电力-燃气-碳-证书联合市场中的电力与燃气系统综合运行方法

《Applied Energy》：Integrated electricity and gas system operation method in an electricity–gas–carbon–certificate joint market

　　

# 摘要

综合电力与燃气系统（IEGS）能够实现电力与燃气基础设施的协调调度，支持高效运行和低碳能源转型。碳捕集与封存（CCS）、燃气发电（GPG）和电转气（PtG）技术的日益普及，进一步增强了电力与燃气系统之间的耦合关系。然而，现有的市场框架很少能够捕捉由此产生的跨网络和跨市场外部性，往往无法确保激励相容性，使系统面临策略性报价的风险。本文提出了一种适用于电力-燃气-碳-证书（EGCC）联合市场中IEGS的不确定性感知型Vickrey-Clarke-Groves（VCG）运行机制。该模型明确纳入了CCS、PtG和GPG机组，同时协调电力和燃气流动、碳捕集与利用以及绿证义务。VCG机制通过对公共电力-燃气可行域的反事实移除问题来确定福利最大化的运行方案和参与者支付，从而将跨网络和跨市场外部性内部化。该模型嵌入了基于Wasserstein的分布鲁棒优化方法，在全市场分配问题和参与者移除问题中保持一致，以应对碳配额和绿证价格的不确定性。最终模型被重构为可处理的混合整数二阶锥规划（MISOCP），并通过可并行的清算程序求解。基于修改后的IEEE 24节点电力系统与比利时20节点燃气系统的案例研究表明，所提出的框架缓解了策略性报价的激励，使参与者支付与其福利贡献相匹配，提高了对政策价格不确定性的鲁棒性，并支持协调型多能系统的实际日前实施。

# 引言

现代脱碳政策和可再生能源（RES）渗透率的不断提高，正加速电力和天然气系统的整合。在综合电力与燃气系统（IEGS）中，电转气（PtG）[1]机组将多余的可再生能源电力转化为合成甲烷，从而增强系统耦合和能源灵活性。燃气发电机组（GPG）作为可调度的化石燃料机组，桥接了燃气和电力系统，支持系统可靠性和峰值负荷平衡[2]。为减少热电厂的排放，碳捕集与封存（CCS）技术被日益广泛地部署，进一步强化了IEGS的脱碳潜力[3]。在IEGS中整合PtG、GPG和CCS被视为实现低碳多能系统的重要一步。

然而，实现IEGS的潜力不仅需要技术整合，还需要适当的市场机制来同时解决电力、燃气和碳之间的互动。当这些子系统在各自独立的市场中结算时，外部性和内部约束没有被一致地定价：电力节点价格不反映燃气可输送性；燃气费率忽略电力系统阻塞；碳费用和绿证抵扣由政策驱动。这种"条块化"的结算方式导致优化效率低下，且对供需两侧的灵活性激励不足。鉴于上述因素，开发整合型市场框架以对齐激励、内部化外部性、支持灵活、韧性且低碳的能源转型的需求日益迫切。

关于综合电力与燃气系统（IEGS）的研究越来越关注在深度脱碳压力下，大规模可再生能源并网、碳减排技术和跨能转换装置驱动下的协调规划与运行。早期研究主要采用集中式优化框架来共同考虑多个能源系统。例如，已有研究提出了包含CCS和PtG的两阶段规划模型，在考虑碳税和碳价不确定性的同时提高经济效率[4]。对于园区级IEGS，Min等人[5]证明传统的静态规划策略可能导致系统经济性差和供应可靠性降低，并提出了一种动态规划策略结合两阶段鲁棒优化的方法，以更好地管理规划阶段的不确定性。协同规划方法通过电力和燃气子系统之间的碳成本讨价还价机制协调多个能源枢纽，进一步拓展了这一研究方向[6]。总体而言，这些研究证实了系统级协调的必要性。然而，它们主要基于集中决策假设，并未明确解决市场运行条件下的激励对齐或内生价格形成问题。

在运行和设备层面，大量工作致力于对灵活性资源和跨能互动的建模。天然气联合循环发电机组的经济价值已被证明高度依赖于可再生能源渗透率和利用模式[7]，而增强的燃气管网模型——如时变多端口储气公式——已被引入以更好地捕捉电力-燃气耦合优化中的动态燃气流动[8]。PtG作为电转X（P2X）技术的代表，被广泛认为是通过将有剩余电力转化为合成燃料来促进可再生能源整合的关键使能技术，并增强电力-燃气耦合。正如[9]所强调的，有效的PtG资源协调需要全面的能源视角而非仅关注电力视角，其经济可行性在很大程度上取决于系统级的互动。然而，大多数运行模型仍然隐式或顺序地处理电力、燃气、碳和绿证之间的互动，而没有将它们嵌入统一的 multi-market 运行框架中。

与物理系统建模并行，市场协调和定价机制已通过集中式优化和分布式博弈论方法进行了广泛研究。关于本地能源社区和点对点（P2P）交易的最新研究为分布式协调提供了补充性见解，特别是关于费率设计、成本分配和均衡效率低下等方面——这些问题同样适用于园区级IEGS，其中双边交易和共享网络并存。例如，Sadoine等人[10]表明，在精心设计的费率结构和成本分配规则下，分散决策可能存在与集中社会最优解一致的均衡；然而，这种等价性高度依赖于外生给定的定价规则和分配机制。更广泛地说，大量文献通过合作和非合作博弈模型探索了分布式协调，包括基于Nash讨价还价的能源共享和P2P交易[11]、[12]，捕捉策略性报价行为的广义Nash均衡公式[13]，以及整合电力和碳市场的Stackelberg定价结构[14]。然而，电力市场研究揭示了当考虑真实发电商行为时，节点边际定价（LMP）存在根本性局限。LMP下的策略性报价可能导致消费者超额支付和效率损失[15]，而在高可再生能源渗透率下，简化的线性和报价假设可能失效，从而扭曲机制设计结果[16]。这些发现表明，传统的边际定价和基于博弈的协调机制无法稳健地内部化复杂能源系统中的策略性和结构性外部性。

为了从根本上解决激励错位问题，保证诚实信息披露的拍卖论机制日益受到关注。早期研究引入了VCG拍卖和双重拍卖机制用于分散式和P2P电力交易，证明了其抑制策略性报价和促进真实成本披露的能力[17]、[18]。后续工作通过基于区块链的实现[19]、学习增强的自动机制设计[20]和保护隐私的VCG公式[21]拓展了这些机制。更近期的努力将VCG与鲁棒优化相结合，以解决多能系统中的不确定性问题，如基于Wasserstein的分布鲁棒公式[22]。虽然经典VCG机制在某些交易环境中可能面临预算不平衡问题，但已提出了修正的转移规则以在有限效率损失下减轻预算赤字；特别是，Sim等人[23]将异质网络损耗和交易成本纳入基于VCG的双重拍卖中，实现了占优策略激励相容性、个体理性性和接近效率，同时防止预算赤字。尽管取得了这些进展，完整的VCG结算尚未被主要批发电力和天然气市场采用为默认规则，边际定价仍然占主导地位。现有的VCG能源研究主要局限于纯电力或局部交易环境，而许多多能市场机制关注耦合但缺乏VCG基于外部性的结算。在包含PtG、GPG和CCS的IEGS中，参与者移除会同时影响电力优化、燃气流动可行性、碳捕集平衡和证书合规性，相比单一市场的VCG公式，这大幅扩大了外部性结构。这一差距直接激发了本文提出的激励相容且具备Wasserstein-DRO能力的IEGS运行框架。表1对代表性研究进行了比较。

尽管取得了这些进展，当前研究仍存在基本空白。现有的Wasserstein-DRO研究已为综合电力与燃气系统的不确定性感知调度建立了有效方法。然而，这些研究主要关注集中式优化下、外生交易价格或传统边际定价安排下的运行鲁棒性。它们通常不研究不确定性如何影响参与者特有的福利外部性和激励相容结算。与此同时，现有的VCG能源市场研究主要关注纯电力、点对点或局部交易环境。将VCG结算扩展到物理耦合的IEGS并非易事，因为移除一个参与者可能同时改变电力调度、燃气管网可行性、CCS运行、PtG转换、碳管理和绿证合规性。

为了解决上述局限，本文提出了一种在EGCC联合市场下的VCG运行模型，用于IEGS，其中跨网络福利被联合优化，多市场外部性通过可处理的清算程序中的代理移除被显式评估。三项主要贡献总结如下：

（1）提出了一种统一运行模型，用于参与电力、燃气、碳和绿证市场的综合电力-燃气系统。该模型捕捉了PP-CCS、RES-PtG和GS-GPG耦合关系，并联合优化能源流动、碳利用和证书义务。

（2）为耦合多市场系统设计了一种VCG清算机制，参与者支付通过公共可行域上的反事实移除问题导出，从而将跨网络和跨市场外部性内部化，超越了边际成本定价。

（3）在完整的分配问题和参与者移除问题中均嵌入了Wasserstein-DRO公式，通过可处理的MISOCP，将碳配额和绿证价格的不确定性一致地传播到系统调度和VCG结算中，并可并行求解。

# 小节摘要

**IEGS在EGCC联合市场中的物理与市场框架**：本节展示了EGCC联合市场框架下IEGS的综合物理结构与市场互动，构成所提运行模型的基础。

**运行模型公式化**：本节建立了设备级约束和系统级目标函数，后者最大化总社会福利以实现EGCC联合市场中IEGS的最优运行。

**求解程序**：本节首先重构IEGS框架内的社会福利优化问题，随后提出一种定制的基于VCG的清算算法，确保激励相容性的同时最大化社会福利。表3列出了CCS、PtG和GPG分别不参与清算时的不同社会福利问题。

**数据与设置**：案例研究基于修改后的IEEE 24节点电力系统与比利时20节点天然气系统（图3）。关键参数值见表4。IEGS包含6个PtG设施，分别位于电力节点[3, 5, 7, 16, 21, 23]并连接至燃气节点[15, 10, 7, 16, 1, 3]，以及5个GPG机组，分别位于燃气节点[1, 2, 5, 8, 13]并连接至电力节点[21, 22, 20, 18, 13]。所有案例研究均在MATLAB（R2023b）中实施并使用Gurobi求解。

# 结论

本研究开发了一种不确定性感知的激励相容运行和清算框架，用于EGCC联合市场中的IEGS。该模型协调优化电力和燃气管网，同时明确表征PtG、GPG和CCS耦合、CO?捕集与消耗以及绿证合规性。核心技术贡献在于将VCG机制应用于物理耦合的多市场系统，其中参与者支付通过反事实移除来确定。

# CRediT作者贡献声明

Ang Xuan：原始草稿撰写、可视化、调查研究、形式分析、数据管理。Xinwei Shen：审稿与编辑、资金获取、概念构思。

# 利益冲突声明

作者声明没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文所述工作。

Ang Xuan | Xinwei Shen

清华大学深圳国际研究生院，中国深圳 518055