含碳捕集电厂的低碳备用市场竞价模型与碳捕集水平风险决策_施泉生

损失可表示为 min Ci (ri )
iI
(1)
ri Qm , m 1, 2, , M (2) s.t. iI r r r i min i i max 式中：I 为 IL 用户数量；ri 为用户 i 的负荷中断量；
Ci (r ) 为对 i 的断电赔偿；本文定义容量事故场景
SHI Quanshenga, LI Shidongb
(a. College of Economics Management, b. College of Electric Power Engineering, Shanghai University of Electric Power, Yangpu District, Shanghai 200090, China) ABSTRACT: Taking low-carbon electricity as the background, a reserve market bidding model that incarnates the carbon emission reduction factor and a capture level risk decision method for carbon capture power plant under this model are proposed. An elastic demand curve of unit reserve, in which the randomness of capacity faults can be taken into account, is established, and then according to the theory of internalization of externalities the marginal carbon emission cost is built into the bidding of unit reserve and the obtained marginal composite cost is taken as the foundation of bidding, thus the differences among unit carbon emission characteristics are taken into account and distinguished, and the method of supply and demand is utilized to obtain the optimal reserve point. Based on above-mentioned model the superiority of reserve bidding of carbon capture power plant is analyzed and the differences of risk property between its revenue and cost are distinguished and from the perspective to the risk management the carbon capture level decision is optimized. Simulation results show that using the proposed bidding model the reserve can be optimally configured from a social perspective, and as for carbon capture power plant too high or too low capture levels are inappropriate, and there should be an optimal value of the capture level. KEY WORDS: reserve market; bidding; carbon emission; internalization of externalities; supply and demand; carboncapture power plant; risk decision-making 摘要： 以低碳电力为背景， 提出了能够体现碳减排因素的备 用市场竞价模型及该模型下碳捕集电厂捕集水平风险决策 方法。 建立了能够计及容量事故随机性的机组备用弹性需求 曲线， 然后根据外部性内在化理论， 将边际碳排放成本内置 到机组备用报价中，以得到的边际综合成本作为竞价依据， 从而计及和区分机组碳排放特性差异， 并采用供给与需求方 法获取最优备用点。 基于上述模型， 分析碳捕集电厂的备用 竞价优势， 区分其收益与成本的风险性质差别， 并从风险管 理的角度优化 CO2 捕集水平决策。仿真结果表明该竞价模 型可以从社会角度实现备用的优化配置， 对于碳捕集电厂而 言，其捕集水平过高或过低均不合适，而应存在最优值。 关键词：备用市场；竞价；碳排放；外部性内在化；供给与 需求；碳捕集电厂；风险决策 DOI：10.13335/j.1000-3673.pst.2014.11.009
0 引言
碳减排挑战下，低碳电力已经成为我国电力行 业当前发展趋势[1]。显然，作为电力资源配置的关 键场所，低碳环境下，电力市场的发展必然要融入 碳减排激励因素[2]。 备用服务市场作为电力市场重要组成部分，主 要用于配置一定数量的备用容量，以保证电力系统 安全可靠运行。国际上各主要电力市场大都通过竞 价交易来获取备用服务[3-5]。 从供需的角度看， 备用 资源可分为两类：一类是增加电源侧出力，除了传 统上的各类发电机组外，自治微网、电动汽车等在 未来智能电网环境下也可以用来提供备用服务；另 一类是削减需求侧的用户负荷， 如纽约 ISO 开展了 需求侧辅助服务方案(demand side ancillary service program， DSASP) 、日前需求响应方案 (day ahead demand response program，DADRP)等，允许用户以 投标的形式参与日前或时前电力市场，本文以可中 断负荷(interruptible load，IL)统称。然而，传统的 备用市场竞价模型仅以经济性最优为目标，而这往 往忽略了不同备用资源之间的效用差异[6]，主要是 机组备用的负外部性，如机组在提供备用服务时也 将产生 CO2、SO2 等污染气体。低碳环境下备用资
( pm , Qm ) ，其中 pm 为容量事故 m 发生概率，Qm 为
容量缺额， M 为预想容量事故集， M 可以通过枚 举法或蒙特卡罗模拟法获得。 上述表示仅以 IL 应对事故 m 时的系统损失最 小值，假设为 Cmin (Qm ) 。若购买的机组备用容量为
R ，计及容量事故发生的随机性且考虑整个事故集
第 38 卷 第 11 期 2014 年 11 月 文章编号：1000-3673（2014）11-2999-07
电 网 技 术 Power System Technology 中图分类号：TM 732 文献标志码：A
Vol. 38 No. 11 Nov. 2014 学科代码：470·4054
含碳捕集电厂的低碳备用市场竞价模型 与碳捕集水平风险决策
施泉生 a，李士动 b
（上海电力学院 a.经济与管理学院，b.电气工程学院，上海市 杨浦区 200090）
Low-Carbon Reserve Market Bidding Model and Decision-Making Analysis Incorporating Carbon Capture Power Plant
1 机组备用弹性需求曲线
保留的机组备用容量不同，则容量事故发生后 系统的安全性水平不同，造成的损失也就不同。市 场环境下， IL 用户可以竞价或签订合同的方式参与 市场(如 DSASP)交易，显然可以此作为损失评价标
M SC M IC M EC
(4)
式中： M SC 为边际综合成本；M PC 为边际内部成本；
3000
施泉生等：含碳捕集电厂的低碳备用市场竞价模型与碳捕集水平风险决策
Vol. 38 No. 11
源的优化配置应计及碳排放因素，这是发展低碳电 力的必然要求。 低碳环境下， 碳捕集电厂具有广阔的发展前景 。 未来碳税、碳交易或碳价的引入将进一步增强电力 市场运行的不确定性[8]，而碳捕集电厂显著的低碳 属性将使其具有突出的市场适应力与竞争力，碳捕 集电厂可充分利用其低碳优势而获益。然而，CO2 捕集要以不菲的捕集能量消耗为代价，这也必然会 导致较高的运营成本。 因此， 对于碳捕集电厂而言， 研究能够响应市场环境变化的运行决策方法则具 有重要意义。 文献[9-11]研究了 IL、机组备用及电动汽车等 多种备用资源的优化配置，上述文献都注意到不同 备用之间的经济互补性，但没有考虑碳排放特性差 异。文献[12]构建了计及碳排放的需求侧备用竞价 模型，没有考虑机组备用的参与。文献[13]则采用 粒子群及熵权决策方法寻找含有碳排放目标的多 目标最优解，但采用了确定性的备用容量决策方 法，而没有计及容量事故发生的随机性。目前，关 于碳捕集电厂的研究主要集中于电能市场[14-16]，而 具体针对其备用市场运行决策方法的研究则鲜有 报道。文献[17]研究了碳捕集电厂不同运行方式下 的电碳特性函数。文献[18]则建立了碳交易机制下 电能市场中响应碳价变化的 CO2 捕集水平优化模 型。文献 [19] 特别指出碳捕集系统的快速调节特 性在提供备用服务方面所具有的潜力。文献 [20] 则研究了碳捕集电厂的调峰机制及其带来的显著 效益。 本文以备用服务市场为研究对象，场景为日前 市场，在电能市场出清的基础上，发电商可将富裕 容量参与备用竞价，并提交其容量价格与电量价 格，IL 则提交其断电赔偿价格，交易时间单位为 1 h， 均采用按报价支付(pay as bid， PAB)方式结算。 本文首先针对对低碳环境下事故备用容量(10 min 备用)的优化配置问题， 结合经济学中的供给与需求 及外部性内在化理论，提出考虑碳排放的备用市场 竞价模型。然后，以上述竞价模型为基础，从风险 管理的角度分析灵活运行方式下碳捕集电厂备用 市场中 CO2 捕集水平优化决策问题与方法。