可再生能源發(fā)電商在電力中長期以及綠色證書市場中的交易情況。
主要內容
本文運用系統(tǒng)動力學方法搭建綠證市場與電力市場相互作用的機理模型，圖1給出了綠證市場與電力市場交互模型的因果回路圖。主要包括電力市場模塊、綠色證書模塊和發(fā)電商模塊3個部分。發(fā)電商根據(jù)單位收益變化調整在現(xiàn)貨市場中的報價。可再生能源電力中長期合約比例、可再生能源能源發(fā)電商在現(xiàn)貨市場的中標量分別影響到綠色證書的需求量和供應量，進而影響到綠色證書的價格變化和發(fā)電商收益。發(fā)電商參與各市場的出力、綠證交易量、綠證價格等相關因素之間有著明顯的因果關聯(lián)，構成的反饋環(huán)路是系統(tǒng)動力學模型直接的呈現(xiàn)方式。
? 圖1 因果回路圖
本文運用Vensim PLE軟件進行系統(tǒng)動力學模型的搭建與仿模擬真，算例中設置仿真周期為100天，現(xiàn)貨市場時間步長為1天，中長期合約市場時長30天。
仿真周期內，售電商期望購買的綠證數(shù)量和可再生能源發(fā)電商期望銷售的綠證數(shù)量之間的差值與綠色證書的價格如圖2所示，綠證成交量如圖3所示。由圖2中綠線可知，綠色證書的價格在初期變化較大。這是因為在第一天時，可再生能源發(fā)電商在現(xiàn)貨市場中標量為0，也就意味著此時綠色證書市場中無綠證供應，此時供遠小于求，需求量與供給量的差值達到最大值，使得綠色證書價格由初始值（150元/張）急速上漲至最大值（300元/張）。由于第二日綠色證書價格達到最大值，超過了售電商預期購買價格（165元/張），因此售電商會減少對綠證的購買。此時綠證價格遠超可再生能源發(fā)電商預期出售價格（144元/張），因此發(fā)電商會大幅度增加供應量，使得供大于求，從而使得綠色證書的價格有所回落。在后期綠色證書價格略有波動，但基本穩(wěn)定在230元/張附近，價格的波動幅度與綠色證書需求量與供給量的差值呈正比例關系。隨著仿真天數(shù)的推移，綠色證書的供需差整體呈現(xiàn)一正一負來回交叉變化的趨勢，且幅度逐漸降低，反映在綠色證書價格上則是趨于平穩(wěn)。
從圖3中可以看出，除了第一日可再生能源發(fā)電商無證書進行交易，之后綠色證書的實際交易量與綠色證書價格整體呈負相關：當綠色證書價格下降時交易量會有所增加。每30天綠色證書的交易量都有會有階躍式增加，這是由于可再生能源發(fā)電商與售電商簽訂的中長期合約比例減少，售電商為了完成配額義務，在綠證市場中的證書購買量會有所增加。
當配額比例發(fā)生變化時，售電商對可再生能源電力和綠色證書的需求會隨之變化，當配額比例分別調整為12%和16%時，綠色證書市場的交易價格情況也會發(fā)生變化，如圖4所示。從圖中可以看出：①三種配額比例下，初始時刻由于無綠證供應導致綠證價格激增至峰值，配額比例越小，售電商對綠證的需求越少，供需量相差越大，使得第二日的綠色證書價格回落幅度越大。②三種配額比例下，綠色證書的價格均會趨向一個均衡值，且配額比例越高，均衡值越大。這是由于配額比例越高，售電商對于綠證的實際需求量越大，從而抬升了證書價格。
? 圖4 不同配額比例下綠色證書價格
圖5展示了不同配額比例下可再生能源發(fā)電商參與中長期市場及現(xiàn)貨+綠證市場的單位出力收入變化，可以看出配額比例設置越高，可再生能源發(fā)電商在現(xiàn)貨以及綠證兩個市場的單位收入越高。這是由于配額比例的增大不會影響傳統(tǒng)能源發(fā)電商的報價策略，即不會影響現(xiàn)貨電價，但綠色證書價格隨之上漲（如圖4），從而使得可再生能源發(fā)電商在現(xiàn)貨以及綠色證書兩個市場的總收入上升。這為可再生能源發(fā)電商調整中長期合約比例提供了驅動力，因此配額比例越高，可再生能源發(fā)電商降低中長期合約比例的幅度越大，如圖6所示。
仿真結果表明，綠色證書市場中的價格和交易量受供需影響，會處于波動狀態(tài)，最終趨向一個均衡值?？稍偕茉窗l(fā)電商在現(xiàn)貨市場和綠色證書市場中的單位收入高于在中長期市場中的單位收入，因此，在中長期合約價格保持不變的情況下，可再生能源發(fā)電商更傾向于同時參與現(xiàn)貨市場和綠色證書市場，降低中長期合約的比例。這為可再生能源發(fā)電商進行策略調整提供了一定參考。
隨著配額比例的增大，綠色證書的均衡價格上升，這有助于提高可再生能源發(fā)電商在現(xiàn)貨和綠色證書兩個市場的總收入，但是對于售電商而言，為了完成配額任務需要承擔的經濟壓力越大，有可能會損害其參與積極性。因此綜合而言，有必要參考綠色證書的均衡價格，將配額比例設置在合理的范圍內。
本文引文信息
楊立兵，張汀薈，李雅超，等. 基于配額制的可再生能源電力交易系統(tǒng)動力學仿真[J]. 全球能源互聯(lián)網，2020，3(5)：497-507．
YANG Libing, ZHANG Tinghui, LI Yachao, et al. System dynamics simulation of renewable energy power trading based on renewable portfolio standard[J]. Journal of Global Energy Interconnection, 2020, 3(5): 497-507(in Chinese).
作者簡介
楊立兵
高級工程師，碩士
長期從事電力市場與電力交易相關工作，作為主要人員參與制定了《華東電力市場跨省集中競價交易規(guī)則》和《華東跨省發(fā)電權交易規(guī)則》，熟悉華東電網電力交易組織與計劃管理流程，負責華東電網電力交易平臺的日常運營，有豐富的電力交易實際工作經驗。近年來，參與了多個國家電網公司及華東電網公司電力市場交易相關科技項目的研究，多次獲華東電網公司科技進步獎和國家電網公司優(yōu)秀管理咨詢成果獎，有較好的科技項目管理經驗。
E-mail：yang_lb@ec.sgcc.com.cn
王蓓蓓
東南大學電氣學院電力經濟技術研究所副所長，博士生導師
入選江蘇省六大人才高峰智能電網領域資助計劃。江蘇省電力市場管理委員會首批專家，電網技術、電力需求側管理、IET Energy Conversion and Economics等期刊編委。在IEEE Transactions on Power System等國內外頂級及核心刊物上錄用或發(fā)表論文近90篇，其中SCI收錄19篇，EI收錄超過40篇，2篇論文入選中國精品科技期刊頂尖學術論文(F5000)。研究團隊主要研究領域包括電力市場與電力監(jiān)管，電力需求側管理與需求響應，電力規(guī)劃，電力系統(tǒng)節(jié)能與經濟運行。
E-mail：wangbeibei@seu.edu.cn
