科研速递 | 理工学院吴辰晔教授团队在IEEE可再生能源汇刊（TSTE）上发文探讨上调费用助力降低电网碳排放的方法

近日，香港中文大学（深圳）理工学院的吴辰晔教授团队在《IEEE Transactions on Sustainable Energy》发表题为“Enable a Carbon Efficient Power Grid via Minimal Uplift Payments”的文章。

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https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/9721117

期刊介绍

IEEE Transactions on Sustainable Energy是一本跨学科的国际期刊，旨在传播与能源生产、传输、分配和交付有关，产生于或有意影响能源生产、传输、分配和交付的可持续能源研究成果。该期刊发表关于可持续能源技术和系统原理的理论和发展的原创研究以及关于设计，实施和评价受可持续能源影响的电力系统的手稿。IEEE Transactions on Sustainable Energy的最新影响因子为 7.917，JCR分区Q1。

引言

2020年9月，习近平主席在联合国会议上代表我国向世界庄重宣布了“二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”的宏伟目标。国务院也在《2022年政府工作报告》中提出“有序推进碳达峰碳中和工作”的具体要求。碳中和将促进我国经济发展和能源结构的进一步转型，为我国的可持续发展提供坚实的基础。可见积极探索有效实现碳中和目标的行动方案，大力推进电气化和电力系统深度脱碳，构建以新能源为主体的未来能源系统，是党和政府给我国能源行业提出的重要目标。本文在此背景下，探讨如何进行市场设计，以期助力碳中和战略。

研究背景

尽管2019年新冠疫情严重打击了世界经济，但2020年全世界碳排放量却大幅下降。然而，这并不意味着气候变化不再是一个问题，相反，它为实施有效的碳减排政策提供了一个宽限期。迄今为止，最流行的碳减排政策寻求使用价格信号来减少碳排放，包括1) 碳税；2) 碳限额与交易（cap-and-trade，下文简称碳交易）。具体而言，碳税方案对碳排放量收税，然后依靠市场自动确定碳排放总量。另一边，在碳交易方案中，首先以碳排放许可证的形式确定碳排放总量，然后允许发电者竞价购买许可证。显然，碳交易计划具有严格执行碳减排目标的优势，而碳税计划的实施门槛较低：它可以简单地在现有经济调度计划的基础上实施。理论上，只要选择合适的设计参数（碳税的税率和碳排放许可证数量），这两种政策都可以有效应对气候变化。但不可避免地，两者都会提高消费者的电价。除非实施全球统一的碳政策，否则那些承受碳减排政策的发电厂在与没有碳减排政策的同行竞争时将处于不利地位。

加拿大不列颠哥伦比亚省以纳税人所得税申报表的形式实施了税收中性碳税。然而，税收和纳税申报的立法程序很复杂，可能需要数年才能完成，这是美国仍未实施全国范围的碳税的一个主要原因。尽管一些国家已经实施了碳交易方案，但社会各界对该方案的批评一直存在。对碳交易的担忧主要来自不确定性，以及与碳市场相关的潜在操纵。这些担忧是在全球范围内实施碳交易的主要障碍。

注意到这种情况，受凸包定价方法的启发，我们提出了一种替代性的碳减排政策——使用上调费用来改变发电调度顺序以实现有效的碳减排。新方案比前面提到的两个方案具有更大的灵活性，并且可以在电力市场的一般经济调度基础之上轻松实施。

研究内容

文章的主体思路如图1所示。我们首先重新审视经济调度模型，它是不同形式的碳减排政策的基础。然后我们简要回顾了两种主要的经典碳减排方法：碳税和碳交易。接着我们介绍了我们的上调费用方案，并将其与经典方法从灵活性、可控性、成本等方面进行了全面比较。我们的方案基于一个简单的思想：先确定对各个发电商机组的调度，从而满足碳减排需求，再将这些机组因为参与该方案造成的损失补贴给他们。这样他们就会从自身利益出发而选择不偏离指定的调度。

图1 文章基本结构

实施上调费用的一项直接任务是确定适当的统一价格p。对于任意形式的发电成本函数，可能不存在有效的通用算法计算正确的价格。因此，我们首先考虑一般的凸成本函数。然后我们以线性燃料成本为例来提供更多直观的结果。我们发现，在上调费用方案下的最优价格实际上与忽略网络约束的经济调度中得到的影子价格相同。显然，我们得到的价格可以准确地反映系统的边际价格。

为了检验我们设计的方案的鲁棒性和可行性，我们探讨了在上调费用的方案下，发电商对市场的操纵行为。发电商可能会为了获取额外利润或其他目的而故意误报其发电成本函数，从而影响整个系统的稳定性。我们从理论上辨别了哪些发电商具有操纵市场的能力，并且找出了市场可能会产生的最大的波动性。结果显示，在非合作的情况下，发电商对整个社会成本造成的波动影响可以被控制在一个小的范围内。这说明了我们的方案是稳定的。

总的来说，我们提出的方案相对于传统的方案有诸多优点：具有很强的灵活性、可控性；计算成本很低；可以直接运行于现有的经济调度之上；市场操纵空间小。该方案对全世界范围内碳减排政策的制定具有一定参考意义。

主要贡献

这篇文章的主要贡献可以总结如下：

1. 提出使用上调费用降低碳排放的方案：我们精心设计并提出了使用上调费用的方式来实施碳减排政策的方案。该方案可以很容易地集成到现有方案中。

2. 轻量计算的碳减排方法：我们提出的上调费用方案的实施与碳税一样容易。我们进一步证明了上调费用设计中的重要参数，即实现最低上调费用的统一价格：可以通过解决一个简单的优化问题来获得。

3. 市场操纵行为分析：我们分析了发电商在我们的上调费用方案中的市场操纵行为，并提出了发电商对市场影响的一个非平凡的上限，即对发电商的总支付的最大波动，这表明了上调费用方案的高稳定性和鲁棒性。

作者简介

本文通讯作者为香港中文大学（深圳）助理教授吴辰晔

吴辰晔，香港中文大学（深圳）理工学院助理教授，校长青年学者。吴教授分别于2009年，2013年在清华大学电子工程系、清华大学交叉信息研究院获得学士学位与博士学位（师从图灵奖得主姚期智院士）。吴教授主要从事电力市场设计、电网安全及风险评估、电力系统控制等研究，特别专注于新型电力市场商业模式设计、电力市场中市场力分析、人工智能与数据驱动技术在电力系统控制与优化的研究。目前，吴教授已发表高水平期刊/国际顶级会议论文（如IEEE Transactions on Power Systems, IEEE Transactions on Smart Grid, IEEE Transactions on Sustainable Energy, ACM e-Energy等）70余篇，是中国工业与应用数学学会金融科技与算法专委会委员，中国计算机学会计算经济专业组执行委员，自2022年2月起担任IEEE系统科学汇刊（IEEE Systems Journal）编委（Editorial Board Member, Associate Editor），2022年IEEE智能电网通讯会议（IEEE SmartGridComm）数据与计算分会共同主席，2022年ACM未来能源大会（ACM e-Energy）数字会议共同主席，前后三次获得能源领域旗舰会议的最佳论文奖（包括2012年IEEE SmartGridComm最佳论文奖，2013年和2020年IEEE PES General Meeting最佳论文奖）。

本文第一作者：清华大学博士生张家声

张家声是清华大学交叉信息研究院的博士生，师从吴辰晔教授。本科毕业于武汉大学电子信息学院，获得电子信息工程学士学位。2020年获得清华-九坤科创优秀奖。他的主要研究方向包括电力系统中的市场设计和能源存储问题。

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