电-碳耦合市场环境下可再生能源投资规划优化方法

叶宇剑; 王卉宇; 刘曦木; 汤奕; 高赐威; Goran STRBAC

doi:10.7500/AEPS20230621006

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电-碳耦合市场环境下可再生能源投资规划优化方法

特约专稿 | 更新时间：2025-06-16

- 电-碳耦合市场环境下可再生能源投资规划优化方法
- Optimization Method for Renewable Energy Investment Planning Under Electricity-Carbon Coupled Market
- 电力系统自动化 2023年47卷第23期页码：92-104
- 作者机构：
  
  1.东南大学电气工程学院，江苏省南京市 210096
  2.伦敦帝国理工学院电气与电子工程系，伦敦 SW72AZ，英国
- 作者简介：
  
  叶宇剑(1988—)，男，通信作者，博士，教授，博士生导师，主要研究方向：低碳城市能源-交通-信息互联网的建模、控制与分析以及电力市场建模与分析等。E-mail：yeyujian@seu.edu.cn
  王卉宇(1998—)，女，硕士，主要研究方向：可再生能源的投资规划。E-mail：wanghuiyu@seu.edu.cn
  刘曦木(1997—)，女，博士研究生，主要研究方向：电力市场建模与分析。E-mail：230238839@seu.edu.cn
- 基金信息：
  
  National Natural Science Foundation of China(52207082);Jiangsu Provincial Natural Science Foundation of China(BK20220842);State Key Laboratory of Power System Operation and Control(SKLD23KM08)
- DOI：10.7500/AEPS20230621006
  中图分类号：
- 收稿：2023-06-21，
  
  修回：2023-08-20，
  
  网络出版：2023-11-07，
  
  纸质出版：2023-12-10
- 稿件说明：
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叶宇剑,王卉宇,刘曦木等.电-碳耦合市场环境下可再生能源投资规划优化方法[J].电力系统自动化,2023,47(23):92-104.

YE Yujian,WANG Huiyu,LIU Ximu,et al.Optimization Method for Renewable Energy Investment Planning Under Electricity-Carbon Coupled Market[J].Automation of Electric Power Systems,2023,47(23):92-104.
叶宇剑,王卉宇,刘曦木等.电-碳耦合市场环境下可再生能源投资规划优化方法[J].电力系统自动化,2023,47(23):92-104. DOI： 10.7500/AEPS20230621006.

YE Yujian,WANG Huiyu,LIU Ximu,et al.Optimization Method for Renewable Energy Investment Planning Under Electricity-Carbon Coupled Market[J].Automation of Electric Power Systems,2023,47(23):92-104. DOI： 10.7500/AEPS20230621006.

摘要

中国面临着可再生能源高速发展和电力市场改革、碳市场建设稳步推进的多重机遇，市场化机制将科学引导可再生能源合理规划与有效投资。电力市场和碳市场虽分开运营，两者的出清结果却紧密耦合，且共同影响市场主体的运营与投资模型。在电-碳耦合市场的背景下，文中提出了一种最大化可再生能源接入容量并保障其投资成本回收的可再生能源投资规划双层优化模型。首先，基于动态碳排放特性推导了常规机组的电-碳耦合报价，提出了考虑碳配额交易影响的电力现货市场机制。然后，在“投资-运行”框架下建立了可再生能源投资规划双层优化模型：上层在能收回投资成本的前提下，最大化可再生能源的投资容量并对其进行定容和选址决策；下层分别模拟电力现货市场和国家核证自愿减排量市场的出清过程，以向上层模型的可再生能源发电商投资决策提供相应的价格信号。通过下层问题最优性条件和线性化方法，将双层优化模型转化为混合整数线性规划进行求解。最后，通过仿真算例验证了所提方法有效性，并探索了碳市场交易、网络容量与储能等不同因素对可再生能源最优投资容量的影响。

Abstract

China faces multiple opportunities such as rapid development of the renewable energy source (RES)

the reform of the electricity market

and the steady progress of carbon market construction

and market-oriented mechanisms will scientifically guide rational planning and effective investment of RES. Although the electricity market and carbon market operate in a separate fashion

their clearing outcome is tightly coupled and jointly affects the operation and investment planning models for market participants. Under the background of electricity-carbon coupled market

a bi-level optimization model of RES investment planning is proposed

targeted to maximize the hosting capacity of RES

while ensuring its investment cost recovery. First

based on dynamic carbon emission characteristics

the electricity-carbon coupled quotation of conventional units is derived

and the power spot market mechanism considering the influence of carbon quota trading is proposed. Then

a bi-level optimization model of RES investment planning is established under the framework of “investment-operation”. The upper-layer model maximizes the investment capacity of RES and determines its capacity and location under the premise of recovering the investment cost. The lower-layer model simulates the clearing process of the electricity spot market and the Chinese certified emission reduction market respectively to provide corresponding price signals to the investment decisions of RES generators in the upper-layer model. The bi-level optimization model is transformed into mixed-integer linear programming for the solution by the optimization condition and linearization method. Finally

the effectiveness of the proposed method is verified by a simulation case

and the influence of different factors such as carbon market trading

network capacity and energy storage on the optimal investment capacity of RES is discussed.

关键词

Keywords

references

李晖，刘栋，姚丹阳 . 面向碳达峰碳中和目标的我国电力系统发展研判［J］. 中国电机工程学报， 2021 ， 41 （ 18 ）： 6245 - 6259 .

LI Hui ， LIU Dong ， YAO Danyang . Analysis and reflection on the development of power system towards the goal of carbon emission peak and carbon neutrality ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2021 ， 41 （ 18 ）： 6245 - 6259 .

侯慧，刘鹏，黄亮，等 . 考虑不确定性的电-热-氢综合能源系统规划［J］. 电工技术学报， 2021 ， 36 （增刊1 ）： 133 - 144 .

HOU Hui ， LIU Peng ， HUANG Liang ， et al . Planning of electricity-heat-hydrogen integrated energy system considering uncertainties ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2021 ， 36 （ Supplement 1 ）： 133 - 144 .

周孝信，陈树勇，鲁宗相，等 . 能源转型中我国新一代电力系统的技术特征［J］. 中国电机工程学报， 2018 ， 38 （ 7 ）： 1893 - 1904 .

ZHOU Xiaoxin ， CHEN Shuyong ， LU Zongxiang ， et al . Technology features of the new generation power system in China ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2018 ， 38 （ 7 ）： 1893 - 1904 .

DAI W ， SHI B C ， ZHANG D D ， et al . Incorporating external flexibility in generation expansion planning ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2021 ， 36 （ 6 ）： 5959 - 5962 .

黎博，陈民铀，钟海旺，等 . 高比例可再生能源新型电力系统长期规划综述［J］. 中国电机工程学报， 2023 ， 43 （ 2 ）： 555 - 581 .

LI Bo ， CHEN Minyou ， ZHONG Haiwang ， et al . A review of long-term planning of new power systems with large share of renewable energy ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2023 ， 43 （ 2 ）： 555 - 581 .

赵伟，熊正勇，潘艳，等 . 计及碳排放流的电力系统低碳规划［J］. 电力系统自动化， 2023 ， 47 （ 9 ）： 23 - 33 .

ZHAO Wei ， XIONG Zhengyong ， PAN Yan ， et al . Low-carbon planning of power system considering carbon emission flow ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2023 ， 47 （ 9 ）： 23 - 33 .

PAUL S ， NATH A P ， RATHER Z H . A multi-objective planning framework for coordinated generation from offshore wind farm and battery energy storage system ［J］. IEEE Transactions on Sustainable Energy ， 2020 ， 11 （ 4 ）： 2087 - 2097 .

WU J J ， TANG G H ， WANG R ， et al . Multi-objective optimization for China’s power carbon emission reduction by 2035 ［J］. Journal of Thermal Science ， 2019 ， 28 （ 2 ）： 184 - 194 .

包铭磊，丁一，桑茂盛，等 . 计及多目标协调的电-气耦合系统源端容量规划研究［J］. 中国电机工程学报， 2021 ， 41 （ 22 ）： 7551 - 7563 .

BAO Minglei ， DING Yi ， SANG Maosheng ， et al . Research on energy capacity planning of electricity-gas systems considering multi-objective coordination ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2021 ， 41 （ 22 ）： 7551 - 7563 .

LUZ T ， MOURA P ， DE ALMEIDA A . Multi-objective power generation expansion planning with high penetration of renewables ［J］. Renewable and Sustainable Energy Reviews ， 2018 ， 81 ： 2637 - 2643 .

ASENSIO M ， MUÑOZ-DELGADO G ， CONTRERAS J . Bi-level approach to distribution network and renewable energy expansion planning considering demand response ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2017 ， 32 （ 6 ）： 4298 - 4309 .

娄素华，吕梦璇，王永灿，等 . 考虑投资风险的含风电系统电源投资扩展规划研究［J］. 中国电机工程学报， 2019 ， 39 （ 7 ）： 1944 - 1956 .

LOU Suhua ， LÜ Mengxuan ， WANG Yongcan ， et al . Generation investment expansion planning for wind power accommodation considering investment risk ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2019 ， 39 （ 7 ）： 1944 - 1956 .

魏旭，刘东，高飞，等 . 双碳目标下考虑源网荷储协同优化运行的新型电力系统发电规划［J］. 电网技术， 2023 ， 47 （ 9 ）： 3648 - 3661 .

WEI Xu ， LIU Dong ， GAO Fei ， et al . Generation expansion planning of new power system considering collaborative optimal operation of source-grid-load-storage under carbon peaking and carbon neutrality ［J］. Power System Technology ， 2023 ， 47 （ 9 ）： 3648 - 3661 .

王建学，李清涛，王秀丽，等 . 大规模新能源并网系统电源规划方法［J］. 中国电机工程学报， 2020 ， 40 （ 10 ）： 3114 - 3124 .

WANG Jianxue ， LI Qingtao ， WANG Xiuli ， et al . A generation expansion planning method for power systems with large-scale new energy ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2020 ， 40 （ 10 ）： 3114 - 3124 .

AWAD A S A ， FULLER J D ， EL-FOULY T H M ， et al . Impact of energy storage systems on electricity market equilibrium ［J］. IEEE Transactions on Sustainable Energy ， 2014 ， 5 （ 3 ）： 875 - 885 .

MCCONNELL D ， FORCEY T ， SANDIFORD M . Estimating the value of electricity storage in an energy-only wholesale market ［J］. Applied Energy ， 2015 ， 159 ： 422 - 432 .

张振宇，王文倬，张小奇，等 . 基于电力系统承载力指标的新能源装机规划方法［J］. 电网技术， 2021 ， 45 （ 2 ）： 632 - 639 .

ZHANG Zhenyu ， WANG Wenzhuo ， ZHANG Xiaoqi ， et al . Renewable energy capacity planning based on carrying capacity indicators of power system ［J］. Power System Technology ， 2021 ， 45 （ 2 ）： 632 - 639 .

方一晨，张沈习，程浩忠，等 . 含智能软开关的主动配电网分布式光伏准入容量鲁棒优化［J］. 电力系统自动化， 2021 ， 45 （ 7 ）： 8 - 17 .

FANG Yichen ， ZHANG Shenxi ， CHENG Haozhong ， et al . Robust optimization of distributed photovoltaic hosting capacity of active distribution network with soft open point ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2021 ， 45 （ 7 ）： 8 - 17 .

樊宇琦，丁涛，孙瑜歌，等 . 国内外促进可再生能源消纳的电力现货市场发展综述与思考［J］. 中国电机工程学报， 2021 ， 41 （ 5 ）： 1729 - 1752 .

FAN Yuqi ， DING Tao ， SUN Yuge ， et al . Review and cogitation for worldwide spot market development to promote renewable energy accommodation ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2021 ， 41 （ 5 ）： 1729 - 1752 .

肖云鹏，王锡凡，王秀丽，等 . 面向高比例可再生能源的电力市场研究综述［J］. 中国电机工程学报， 2018 ， 38 （ 3 ）： 663 - 674 .

XIAO Yunpeng ， WANG Xifan ， WANG Xiuli ， et al . Review on electricity market towards high proportion of renewable energy ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2018 ， 38 （ 3 ）： 663 - 674 .

CICILIO P ， COTILLA-SANCHEZ E ， VAAGENSMITH B ， et al . Transmission hosting capacity of distributed energy resources ［J］. IEEE Transactions on Sustainable Energy ， 2021 ， 12 （ 2 ）： 794 - 801 .

李远征，任潇，葛磊蛟，等 . 基于可逆固体氧化物电池的电氢耦合微电网全生命周期规划-运营研究［J/OL］. 中国电机工程学报［ 2023-07-05 ］. https：//doi.org/10.13334/j.0258-8013.pcsee.230377 https://doi.org/10.13334/j.0258-8013.pcsee.230377 .

LI Yuanzheng ， REN Xiao ， GE Leijiao ， et al . Research for entire lifecycle planning-operation of electric-hydrogen coupled microgrid based on reversible solid oxide cell ［J/OL］. Proceedings of the CSEE ［ 2023-07-05 ］. https：//doi.org/10.13334/j.0258-8013.pcsee.230377 https://doi.org/10.13334/j.0258-8013.pcsee.230377 .

张智刚，康重庆 . 碳中和目标下构建新型电力系统的挑战与展望［J］. 中国电机工程学报， 2022 ， 42 （ 8 ）： 2806 - 2819 .

ZHANG Zhigang ， KANG Chongqing . Challenges and prospects for constructing the new-type power system towards a carbon neutrality future ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2022 ， 42 （ 8 ）： 2806 - 2819 .

陈启鑫，房曦晨，郭鸿业，等 . 储能参与电力市场机制：现状与展望［J］. 电力系统自动化， 2021 ， 45 （ 16 ）： 14 - 28 .

CHEN Qixin ， FANG Xichen ， GUO Hongye ， et al . Participation mechanism of energy storage in electricity market： status quo and prospect ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2021 ， 45 （ 16 ）： 14 - 28 .

康重庆，杜尔顺，李姚旺，等 . 新型电力系统的“碳视角”：科学问题与研究框架［J］. 电网技术， 2022 ， 46 （ 3 ）： 821 - 833 .

KANG Chongqing ， DU Ershun ， LI Yaowang ， et al . Key scientific problems and research framework for carbon perspective research of new power systems ［J］. Power System Technology ， 2022 ， 46 （ 3 ）： 821 - 833 .

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］.［ 2023-01-30 ］. http：//www.scio.gov.cn/xwfbx/xwbfbh/wqfbh/47673/48664/xgzc48670/Document/1172795/1727950.htm http://www.scio.gov.cn/xwfbx/xwbfbh/wqfbh/47673/48664/xgzc48670/Document/1172795/1727950.htm .

National Development and Reform Commission ， National Energy Administration . Guiding opinions on accelerating the construction of a national unified electricity market system ［EB/OL］. ［ 2023-01-30 ］. http：//www.scio.gov.cn/xwfbx/xwbfbh/wqfbh/47673/48664/xgzc48670/Document/1172795/1727950.htm http://www.scio.gov.cn/xwfbx/xwbfbh/wqfbh/47673/48664/xgzc48670/Document/1172795/1727950.htm .

段声志，陈皓勇，郑晓东，等 . 碳市场背景下发电商竞价策略及电力市场均衡分析［J］. 电测与仪表， 2022 ， 59 （ 5 ）： 33 - 41 .

DUAN Shengzhi ， CHEN Haoyong ， ZHENG Xiaodong ， et al . Bidding strategy of electricity generation and electricity market equilibrium analysis under the background of carbon market ［J］. Electrical Measurement & Instrumentation ， 2022 ， 59 （ 5 ）： 33 - 41 .

赵宏兴，肖建平，乔中鹏，等 . 电碳耦合市场环境下电力系统运行模拟方法［J］. 电力建设， 2023 ， 44 （ 7 ）： 50 - 56 .

ZHAO Hongxing ， XIAO Jianping ， QIAO Zhongpeng ， et al . Simulation method of power system operation in electricity-carbon coupling market environment ［J］. Electric Power Construction ， 2023 ， 44 （ 7 ）： 50 - 56 .

郭静蓉，向月，吴佳婕，等 . 考虑CCUS电转气技术及碳市场风险的电-气综合能源系统低碳调度［J］. 中国电机工程学报， 2023 ， 43 （ 4 ）： 1290 - 1303 .

GUO Jingrong ， XIANG Yue ， WU Jiajie ， et al . Low-carbon optimal scheduling of integrated electricity-gas energy systems considering CCUS-P2G technology and risk of carbon market ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2023 ， 43 （ 4 ）： 1290 - 1303 .

尚楠，陈政，冷媛 . 电碳市场背景下典型环境权益产品衔接互认机制及关键技术［J/OL］. 中国电机工程学报［ 2023-03-17 ］. http：//kns.cnki.net/kcms/detail/11.2107.TM.20230316.1116.006.html http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.2107.TM.20230316.1116.006.html .

SHANG Nan ， CHEN Zheng ， LENG Yuan . Mutual recognition mechanism and key technologies of typical environmental interest products in power and carbon markets ［J/OL］. Proceedings of the CSEE ［ 2023-03-17 ］. http：//kns.cnki.net/kcms/detail/11.2107.TM.20230316.1116.006.html http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.2107.TM.20230316.1116.006.html .

MARTÍN S ， SMEERS Y ， AGUADO J A . A stochastic two settlement equilibrium model for electricity markets with wind generation ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2015 ， 30 （ 1 ）： 233 - 245 .

LEVIN T ， BOTTERUD A . Capacity adequacy and revenue sufficiency in electricity markets with wind power ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2015 ， 30 （ 3 ）： 1644 - 1653 .

JIANG K ， YAN X H ， LIU N ， et al . Energy trade-offs in coupled ICM and electricity market under dynamic carbon emission intensity ［J］. Energy ， 2022 ， 260 ： 125077 .

WANG Y R ， YANG R L ， LI F X ， et al . Variable-structure copula model for multi-scenario bi-level transmission and generation expansion planning ［J］. IET Generation ， Transmission & Distribution， 2022 ， 16 （ 21 ）： 4386 - 4399 .

2019年度减排项目中国区域电网基准线排放因子［EB/OL］.［ 2023-01-30 ］. https：//www.mee.gov.cn/ywgz/ydqhbh/wsqtkz/202012/W020201229610353340851.pdf https://www.mee.gov.cn/ywgz/ydqhbh/wsqtkz/202012/W020201229610353340851.pdf .

2019 annual emission reduction project China regional power grid baseline emission factors ［EB/OL］. ［ 2023-01-30 ］. https：//www.mee.gov.cn/ywgz/ydqhbh/wsqtkz/202012/W020201229 610353340851.pdf https://www.mee.gov.cn/ywgz/ydqhbh/wsqtkz/202012/W020201229610353340851.pdf .

YE Y J ， PAPADASKALOPOULOS D ， MOREIRA R ， et al . Investigating the impacts of price-taking and price-making energy storage in electricity markets through an equilibrium programming model ［J］. IET Generation ， Transmission & Distribution， 2019 ， 13 （ 2 ）： 305 - 315 .

KAZEMPOUR S J ， CONEJO A J ， RUIZ C . Strategic generation investment using a complementarity approach ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2011 ， 26 （ 2 ）： 940 - 948 .

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