以碳为中心的市场框架，旨在提升生产消费者在需求响应行动中的作用

《Renewable Energy Focus》：A carbon-centric market framework for advancing prosumers’ role in demand response initiatives

　　摘要
碳排放融资政策，如排放交易机制，已被广泛用于推动全球减排努力。然而，如何有效应对电力行业中的生产消费者所带来的巨大碳排放量，依然是一个重大挑战。配电系统运营商试图通过利用各种灵活性资源来缓解网络拥堵，而生产消费者则成为配电网络中不可或缺的贡献力量。生产消费者具备调整自身负荷特征的独特能力，因此可以通过积极参与需求响应计划为系统提供宝贵的灵活性。本文提出了一种针对具有碳响应能力的生产消费者的创新市场框架，旨在提升他们参与基于激励的需求响应计划的积极性。在该框架中，聚合商采取前瞻性策略，将激励信号视为那些愿意提供灵活性的生产消费者的额外碳排放容量。为提高生产消费者的积极性，他们被确保能够参与当地的日前碳排放市场，从而进一步激发他们参与需求响应计划的意愿。此外，还引入了一种新的竞价策略，以确保公平性与竞争力，进而建立一种以生产消费者利益为优先的市场机制。该框架具有两大优势：首先，它使提供灵活性对生产消费者而言更具经济吸引力，从而提升拥堵管理的效率与效果；其次，它有助于减少生产消费者的碳排放量。通过案例研究可知，所提出的模型能有效满足灵活性需求，同时将碳排放交易政策作为激励手段，为生产消费者带来额外的收入来源。

引言
近年来，为实现电力行业的碳排放目标，人们采取了多种举措，包括政府政策、减排计划以及各种激励措施。常用的政策工具，如排放税、排放上限、总量控制与交易制度，以及可再生能源发展政策等，都是为了解决电力行业存在的环境问题[1][2][3]。具体而言，排放税是一种基于价格的机制，会对每吨二氧化碳排放量征收固定税款；而排放上限则规定了允许的排放总量[4]。总量控制与交易制度则为排放主体设定排放限制，并为其之间提供排放许可的交易机制[5]。有研究提出了一种碳排放交易平台，该平台依据碳排放价格来优化电动汽车并入电网的过程，从而通过合理调度电动汽车提升低碳转型的经济可行性[6]。另一项研究则建议采用多市场策略，包括能源市场、辅助服务市场以及碳排放交易市场，以此全面反映发电公司在个体理性及发电侧协调条件下的决策行为[7]。在这两项研究中，也都考虑了其他措施，如可再生能源发展政策，及其与环境政策之间的动态相互作用[8]。

从另一个角度来看，可再生能源在电力系统中的占比不断上升，这得益于其成本低廉且易于获取等固有优势[9][10]。然而，由于这类可再生能源发电装置的输出具有不确定性和波动性，将其整合到电力系统中给系统运营商带来了诸多挑战[11][12]。为系统地解决这些问题，电力系统研究人员提出了“灵活性”这一概念[13]。已有不少研究聚焦于利用传统发电装置作为主要资源来提供发电侧的灵活性[14][15][16]。但仅依赖传统发电装置来提供灵活性会导致大量能源浪费和碳排放，因为这些装置往往需要以最佳或最高效率运行才能实现灵活性供给。此外，随着未来碳税及以碳排放为导向的政策逐步实施[17]，系统运营商可能会面临较高的灵活性成本以及有限的发电侧灵活性资源。因此，迫切需要他们在电力系统的需求侧寻找新的、潜力巨大的灵活性资源，这类资源的二氧化碳排放量应低于传统发电装置。

近期研究证实，可通过各种资源，如生产消费者，从需求侧获取灵活性[18]。尤其是居民类生产消费者，他们是配电网络中重要的灵活性资源来源。他们在追求自身目标，如降低成本、提升舒适度以及增加社会福利的同时，也能为系统提供灵活性支持。为此，一些中介机构，如聚合商和配电系统运营商，开发了需求响应计划，以鼓励生产消费者尽可能多地提供灵活性[19]。已有部分研究通过需求响应计划来评估居民类生产消费者的灵活性潜力[20][21][22]。不过，这些研究往往未能充分考虑生产消费者家电设备的运行约束。另有一些研究则通过构建详细的数学模型，来评估生产消费者在使用需求响应计划时的灵活性潜力[23][24]。此外，还有研究探讨了电动汽车和储能系统在住宅建筑中通过需求响应计划提供灵活性服务的作用[25][26]。

近年来，越来越多的研究将生产消费者灵活性以及本地灵活性市场视为管理网络拥堵和协调需求侧的重要工具。有学者对生产消费者灵活性进行了全面综述，强调了需求侧参与者在为现代电力系统提供灵活性服务中的作用[27]。另有研究提出了本地灵活性市场的设计方案，该方案允许聚合商在配电网络层面提供多种灵活性服务[28]。还有研究开发了一种多层分类体系，用于对各类本地灵活性市场设计进行分类，尤其适用于配电层面的拥堵管理[29]。另有研究从用户视角出发，分析了本地能源市场和灵活性市场的情况，并指出了与面向参与者市场的实施相关的若干障碍[30]。与此同时，需求响应计划中的生产消费者补偿机制也得到了研究。例如，有学者提出了基于情境的补偿方法，用以补偿生产消费者为提供灵活性而遭受的舒适度损失[31]。最近，基于碳排放意识的需求响应逐渐受到关注，因为它能为将需求侧灵活性与减碳目标相结合提供路径。有研究回顾了基于排放的需求响应方法，指出根据排放信号调整灵活需求有助于促进可再生能源的整合及碳排放的降低[32]。另有研究为智能家居设计了基于碳排放意识的需求响应模型，该模型通过结合电力碳强度信号与实时电价来实现这一目标。还有一些研究探讨了电力交易与碳排放交易之间的互动关系。例如，有研究提出了分布式生产消费者在电力市场和碳排放市场中的交易模式；还有研究在总量控制与交易制度下，研究了社区内生产消费者之间的点对点能源交易。不过，这些研究通常只关注问题的某个方面，如基于碳排放意识的调度、本地灵活性交易、生产消费者补偿，或电力与碳排放的交换。这就表明，亟需一个能够将生产消费者灵活性供给、基于二氧化碳排放容量的激励机制以及本地碳排放容量交易有机结合起来的框架。为更清晰地说明所提框架的位置，表1对该模型与现有文献中的代表性研究进行了简要的对比分析。

综合现有文献及表1中的对比结果可以看出，目前关于生产消费者灵活性、本地灵活性市场、基于碳排放意识的需求响应以及电力与碳排放交易的研究是从不同角度展开的。现有的基于碳排放意识的需求响应研究主要依靠碳强度信号、排放因子或碳价格来指导需求调度、减排或电力与碳排放的交换。然而，将二氧化碳排放容量作为激励手段，鼓励生产消费者参与需求响应计划，这一做法尚未得到充分研究。尤其缺乏一种能够将聚合商要求的灵活性供给、二氧化碳排放容量分配以及未使用排放配额的本地交易相结合的统一框架。为填补这一空白，本文提出了一种以碳为中心的市场框架，在该框架中，二氧化碳排放容量被用作激励信号，激励生产消费者参与需求响应计划。在该框架下，那些提供灵活性的生产消费者会获得额外的二氧化碳排放容量，并可将其未使用的排放容量在当地的日前二氧化碳排放容量市场上进行交易。这种结构不仅提升了生产消费者的经济动力，也有助于实现更低排放水平的灵活性供给。本研究的主要贡献如下：
• 在所提框架中，引入了一种整合式的两步激励信号，以提高生产消费者参与灵活性供给的意愿。该激励信号基于总量控制与交易制度，是一种独特、经济高效且环保的激励方式。
• 第一步是为生产消费者提供额外的二氧化碳排放容量，该容量是根据他们之前的排放量及所安装设备的规模来计算的，从而进一步提升激励信号的效果。
• 第二步是为那些参与灵活性供给过程的生产消费者提供参与当地日前碳排放市场的资格，这进一步增强了他们参与需求响应计划的积极性。
• 本文还提出了一种新的竞价策略，供聚合商用来从生产消费者手中购买其额外获得的二氧化碳排放容量。这一策略能够保障参与者的利益，从而促进他们更积极地参与灵活性供给过程。

本文共分为四个主要部分。引言部分概述了研究背景。第二部分介绍了所提框架的结构与构建方法，第三部分展示了研究结果，最后一部分对全文进行了总结。

所提框架的总体流程
所提框架的核心目标是利用生产消费者所提供的灵活性，以满足聚合商因生产消费者参与基于激励的需求响应计划而产生的灵活性需求。该框架的总体流程是通过图1所示的基于激励的需求响应计划来获取灵活性。如图所示，框架中的各项任务均按照相应的时间节点依次完成。

结果与讨论
本节介绍了基于所提框架所开展的案例研究的结果。该案例研究涉及的系统包括一名居民类生产消费者、一名聚合商以及一名独立的 Market Operator。该生产消费者的能源系统中包含多种设备，如光伏板、插电式混合动力车、内燃机、锅炉、热储存装置，以及两台可电气控制的设备，即电热水器与电空调系统。表2用于展示相关数据。

结论
本文提出了一种新的灵活性供给框架，旨在以经济实惠且环保的方式为系统运营商提供灵活性支持。该框架设计了一种整合式的激励信号，用以提升生产消费者参与需求响应计划的积极性。该框架以总量控制与交易制度为基础：首先，通过授予生产消费者额外排放二氧化碳容量的权利来激励他们；随后，他们便可以……

CRediT作者贡献声明
Amir Esmaeili-Nezhad：撰写——初稿、方法论、研究工作。Sara Ostovar：项目管理、方法论、数据整理。Zohreh Parvini：软件工具、资源准备、概念设计。Moein Moeini-Aghtaie：撰写——审稿与编辑、研究工作、形式化分析。Mahmoud Fotuhi-Firuzabad：撰写——审稿与编辑、监督工作。

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。
Amir Esmaeili-Nezhad | Sara Ostovar | Zohreh Parvini | Moein Moeini-Aghtaie | Mahmoud Fotuhi-Firuzabad
伊朗德黑兰大学电气与计算机工程系