[发明专利]跨省区碳交易机制下发电碳排放配额分配模型的构建方法

摘要

本发明涉及跨省区碳交易机制下发电碳排放配额分配模型的构建方法，属于电力系统低碳电力技术领域。包括：构建由初始分配模型和针对初始分配模型结果的再调整模型两个环节组成的省际间配额分配的一级分配模型，构建以一级分配模型结果为边界条件，将一级分配模型得到的各省碳排放配额分配结果在省内各发电厂之间分配的二级分配模型；根据两级分配模型，得到跨省区碳交易机制下的发电碳排放配额分配的省际间分配方案和省内各电厂的发电碳排放配额。本发明在现有省内碳交易试点的基础上并结合电力行业的特点，研究了跨省区碳排放交易机制下发电碳排放配额分配。本发明可实现低碳发展、减少化石能源的过度消耗，达到有效减少碳排放的目的。

主权项

一种跨省区碳交易机制下发电碳排放配额分配模型的构建方法，其特征在于，该方法包括构建一级分配模型和构建二级分配模型，具体步骤如下：1)构建由初始分配模型和针对初始分配模型结果的再调整模型两个环节组成的省际间配额分配的一级分配模型：初始分配模型以“各区域目标年单位GDP累积碳排放趋同”为目标，再调整模型根据各省能源禀赋差异和跨区电力交换对初始分配模型的结果进行调整；经过两个环节，确定省际间配额分配方案，得到各省的发电碳排放配额；具体包括：1‑1)构建初始分配模型；假设有n个待分配的区域，基准年为j，目标年为T，j+1,...,T为待分配的年份；初始分配模型由目标函数和约束条件构成：1‑1‑1)构建初始分配模型目标函数：min CCE_max‑CCE_min    (1)式(1)中，CCE_max、CCE_min分别表示各区域的目标年单位国民生产总值GDP碳排放累积中的最大值和最小值；目标函数为最小化各区域的目标年单位GDP累积碳排放量的极差，即实现n个待分配的区域的目标年各区域单位GDP累积碳排放趋同；1‑1‑2)设置初始分配模型约束条件：碳排放配额总量约束:$\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{E}_{i,t,\mathrm{int}}=E_t,t=j+1,j+2,...,T---\left(2\right)$式(2)中，E_i,t,int表示第t年区域i所获得的碳排放初始配额，即第t年区域i的初始分配结果；E_t表示第t年的总碳排放配额；该约束表明，所有区域每年所获得碳排放配额之和与该年的总碳排放配额相等；目标年各区域单位GDP累积碳排放取值约束：${\mathrm{CCE}}_i=\underset{t=j}{\overset{T}{\Σ}}{E}_{i,t,\mathrm{int}}/{\mathrm{GDP}}_{i,T}---\left(3\right)$式(3)中，CCE_i表示区域i的目标年单位GDP累积碳排放，GDP_i,t表示第t年区域i的GDP，该约束实际上就是单位GDP累积碳排放的计算公式；目标年单位GDP累积碳排放最大值、最小值约束：CCE_i≥CCE_min    (4)CCE_i≤CCE_max    (5)式(4)中，CCE_min表示各区域目标年单位GDP累积碳排放中的最小值；式(5)中，CCE_max表示各区域的目标年单位GDP累积碳排放中的最大值；单位GDP碳排放逐年下降约束：E_i,t+1,int/GDP_i,t+1≤E_i,t,int/GDP_i,t i＝1,2,...n；t＝j+1,...,T‑1    (6)该约束条件表明，在配额分配过程中，待分配的各水平年中各区域的单位GDP碳排放量逐年下降；1‑2)构建针对初始分配模型结果的再调整模型；再调整模型是对初始分配模型的结果进行调整后的模型，包括基于各省区能源禀赋差异的配额调整模型和基于跨区电力交换的配额调整模型；1‑2‑1)构建基于各省区能源禀赋差异的配额调整模型；假设低碳发展目标下，各省承担相同的非化石能源装机比例，则区域i由于非化石能源缺乏而所需要增加的化石能源装机容量为：W_i,Δf,t＝W_i,tW_c,t/W_∑,t‑W_i,c,t    (7)式(7)中，W_i,t表示第t年区域i的总装机容量，W_c,t、W_∑,t分别表示第t年全区非化石能源装机容量和全区总装机容量，W_i,c,t表示第t年区域i的非化石能源装机容量，W_i,Δf,t表示第t年区域i的非化石能源装机缺额；若W_i,f,t＞0，表示区域i的非化石能源匮乏，则对区域i的碳配额进行相应的补偿；若W_i,Δf,t＜0，表示区域i的非化石能源丰富，则对区域i的碳配额进行相应的扣减；当W_i,Δf,t＞0时，对区域i的碳配额进行相应的补偿，省际间碳排放配额调整分量E_i,t,prc如式(8)所示：E_i,t,prc＝W_i,Δf,tH_i,f,te_i,f,t    (8)式(8)中，E_i,t,prc表示第t年区域i的基于能源禀赋差异的配额调整分量，H_i,f,t、e_i,f,t分别表示第t年区域i的化石能源平均发电利用小时数及平均发电碳排放强度；该式表示，由于区域i的非化石能源匮乏，将采用化石能源进行发电，因此对这一部分化石能源引起的发电碳排放量进行补偿；当W_i,Δf,t＜0时，对区域i的碳配额进行相应的扣减，基于能源禀赋差异的配额调整分量E_i,t,prc如式(9)所示：$E_{i,t,prc}=-\frac{W_{i,\mathrm{\Δ}f,t}}{\underset{i\∈N^{-}}{\Σ}{W}_{i,\mathrm{\Δ}f,t}}\underset{i\∈N^{+}}{\Σ}{W}_{i,\mathrm{\Δ}f,t}{H}_{i,f,t}{e}_{i,f,t}---\left(9\right)$式(9)中，N⁺表示非化石能源匮乏的地区集合，即W_i,Δf,t＞0的地区集合；N^‑表示非化石能源充足的地区集合，即W_i,Δf,t＜0的地区集合；该式表示，对于非化石能源富余的省份，根据其剩余非化石能源的装机比例扣减相应的碳排放配额，从而这些省电力行业的总配额不变；1‑2‑2)构建基于跨区电力交换的配额调整模型；假设区域i和区域j之间存在电力交换，交换电量为Q_ij；基于跨区电力交换的配额调整模型为：ΔE_i,t＝Q_ij,te_∑,t,ΔE_j,t＝‑Q_ij,te_∑,t    (10)式(10)中，ΔE_i,t、ΔE_j,t分别表示区域i和区域j第t年的配额调整量，e_∑,t表示第t年目标的平均发电碳排放强度，其计算表达式为：e_∑,t＝E_t/Q_∑,t    (11)式(11)中，E_t表示第t年待分配地区的总配额，即允许碳排放量；Q_∑,t表示待分配地区第t年的总发电量；因此，基于跨区电力交换的配额调整分量为：${\mathrm{\ΔE}}_{i,t}=\underset{j\∈N_i}{\Σ}{Q}_{ij,t}{e}_{\mathrm{\Σ},t}---\left(12\right)$式(12)中，ΔE_i,t表示第t年区域i基于跨区电力交换的配额调整分量，N_i表示与区域i之间存在电力交换的区域集合，Q_ij,t表示第t年区域i和区域j之间交换电量，Q_ij＞0表示区域i向区域j送电，反之则表示由区域j向区域i送电；1‑3)计算一级分配模型结果；将计算得到的初始分配模型的结果和再调整模型的结果求和，得到各省区的碳排放配额分配结果，作为省际间配额的一级分配模型的分配结果，如式(13)所示：E_i,t＝E_i,t,int+E_i,t,prc+ΔE_i,t    (13)式中，E_i,t表示第t年区域i的总碳排放配额，E_i,t,int、E_i,t,prc、ΔE_i,t分别表示第t年区域i的初始分配结果、基于能源禀赋差异的配额调整分量和基于跨区电力交换的配额调整分量；2)构建以一级分配模型结果为边界条件，将一级分配模型得到的各省碳排放配额分配结果在省内各发电厂之间分配的二级分配模型；二级分配模型基于公平分配规则构建，如式(14)所示：$\begin{array}{cc}{E}_{g,t}=\frac{E_{g0}}{1+e_{g0}^p}\mathrm{\η}=\frac{e_{g0}{G}_{g0}}{1+e_{g0}^p}\mathrm{\η}& p\∈(0,1)\\ \underset{g}{\mathrm{\Σ}}{E}_{g,t}=E_{i,t}& \end{array}---\left(14\right)$式(14)中，E_g,t表示第t年发电厂g所获得的碳排放配额，e_g0表示基准年发电厂g的碳排放强度；η的取值范围是0～1，E_i,t是步骤1‑3)计算得到的一级分配模型结果，即第t年区域i的总碳排放配额，亦即区域i内所有电厂的碳排放配额之和；二级模型的求解为：根据各发电厂的基准年碳排放强度和发电量值，用削减程度η表示各发电厂的配额E_g,t，然后在根据式(14)的第二个式子求解得到削减程度η的值，最后根据式(14)的第一个式子，得到各发电厂的配额E_g,t；3)根据两级分配模型，得到跨省区碳交易机制下的发电碳排放配额分配的省际间分配方案和省内各电厂的发电碳排放配额。