虚拟电厂参与耦合电力-碳市场的基于碳排放流的市场出清机制与利润分配策略

《Sustainable Energy Technologies and Assessments》：Carbon-emission-flow-based market clearing mechanism and profit allocation strategy for virtual power plants participating in coupled electricity–carbon markets

　　

• •
  节点碳排放因子将电网调度与虚拟电厂碳结算联系起来。
• •
  斯塔克伯格模型协调虚拟电厂对节点边际电价和节点碳信号的响应。
• •
  CRC-沙普利值整合了碳、负荷支撑、风险和灵活性贡献。

引言

中国电力市场与碳排放权交易市场协同发展，形成了新型的“电 - 碳耦合”市场环境，要求市场参与者平衡经济收益与环境成本 [1], [2], [3]。然而，传统的电网平均排放因子过于粗糙，无法反映电力的时空碳含量。因此，在节点和时段层面量化碳责任对于耦合电 - 碳市场的市场出清和结算至关重要。

在中国碳达峰和碳中和目标的推动下，协调电力市场与碳市场对于开发高比例可再生能源发电的电力系统变得重要。在系统层面，翟等 [4] 验证了电 - 碳协调市场可以优化发电结构和跨区域传输。杨等 [5] 和张等 [6] 分析了电力、碳和绿色证书市场之间的价格传导效应。在虚拟电厂和综合能源系统层面，近期研究考虑了具有阶梯碳价的斯塔克伯格投标 [7]、电 - 碳市场中的非合作行为 [8]、联合电 - 碳 - 绿色证书出清 [9]、多阶段投资组合优化 [10]、分布鲁博多能源投标 [11]、绿色证书协调 [12], [13]、共享储能辅助调度 [14] 以及分布式合作电 - 碳交易 [15], [16]。近期关于零碳电力市场和虚拟电厂技术的研究进一步表明，市场参与者不仅需要基于价格的激励，还需要可靠的碳责任信号来指导低碳运行 [17], [18]。李等 [19] 在一个分层输电系统运营商 - 配电系统运营商 - 产消者市场中整合了节点边际电价、点对点交易和碳排放流，以便在更细的空间层面衡量碳责任和贡献。孙等 [20] 进一步开发了概率碳排放流，以表示可再生能源发电和负荷不确定性如何传播到节点碳强度分布中。大多数运行模型通过外生碳价格、阶梯碳成本、配额交易或绿色证书机制将电力和碳耦合。这些研究展示了具有碳意识的市场参与的价值，但仍存在市场层面的碳价格与物理可追溯的节点碳责任之间的建模差距。

虚拟电厂内部公平的内部利润分配是联盟稳定的另一个基石。沙普利值被视为合作博弈利润分配的标准解，并已应用于需求 - 发电合作和多虚拟电厂谈判 [21]。然而，经典的沙普利值主要反映边际经济贡献，无法充分代表异质的低碳、风险承担、负荷支撑和灵活性贡献。近期研究已转向多维修正。鞠等 [22] 在碳 - 绿色证书耦合虚拟电厂中使用风险、成本和碳减排因子增强了奥曼 - 沙普利分配。杨等 [23] 将运营风险贡献纳入基于沙普利值的分配中，用于启用碳交易的农村微电网，而鞠等 [24] 使用熵 - 沙普利方法评估节能、碳减排和可再生能源消纳贡献。其他方法考虑了贡献、成本和风险修正 [25]、配电网安全贡献 [26]，以及结合可靠性、环境影响和经济性的综合指数 [27]。张等 [28] 此外为互联微电网建立了多层次能源 - 证书 - 碳交易框架，并使用合作博弈重新分配来分享由此产生的综合收入。这些发展丰富了多维利润分配，但所审查的修正机制通常没有联合连接物理追溯的碳责任、数据驱动的多维权重和显式的核心可行性执行。

综上所述，仍存在三个差距。首先，如果没有从电力流物理和调度决策更新的节点碳信号，虚拟电厂无法区分高价/高碳、低价/高碳和低价/低碳时段。其次，没有这种可追溯的碳责任，电力和碳市场收入被捆绑成一个总和，难以识别哪个内部成员创造或避免了碳结算成本，从而削弱了多维贡献评估。第三，即使引入了多维修正，主观分配的权重和缺乏显式的核心可行性检查也可能使子联盟有离开的动机。

针对现有研究的不足，本文构建了一个配电系统运营商 - 虚拟电厂运营商斯塔克伯格博弈模型，并设计了一种基于碳排放流的耦合电 - 碳市场出清和利润分配机制，从而建立了一个双向互动框架，其中领导者动态生成节点级碳信号和价格信号，而跟随者主动响应。在本研究中，电 - 碳耦合是指电力市场出清信号与碳责任信号之间的运营和结算耦合，而不是内生的碳配额价格出清模型。碳交易价格被视为外生结算参数，而碳结算数量随从调度和网络电力流更新的节点碳排放因子而变化。

本文的主要贡献总结如下：

(1) 建立了一个嵌入时空碳信号的双层斯塔克伯格博弈框架，以刻画耦合电 - 碳市场中配电系统运营商与虚拟电厂运营商之间的战略互动。

(2) 提出了一种 CRC-沙普利方法用于虚拟电厂内部利润分配，其中四种异质贡献维度在一个统一的沙普利值框架内联合量化。

(3) 设计了一种结合核心投影机制的熵权-TOPSIS 评估，以整合四个贡献维度并执行联盟稳定性。

本文其余部分组织如下。“方法论”部分展示了耦合电 - 碳市场模型和 CRC-沙普利分配策略。详细的数学公式在附录 A-E 中提供，额外的数值结果在补充材料中提供。“案例研究与讨论”部分报告了改进的 IEEE 30 节点案例研究，并讨论了运营、经济、环境和分配结果。“结论”部分总结了全文。

章节摘要

耦合电 - 碳市场框架

图 1 总结了所提出的市场架构。配电网运营商作为斯塔克伯格领导者，根据发电商投标、虚拟电厂交换计划、总负荷需求和网络安全约束执行日前安全约束机组组合（SCUC）和安全约束经济调度（SCED）。虚拟电厂运营商作为跟随者，在收到市场信号后更新其购买/销售决策和内部调度。这种领导者 - 跟随者

系统设置与市场信号

案例研究使用了一个改进的 IEEE 30 节点系统，其中光伏（PV）、风力涡轮机（WT）、热电联产（CHP）、电能存储设备（ESSD）和灵活电动汽车（EV）负荷被聚合为一个虚拟电厂。典型日可再生能源和负荷曲线通过场景生成和削减获得。基准情况将所提出的基于碳排放流的出清机制与省略节点碳排放因子反馈的基准进行比较。关键数值设置总结在表 1 中。

该

结论

本文解决了虚拟电厂参与耦合电 - 碳市场面临的两个相互交织的挑战：市场出清中缺乏精确的时空碳信号，以及内部利润分配中未能充分反映异质成员贡献。建立了一个嵌入碳排放流理论的配电网 - 虚拟电厂斯塔克伯格框架，并提出了一种 CRC-沙普利方法用于内部利润分配。

改进的 IEEE 案例研究

CRediT 作者贡献声明

张尚源: 写作 - 初稿，可视化，验证，软件，方法论，数据整理，概念化。 车衍博: 验证，资源，概念化。 刘颖舒: 写作 - 审阅与编辑，资金获取。 李奕伦: 验证，监督。

竞争利益声明

作者声明，他们没有任何已知的可能影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到 内蒙古电力（集团）有限责任公司 科技研究项目（编号：2023-5-36）的支持，并部分得到 中国国家电网公司科技基金 在授予编号 5400-202355559A-3-2ZN下的支持。

张尚源 | 车衍博 | 刘颖舒 | 李奕伦