不确定碳-电耦合市场下梯级水电双层竞价模型

李亚鹏; 赵麟; 王祥祯; 赵志鹏; 程春田

doi:10.7500/AEPS20220606004

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不确定碳-电耦合市场下梯级水电双层竞价模型

学术研究 | 更新时间：2025-06-16

- 不确定碳-电耦合市场下梯级水电双层竞价模型
- Bi-level Bidding Model for Cascaded Hydropower Under Uncertain Carbon-Electricity Coupled Market
- 电力系统自动化 2023年47卷第20期页码：83-94
- 作者机构：
  
  1.大连理工大学水电与水信息研究所,辽宁省大连市 116024
  2.大连市清洁能源高效利用与电力市场研究中心,辽宁省大连市 116024
  3.大连理工大学电子信息与电气工程学部,辽宁省大连市 116024
- 作者简介：
  
  李亚鹏(1988—)，男，博士后，助理研究员，主要研究方向：清洁能源电力市场、大规模梯级水电调度、基于非凸优化的序贯决策。E-mail：yplidut@foxmail.com
  赵麟(1997—)，男，硕士研究生，主要研究方向：清洁能源电力市场与碳交易市场、多电源互补调度。E-mail：johnnyzlcn@163.com
  王祥祯(1997—)，男，博士研究生，主要研究方向：清洁能源电力市场、大规模水电系统调度。E-mail：wxz199705@mail.dlut.edu.cn
  赵志鹏(1992—)，男，通信作者，博士，准聘副教授，主要研究方向：大规模水库优化调度方法及水电竞价。E-mail：dlutzhaozhipeng@foxmail.com
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金资助项目(52039002)
- DOI：10.7500/AEPS20220606004
  中图分类号：
- 收稿：2022-06-06，
  
  修回：2023-01-31，
  
  纸质出版：2023-10-25
- 稿件说明：
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李亚鹏,赵麟,王祥祯等.不确定碳-电耦合市场下梯级水电双层竞价模型[J].电力系统自动化,2023,47(20):83-94.

LI Yapeng,ZHAO Lin,WANG Xiangzhen,et al.Bi-level Bidding Model for Cascaded Hydropower Under Uncertain Carbon-Electricity Coupled Market[J].Automation of Electric Power Systems,2023,47(20):83-94.
李亚鹏,赵麟,王祥祯等.不确定碳-电耦合市场下梯级水电双层竞价模型[J].电力系统自动化,2023,47(20):83-94. DOI： 10.7500/AEPS20220606004.

LI Yapeng,ZHAO Lin,WANG Xiangzhen,et al.Bi-level Bidding Model for Cascaded Hydropower Under Uncertain Carbon-Electricity Coupled Market[J].Automation of Electric Power Systems,2023,47(20):83-94. DOI： 10.7500/AEPS20220606004.

摘要

随着电力市场和碳市场改革的不断深化，梯级水电在碳交易-电力交易（碳-电）耦合市场中的竞价问题亟待解决。如何在考虑自身非凸发电特性的同时解耦交易规则、应对市场不确定性是解决问题的关键。为此，构建了一种计及国家核证自愿减排量(CCER)市场供需不确定性的碳-电耦合市场下梯级水电站竞价的双层优化模型。上层模型以市场出清价为参数，决策梯级水电在电力市场和CCER市场中的发电计划和竞价曲线；下层模型以市场竞价信息为参数，计算不同时段、不同场景下的CCER市场出清结果。所提模型考虑了梯级水电非凸运行特性和碳-电耦合市场规则，采用多种可能的供需关系综合描述CCER市场的不确定性。运用强对偶理论、大M法、分段线性法等技术，将双层模型转化为混合整数线性规划模型并求解。以中国澜沧江干流两座梯级水电站为背景进行分析，结果表明考虑CCER市场不确定性可有效提高竞价计划的稳定性，耦合市场机制可引导发电企业根据两类市场需求调整发电计划，发电企业在提高自身收益的同时促进了系统资源合理配置。

Abstract

With the deepening of the reform of electricity markets and carbon markets

the bidding problem for the cascaded hydropower under carbon trading-electricity trading (referred as to carbon-electricity) coupled market needs to be solved urgently. How to decouple trading rules and deal with market uncertainty while considering its own non-convex generation characteristics is the key to solve the problem. Therefore

a bi-level optimization model of cascaded hydropower station bidding under the carbon-electricity coupled market is constructed

which takes into account the uncertainties of supply and demand in the Chinese certified Emission Reduction (CCER) market. The upper model takes the market clearing price as the parameter to decide the generation plan and bidding curve of cascaded hydropower in the electricity market and CCER market. The lower model takes the market declaration information as the parameter to calculate the CCER market clearing results in different time periods and different scenarios. The proposed model takes into account the non-convex operation characteristics of cascaded hydropower and the rules of the carbon-electricity coupling market

and uses a variety of possible supply and demand relations to describe the uncertainty of the CCER market. The bi-level model is transformed into a mixed-integer linear programming model by strong duality theory

big-M method and piecewise linear method. Based on the background of two cascaded hydropower stations in the main stream of the Lancang River in China

the analysis results show that considering the uncertainty of the CCER market can effectively improve the stability of the bidding plan

and the coupled market mechanism can guide the power generation enterprises to adjust the power generation plan according to the two market demands. The power generation enterprises can improve their own income and promote the rational allocation of system resources.

关键词

Keywords

references

国家发展改革委 . 关于印发《全国碳排放权交易市场建设方案（发电行业）》的通知［EB/OL］.［ 2022-03-04 ］. https：//www.ndrc.gov.cn/xxgk/zcfb/ghxwj/201712/t20171220_960930.html https://www.ndrc.gov.cn/xxgk/zcfb/ghxwj/201712/t20171220_960930.html .

National Development and Reform Commission . Notice on printing and distributing the construction plan of national carbon emission trading market （power generation industry）［EB/OL］. ［ 2022-03-04 ］. https：//www.ndrc.gov.cn/xxgk/zcfb/ghxwj/201712/t20171220_960930.html https://www.ndrc.gov.cn/xxgk/zcfb/ghxwj/201712/t20171220_960930.html .

生态环境部 . 碳排放权交易管理办法（试行）［EB/OL］.［ 2022-03-04 ］. http：//www.gov.cn/zhengce/zhengceku/2021-01/06/content_5577360.htm http://www.gov.cn/zhengce/zhengceku/2021-01/06/content_5577360.htm .

Ministry of Ecology and Environment . Measures for the administration of carbon emission trading （for trial implementation）［EB/OL］. ［ 2022-03-04 ］. http：//www.gov.cn/zhengce/zhengceku/2021-01/06/content_5577360.htm http://www.gov.cn/zhengce/zhengceku/2021-01/06/content_5577360.htm .

生态环境部 . 关于印发《2019—2020年全国碳排放权交易配额总量设定与分配实施方案（发电行业）》《纳入2019—2020年全国碳排放权交易配额管理的重点排放单位名单》并做好发电行业配额预分配工作的通知［EB/OL］.［ 2022-03-04 ］. https：//www.mee.gov.cn/xxgk2018/xxgk/xxgk03/202012/t20201230_815546.html https://www.mee.gov.cn/xxgk2018/xxgk/xxgk03/202012/t20201230_815546.html .

Ministry of Ecology and Environment . Measures for the administration of carbon emission notice on printing and distributing the implementation plan for “setting and allocating the total amount of national carbon emission trading quota in 2019 — 2020 （power generation industry）” “the list of key emission units included in the management of national carbon emission trading quota in 2019 — 2020 ”， and doing a good job in the quota pre allocation of power generation industry［EB/OL］. ［ 2022-03-04 ］. https：//www.mee.gov.cn/xxgk2018/xxgk/xxgk03/202012/t20201230_815546.html https://www.mee.gov.cn/xxgk2018/xxgk/xxgk03/202012/t20201230_815546.html .

国家发展改革委，国家能源局 . 关于加快建设全国统一电力市场体系的指导意见［EB/OL］.［ 2022-03-04 ］. http：//www.gov.cn/zhengce/zhengceku/2022-01/30/content_5671296.htm http://www.gov.cn/zhengce/zhengceku/2022-01/30/content_5671296.htm .

National Development and Reform Commission ， National Energy Administration . Guidance on accelerating the construction of a national unified power market system ［EB/OL］. ［ 2022-03-04 ］. http：//www.gov.cn/zhengce/zhengceku/2022-01/30/content_5671296.htm http://www.gov.cn/zhengce/zhengceku/2022-01/30/content_5671296.htm .

WOOD A J ， WOLLENBERG B F ， SHEBLÉ G B . Power generation， operation， and control ［M］. 3rd ed . Hoboken， USA ： John Wiley & Sons ， 2013 .

卢治霖，刘明波，尚楠，等 . 考虑碳排放权交易市场影响的日前电力市场两阶段出清模型［J］. 电力系统自动化， 2022 ， 46 （ 10 ）： 159 - 170 .

LU Zhilin ， LIU Mingbo ， SHANG Nan ， et al . Two-stage clearing model for day-ahead electricity market considering impact of carbon emissions trading market ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2022 ， 46 （ 10 ）： 159 - 170 .

DAI H ， XIE Y ， LIU J ， et al . Aligning renewable energy targets with carbon emissions trading to achieve China’s INDCs： a general equilibrium assessment ［J］. Renewable and Sustainable Energy Reviews ， 2018 ， 82 ： 4121 - 4131 .

张粒子，刘方，许通，等 . 多主体梯级水电参与日前市场下游电站自调度投标策略［J］. 电力系统自动化， 2018 ， 42 （ 19 ）： 27 - 33 .

ZHANG Lizi ， LIU Fang ， XU Tong ， et al . Self-scheduling bidding strategy for downstream station in day-ahead market with participation of multi-operator cascade hydropower stations ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2018 ， 42 （ 19 ）： 27 - 33 .

DÍAZ F J ， CONTRERAS J ， MUÑOZ J I ， et al . Optimal scheduling of a price-taker cascaded reservoir system in a pool-based electricity market ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2011 ， 26 （ 2 ）： 604 - 615 .

ZHANG C ， YAN W . Optimal offering strategy of a price-maker hydro producer considering the effects of crossing the forbidden zones ［J］. IEEE Access ， 2020 ， 8 ： 10098 - 10109 .

AASGÅRD E K ， FLETEN S E ， KAUT M ， et al . Hydropower bidding in a multi-market setting ［J］. Energy Systems ， 2019 ， 10 （ 3 ）： 543 - 565 .

李亚鹏，赵志鹏，于申，等 . 计及风险的多尺度电力市场下梯级水电月度发电计划制定方法［J］. 中国电机工程学报， 2020 ， 40 （ 8 ）： 2525 - 2535 .

LI Yapeng ， ZHAO Zhipeng ， YU Shen ， et al . Risk constrained monthly generation scheduling of cascade hydropower plants in multiple time scale markets ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2020 ， 40 （ 8 ）： 2525 - 2535 .

于旭光，李刚，李亚鹏，等 . 计及电价风险和差价合同的梯级水电站日前市场竞价模型［J］. 电力系统自动化， 2022 ， 46 （ 5 ）： 62 - 72 .

YU Xuguang ， LI Gang ， LI Yapeng ， et al . Day-ahead market bidding model for cascade hydropower stations considering price risk and contract for price difference ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2022 ， 46 （ 5 ）： 62 - 72 .

卫志农，陈妤，黄文进，等 . 考虑条件风险价值的虚拟电厂多电源容量优化配置模型［J］. 电力系统自动化， 2018 ， 42 （ 4 ）： 39 - 46 .

WEI Zhinong ， CHEN Yu ， HUANG Wenjin ， et al . Optimal allocation model for multi-energy capacity of virtual power plant considering conditional value-at-risk ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2018 ， 42 （ 4 ）： 39 - 46 .

GJELSVIK A ， MO B ， HAUGSTAD A . Long- and medium-term operations planning and stochastic modelling in hydro-dominated power systems based on stochastic dual dynamic programming ［M］. Berlin， Germany ： Springer ， 2010 ： 33 - 55 .

张晓辉，刘小琰，钟嘉庆 . 考虑奖惩阶梯型碳交易和电-热转移负荷不确定性的综合能源系统规划［J］. 中国电机工程学报， 2020 ， 40 （ 19 ）： 6132 - 6142 .

ZHANG Xiaohui ， LIU Xiaoyan ， ZHONG Jiaqing . Integrated energy system planning considering a reward and punishment ladder-type carbon trading and electric-thermal transfer load uncertainty ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2020 ， 40 （ 19 ）： 6132 - 6142 .

檀勤良，丁毅宏，魏咏梅，等 . 碳交易及模糊预算下火电企业碳减排最优策略研究［J］. 电网技术， 2019 ， 43 （ 10 ）： 3707 - 3715 .

TAN Qinliang ， DING Yihong ， WEI Yongmei ， et al . Research on optimal strategy of carbon emission reduction for thermal power enterprises under carbon trading and fuzzy budget ［J］. Power System Technology ， 2019 ， 43 （ 10 ）： 3707 - 3715 .

张刚，张峰，张利，等 . 考虑碳排放交易的日前调度双阶段鲁棒优化模型［J］. 中国电机工程学报， 2018 ， 38 （ 18 ）： 5490 - 5499 .

ZHANG Gang ， ZHANG Feng ， ZHANG Li ， et al . Two-stage robust optimization model of day-ahead scheduling considering carbon emissions trading ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2018 ， 38 （ 18 ）： 5490 - 5499 .

YANG D C ， HE S W ， CHEN Q Y ， et al . Bidding strategy of a virtual power plant considering carbon-electricity trading ［J］. CSEE Journal of Power and Energy Systems ， 2019 ， 5 （ 3 ）： 306 - 314 .

卢志刚，郭凯，闫桂红，等 . 考虑需求响应虚拟机组和碳交易的含风电电力系统优化调度［J］. 电力系统自动化， 2017 ， 41 （ 15 ）： 58 - 65 .

LU Zhigang ， GUO Kai ， YAN Guihong ， et al . Optimal dispatch of power system integrated with wind power considering virtual generator units of demand response and carbon trading ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2017 ， 41 （ 15 ）： 58 - 65 .

娄素华，胡斌，吴耀武，等 . 碳交易环境下含大规模光伏电源的电力系统优化调度［J］. 电力系统自动化， 2014 ， 38 （ 17 ）： 91 - 97 .

LOU Suhua ， HU Bin ， WU Yaowu ， et al . Optimal dispatch of power system integrated with large scale photovoltaic generation under carbon trading environment ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2014 ， 38 （ 17 ）： 91 - 97 .

车泉辉，吴耀武，祝志刚，等 . 基于碳交易的含大规模光伏发电系统复合储能优化调度［J］. 电力系统自动化， 2019 ， 43 （ 3 ）： 76 - 82 .

CHE Quanhui ， WU Yaowu ， ZHU Zhigang ， et al . Carbon trading based optimal scheduling of hybrid energy storage system in power systems with large-scale photovoltaic power generation ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2019 ， 43 （ 3 ）： 76 - 82 .

SAVELLI I ， GIANNITRAPANI A ， PAOLETTI S ， et al . An optimization model for the electricity market clearing problem with uniform purchase price and zonal selling prices ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2018 ， 33 （ 3 ）： 2864 - 2873 .

AMIR R ， ISABEL G . Stackelberg versus Cournot equilibrium ［J］. Games and Economic Behavior ， 1999 ， 26 （ 1 ）： 1 - 21 .

李亚鹏，韩旭，于旭光，等 . 模型和数据混合驱动的双边协商电力市场合约价格预测方法［J］. 电力系统自动化， 2022 ， 46 （ 18 ）： 179 - 189 .

LI Yapeng ， HAN Xu ， YU Xuguang ， et al . Hybrid model-driven and data-driven approach to price forecasting in bilateral contract electricity markets ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2022 ， 46 （ 18 ）： 179 - 189 .

赵雅雪，王旭，蒋传文，等 . 基于最大信息系数相关性分析和改进多层级门控LSTM的短期电价预测方法［J］. 中国电机工程学报， 2021 ， 41 （ 1 ）： 135 - 146 .

ZHAO Yaxue ， WANG Xu ， JIANG Chuanwen ， et al . A novel short-term electricity price forecasting method based on correlation analysis with the maximal information coefficient and modified multi-hierachy gated LSTM ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2021 ， 41 （ 1 ）： 135 - 146 .

ZHANG X ， WANG J ， GAO Y . A hybrid short-term electricity price forecasting framework： cuckoo search-based feature selection with singular spectrum analysis and SVM ［J］. Energy Economics ， 2019 ， 81 ： 899 - 913 .

LI R ， WEI W ， MEI S W ， et al . Participation of an energy hub in electricity and heat distribution markets： an MPEC approach ［J］. IEEE Transactions on Smart Grid ， 2019 ， 10 （ 4 ）： 3641 - 3653 .

GABRIEL S A ， LEUTHOLD F U . Solving discretely-constrained MPEC problems with applications in electric power markets ［J］. Energy Economics ， 2010 ， 32 （ 1 ）： 3 - 14 .

QIU H F ， GU W ， YOU F Q . Bilayer distributed optimization for robust microgrid dispatch with coupled individual-collective profits ［J］. IEEE Transactions on Sustainable Energy ， 2021 ， 12 （ 3 ）： 1525 - 1538 .

孙齐 . 考虑碳交易的热电联产电厂报价策略研究［D］. 北京：华北电力大学， 2021 .

SUN Qi . Research on strategic bidding of CHP plants in electricity market with carbon trading ［D］. Beijing ： North China Electric Power University ， 2021 .

关睿 . 梯级水电站竞价上网策略［D］. 北京：华北电力大学， 2018 .

GUAN Rui . Strategic bidding for cascaded hydropower plants ［D］. Beijing ： North China Electric Power University ， 2018 .

LI P J ， HUANG X Q ， QI J J ， et al . A connectivity constrained MILP model for optimal transmission switching ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2021 ， 36 （ 5 ）： 4820 - 4823 .

TONG B ， ZHAI Q Z ， GUAN X H . An MILP based formulation for short-term hydro generation scheduling with analysis of the linearization effects on solution feasibility ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2013 ， 28 （ 4 ）： 3588 - 3599 .

CHENG C T ， WANG J Y ， WU X Y . Hydro unit commitment with a head-sensitive reservoir and multiple vibration zones using MILP ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2016 ， 31 （ 6 ）： 4842 - 4852 .

李亚鹏 . 高比例水电电力市场竞价及电价预测问题研究［D］. 大连：大连理工大学， 2022 .

LI Yapeng . Studies on bidding and price forecasting problems in hydropower-dominated electricity market ［D］. Dalian ： Dalian University of Technology ， 2022 .

KARASAVVIDIS M ， PAPADASKALOPOULOS D ， STRBAC G . Optimal offering of a power producer in electricity markets with profile and linked block orders ［C］// IEEE Power & Energy Society General Meeting ， July 17-21 ， 2022 ， Denver， USA .

MORRISON D R ， JACOBSON S H ， SAUPPE J J ， et al . Branch-and-bound algorithms： a survey of recent advances in searching， branching， and pruning ［J］. Discrete Optimization ， 2016 ， 19 ： 79 - 102 .

RARDIN R L . Optimization in operations research ［M］. 2nd ed . Hoboken， USA ： Pearson ， 2016 .

BOYD S P ， VANDENBERGHE L . Convex optimization ［M］. Cambridge， UK ： Cambridge ， 2004 .

赵麟，李亚鹏，靳晓雨，等 . 考虑CCER机制的碳-电耦合市场中水火电协同竞价模型［J/OL］. 电力系统自动化［ 2022-10-29 ］. http：//kns.cnki.net/kcms/detail/32.1180.TP.20221027.1803.010.html http://kns.cnki.net/kcms/detail/32.1180.TP.20221027.1803.010.html .

ZHAO Lin ， LI Yapeng ， JIN Xiaoyu ， et al . Coordinated bidding model of hydro-thermal power in carbon-electricity coupling market considering chinese certified emission reduction mechanism ［J/OL］. Automation of Electric Power Systems ［ 2022-10-29 ］. http：//kns.cnki.net/kcms/detail/32.1180.TP.20221027.1803.010.html http://kns.cnki.net/kcms/detail/32.1180.TP.20221027.1803.010.html .

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