城市互补系统中的新型协同调度机制，结合以利润为导向的碳交易与绿色证书金融交易，以实现近零排放目标

《Expert Systems with Applications》：Novel synergy scheduling in urban complementary systems coupled with profit-driven carbon and green certificate financial trading for near-zero emission goals

　　玄林|郑生涛|唐涛|李方静|冯寅
中国湖北省十堰市湖北汽车工业学院数字经济学院，邮编442002

摘要
要实现接近零排放的可持续城市转型，就需要找到既能实现环境目标又能保证经济可行性的创新方法。本研究探讨了在多能源互补系统中整合碳排放权交易与绿色证书交易机制，强调了这两种机制在实现脱碳目标的同时保障成本效益方面的协同作用。针对现有文献中的不足，本研究提出了一种以利润为导向的金融框架，将经济目标与环境目标相结合，为城市能源优化提供更全面的解决方案。研究还提出了一种创新的交易机制，可将绿色证书转换为碳排放权，从而连接碳排放权交易与绿色证书交易市场。这种分层定价模式能够鼓励使用可再生能源，同时限制碳排放，形成双重监管体系，进一步提升整体效能。研究通过数学优化模型并结合案例分析，模拟了四种情景：仅参与绿色证书交易、仅参与碳排放权交易、独立开展两种交易以及完全整合两种交易机制的情景。研究结果表明，在完全整合的情景下，可实现100%的可再生能源利用率，减少9,258吨的过量碳排放，且系统总成本最低为3,394,152.71美元，相比第三种情景可节省85,928.90美元，相比第二种情景可节省36,061.91美元，充分体现了整合市场机制的经济优势。敏感性分析显示，当碳排放权价格上升时，第三种情景下的成本呈线性上升，而第四种情景下的成本上升幅度较小，仅为18,370.57美元，因为碳排放权价格从8.56美元上升至14.08美元。同样，当绿色证书价格上升时，第三种情景下的成本下降25,423.03美元，而第四种情景在绿色证书价格超过2.76美元后，成本先上升2,203.19美元，随后大幅下降22,374.74美元。这些结果证明了整合后的碳排放权交易与绿色证书交易机制在市场波动情况下具有强大的稳定成本能力。所提出的框架为城市能源管理和碳交易带来了重大进展，为政策制定和市场整合提供了可扩展的模型。

引言
近几十年来，全球经济快速发展，与此同时能源消耗也持续上升（Bel和Joseph，2015；张等人，2024；Saeedi等人，2019）。尤其是通过燃烧化石燃料产生的能源增长，极大地增加了温室气体排放量。以化石燃料为动力发电的能源占全球变暖和气候变化总排放量的35.29%（Nassar等人，2024；Akbary等人，2019）。二氧化碳是最主要的人为温室气体，它会加速全球变暖，对全球生态系统健康造成严重危害（Wu等人，2024；SeyedShenava等人，2025）。为了解决这些严重的环境问题，各国同意减少排放，并积极推动其工业生产向低能耗的绿色低碳模式转变（Gan等人，2024；SeyedShenava等人，2025）。为实现这些目标，转变能源使用模式、提高能源效率并减少排放显得尤为重要。在这一转型过程中，发展风能和光伏发电等可变可再生能源至关重要，因为它们在发电过程中不会产生温室气体排放，与传统热电厂相比更具清洁性和可持续性（Yang等人，2020；Wang等人，2024；Khan等人，2024）。

然而，由于可再生能源技术的不确定性以及其对天气等不可控因素的依赖，这类能源仍处于不利地位（Zhou等人，2024）。为提升可再生能源的可靠性和可调度性，人们开发了能源存储技术，从而为其在电网中的应用打开了新局面（Tian等人，2024；Hong等人，2023）。人们还致力于研究基于光伏与风能耦合的混合系统，以弥补单一可再生能源的局限性。Elbaset等人提出了一个包含光伏、风能和柴油发电机的离网混合能源系统，该系统旨在在满足负荷需求的前提下最小化运营成本（Hassan等人，2024；Noshahr等人，2020；Noshahr等人，2020）。另一种有趣的解决方案是利用抽水蓄能技术，在可再生能源无法发电时维持稳定的能源供应（Ali等人，2021）。此外，还有研究致力于确定符合地区能源需求的光伏和风能配置，以实现稳定的能源需求（Nassar等人，2021）。Ahmad和Farzaneh研究了在电网和离网环境下，基于风能、光伏和电池储能的混合系统在确保能源稳定供应方面的作用（Ahmad和Farzaneh，2024）；Zare等人以及Zehao也对此进行了相关研究（Zare等人，2024；Zehao，2025）。

综上所述，多年来，市场机制在应对气候变化、控制及减少温室气体排放方面发挥了重要作用。其中，碳排放权交易机制为碳排放权的买卖提供了市场平台，已成为最广泛采用的手段之一。这类机制通过为各行业提供经济激励，有效推动了各领域的减排工作（Wu等人，2024；Yang等人，2023）。多项研究表明，碳排放权交易机制通过优化能源使用，帮助各行业实现国家和国际政策规定的减排目标，从而提升了多能源互补系统的效率。特别是有研究探讨了碳排放权交易机制如何促使能源供应商响应减排要求，进而提升能源系统的管理水平（Wan，2025）。此外，碳排放权交易机制也在不断改进。例如，有研究比较了传统碳排放权交易机制与更为先进的多层定价机制，认为后者具有更高的弹性以及更强的减排激励作用（Yan等人，2022；Xu等人，2024）。

另一重要的市场机制是绿色证书交易市场，它在将可再生能源纳入电网方面发挥着关键作用，因此也受到了广泛关注。绿色证书交易机制与碳排放权交易机制并行运作，共同推动能源行业的脱碳进程。碳排放权交易机制旨在消除碳排放，而绿色证书交易机制则通过为清洁能源发电发放相应证书，推动能源结构从化石燃料向可再生能源转型。这不仅为各类可再生能源项目提供了资金支持，还创造了持续的清洁能源市场需求。尤其是“可再生能源配额制度+绿色证书交易”商业模式，因能够通过设定可再生能源发电目标并在开放市场中交易相应证书，而被视为确保清洁能源消费的有效途径（Pavaloaia等人，2015）。一些研究还探讨了如何将碳排放权交易与绿色证书交易相结合，以提升能源系统的经济与环境绩效。例如，Gao等人和Gong等人提出了一个整合了分层碳排放权交易机制的能源系统模型，该模型能够在保证经济可行性的前提下，更灵活地处理排放问题。Wang等人和Teng等人也针对将分层碳排放权交易机制应用于低碳经济运行模型进行了研究，取得了在降低全球碳排放的同时控制系统成本的积极成果。Liu等人则研究了碳排放权交易与绿色证书交易之间的相互作用，表明二者在推动能源结构向更清洁方向转型、改善环境质量方面具有协同效应。

例如，Yu等人和Ma与Fan针对特定地区进行了研究，评估了碳排放权交易与绿色证书交易机制对这些地区能源体系的贡献，重点研究了中国的情况。他们的研究结果表明，这些机制对于提高可再生能源在能源结构中的占比、减少国家对传统热电厂的依赖具有重要意义。这些研究本质上表明，只要政策设计合理且市场机制运作正常，一个国家就能够建立起更加均衡和可持续的能源体系。

尽管已有大量关于碳排放权交易与绿色证书交易机制的研究，但目前尚未出现一种以利润为导向的调度模型，能够实现绿色证书直接转换为碳排放权。本研究通过提出一种整合框架，解决了这一缺陷，该框架将绿色证书交易市场与碳排放权交易市场相连，实现了绿色证书向碳排放权的转换。这一创新方法提升了多能源系统的经济与环境绩效，为政策制定和市场整合提供了新的可扩展模型。

为应对气候变化带来的挑战并推动可再生能源的发展，需要新的碳管理方法。碳排放权交易与绿色证书交易是两种有助于实现清洁能源生产及减少碳排放的关键市场机制。虽然已有大量研究探讨了这两种机制在能源系统中的单独作用，但对其在多能源互补系统中的综合影响仍缺乏深入理解。当这些系统同时包含可再生能源和传统化石能源时，各种机制之间的相互作用为优化系统性能、提升可持续性及降低成本提供了独特机会。因此，本研究旨在通过在一个统一的运作框架内分析碳排放权交易与绿色证书交易的协同效应，填补这一知识空白。本研究的主要目标是分析和优化在碳排放权与绿色证书联合交易条件下的多能源互补系统。本研究的主要贡献包括：

1. 研究碳减排约束：本研究系统分析了碳排放权交易与绿色证书交易对包含可再生能源和化石能源的能源系统所施加的碳减排约束。通过整合这两种机制，研究发现了在保持系统运行效率的同时进一步加大碳减排幅度的潜力。
2. 分析经济与环境影响：本研究分别和共同评估了碳排放权交易与绿色证书交易的经济与环境影响，探讨了二者结合应用对系统成本、碳排放量以及可再生能源利用程度的影响。通过对比分析，明确了联合运用市场机制相较于单独使用的优势。
3. 构建优化模型：本研究为参与碳排放权与绿色证书联合交易的多能源互补系统构建了一个新的优化模型。该模型采用了分层定价结构，使系统运行能够与经济和环境目标相契合。通过最小化日常运营成本并优化碳减排效果，该模型为决策提供了有力的支撑。
4. 案例研究验证：通过全面的案例研究，验证了该模型的可行性与有效性。分析结果表明，联合交易机制具有很强的实用性，能够在保障经济绩效的同时实现环境可持续性。

本研究的结果为可持续能源系统领域的知识积累做出了贡献，提供了关于碳排放权交易与绿色证书交易联合应用的实用见解。所提出的优化模型进一步凸显了这两种机制在推动能源转型、减少对化石燃料的依赖以及促进可再生能源的大规模开发与整合方面的巨大潜力。此外，这项研究也为政策制定者和能源规划者提供了有价值的参考，有助于他们从战略层面设计基于市场的可持续能源发展路径。在该体系中，研究了四种不同的市场情景。主要情景为参与者参与多种市场机制下的交易，其中包括具备能源管理系统、能够利用化石燃料、风能和太阳能发电的多能源互补系统。文中展示了三种市场机制模型：碳排放交易模型、绿色证书交易模型以及碳排放与绿色证书联合交易模型。为提升市场机制的效率，还引入了分步定价机制。

针对经济性与低碳运行的优化调度框架
本研究致力于多能源互补系统在市场参与中的经济性优化，旨在在保持低碳运行的同时，降低系统的发电成本并提升整体经济性能。为此，本文建立了优化调度模型以最小化系统发电成本。该模型包含众多约束条件，如电力供需平衡、发电容量限制等。

基础假设、运行约束及系统不确定性
本研究基于一系列假设、约束条件和不确定性展开。这些因素共同构成了研究的分析框架，并决定了可得出的研究结果。假设是为模型奠定基础的关键要素，有助于系统地分析多能源互补系统的运行特性。首先，假设该多能源互补系统是该地区唯一的电力供应方。

数值结果与讨论
本文通过四种不同情景分析了多能源互补系统在碳排放交易市场和绿色证书交易市场中的最优交易行为及战略规划，探讨了不同市场机制对碳排放、经济性能及市场稳定性的影响。

结论与展望
本研究提出了一种全面且创新的框架，用于实现可持续城市的近零排放目标，尤其强调了多能源互补系统与以盈利为导向的碳排放及绿色证书金融交易机制之间的协同调度作用。这类系统的整合为如何有效运用碳排放交易市场和绿色证书交易市场以实现经济效率与减排目标的统一提供了新思路。

作者贡献说明
林轩：论文撰写——初稿编写、可视化处理、验证、软件应用、方法设计、研究实施、形式化分析、数据整理、概念构建。陶振生：论文撰写——审阅与编辑、验证、监督、软件应用、资源协调、概念构建。唐涛：论文撰写——审阅与编辑、验证、监督、概念构建、数据整理。李芳静：论文撰写——初稿编写、可视化处理、验证、软件应用、方法设计、研究实施、形式化分析、数据整理。

利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究成果的已知财务利益或个人关系。

致谢
湖北省教育厅哲学社会科学科研项目，项目编号：22Q136；湖北汽车工业学院博士科学研究基金，项目编号：BK202322