摘 要：绿色电力证书市场是解决当前可再生能源成本高昂，电价附加补贴资金缺口大、来源单一、时间周期长等问题的有效措施之一。为完善可再生能源补贴机制，促进清洁能源消纳利用，对绿色电力证书市场下中国各类电源规模及发电成本演化发展进行研究。运用系统动力学，构建绿色电力证书市场的经济系统分析模型并基于 Vensim 软件进行仿真模拟，对绿色电力证书市场下各类电源装机容量、发电量、单位综合成本的演化趋势及关键因素的敏感性进行分析。结果表明通过合理设置可再生能源配额比例和绿色电力
证书有效期，绿色电力证书不仅能够减少补贴资金并提高补贴效率，而且将为可再生能源提供全新的投资回报模式，激励其投资发展，有效促进能源供给侧结构优化。
（来源：中国电力 作者：杜振东 1 ，徐尔丰 2 ，张笑弟 3 ，刘敦楠 2 ，沈舒仪 4）
(1. 浙江华云电力工程设计咨询有限公司，浙江 杭州 310014；2. 华北电力大学，北京 102206；3. 国网浙江省
电力有限公司，浙江 杭州 310007；4. 国网浙江省电力有限公司经济技术研究院，浙江 杭州 310008)
0 引言
随着中国能源资源短缺、环境污染加剧等问题日益凸显，提升可再生能源比例、优化能源结构是解决能源困境的主要方法，也是未来电力系统不可逆转的发展趋势 [1] 。但是，风光等非水可再生能源电源目前还不具有成本优势，同时中国可再生能源电价补贴存在资金缺口大、审核手续繁复等缺陷 [2] 。为解决可再生能源补贴机制不足，促进可再生能源消纳和利用，国家推行一系列政策措施。2016 年国家能源局提出燃煤机组发电需承担 15% 非水可再生能源配额的规定[3] 。
《可再生能源发展“十三五”规划》指出，通过绿色证书交易不断完善新能源电力补贴机制 [4] 。
2017 年《绿色电力证书核发及自愿认购规则（试行）》发布，拟在 2018 年全国范围内开展绿色电力证书核发和自主交易 [5] 。传统电力系统向新能源高渗透率下的新一代电力系统演化发展过程中，可再生能源电价补贴模式将逐渐由行政手段转变为市场机制，实现一次能源供给侧资源的优化配置。
目前，部分发达国家已通过绿色电力证书市场 实 现 能 源 结 构 优 化 。 其 中 ， 美 国 加 州 实 现20% 以上可再生能源接入，同时电价稳定 [6] ；澳大利亚基于多样化绿色电力证书，保证可再生能源发电量以 1% 的速度增长 [7] ；丹麦将绿色电力证书 与 碳 排 放 量 挂 钩 ， 太 阳 能 新 增 装 机 容 量 在2011 年达到 954 MW 的峰值 [8] 。中国绿色电力证书市场尚处于起步阶段，但已有学者对其机制进行研究。文献 [9-10] 提出中国基于可再生能源配额和市场交易体系的可再生能源发展规划方案。文献 [11-12] 提出罚金和可再生能源配额比例是绿色电力证书市场核心因素。文献 [13] 认为绿色电力证书和碳排放权的组合能够显著促进可再生能源发展。当前中国对绿色电力证书市场研究尚侧重于政策设计，未对传统补贴和市场模式下的电源结构演变和成本变化进行分析。
本文以电力发展“十三五”规划、绿色电力证书核发及自愿认购规则和前述研究为基础，基于市场典型场景，构建系统动力学仿真模型，对绿色电力证书市场下各类型电源规模及成本进行研究，预测未来各类型电源的演化趋势。
1 绿色电力证书市场对电力生产的影响
绿色电力证书（tradable green certificates，TGCs）是由可再生能源信息管理中心颁发，表示可再生能源电力被生产的凭证 [5] 。TGCs 市场以配额制（renewable portfolio standard，RPS）为基础，电力企业通过 TGCs自由交易完成配额义务 [14] 。TGCs作为交易商品，价格由市场决定，实现外部成本内部化，保证可再生能源消纳和可持续发展。
1.1 TGCs 市场对非水可再生能源电源的影响
非水可再生能源电源的成本劣势是制约其发展的关键经济因素。与电价补贴的行政手段不同，TGCs 是一种基于市场的指令性工具。非水可再生能源电源既是电力市场的电力供应者，也是 TGCs 市场的证书供应者。非水可再生能源电力不仅拥有与传统能源电力无差别的电力交易价值，还拥有传统能源电力不具备的 TGCs 交易价值，表现为其所带来的环境和社会效益 [15] 。TGCs价格遵循市场规律，将规避电价补贴调整滞后、激励程度低等弊端，促进非水可再生能源发电生产效率提升和发电成本降低，并实现其开发技术
进步。
1.2 TGCs 市场对传统能源电源的影响
TGCs 市场下，传统能源电源将承担可再生能源配额义务，以 TGCs 购买者的身份参与市场交易，支付 TGCs 购买费用及未完成配额义务的罚金。TGCs 交易增加了传统能源电源的成本，成为非水可再生能源电源“补贴”的转嫁承担者。
传统能源发电企业在 TGCs 市场的交易策略受TGCs 价格与罚金间大小关系的影响。传统能源电源成本、可再生能源配额、TGCs 价格和罚金将直接影响传统能源电源在 TGCs 市场中的决策选择。
2 基于系统动力学分析的可行性
系统动力学（system dynamics，SD）是系统理论与计算机仿真紧密结合，研究系统反馈结构和行为的交叉综合学科 [16] 。系统动力学能够将定性和定量结合，剖析系统内部结构和机制，是研究复杂系统问题、系统综合推理的有效方法。系统动力学模型可作为社会、经济等复杂系统的“实验室”，已在房地产市场、碳排放交易市场、电力批发和零售市场等领域研究具有广泛应用 [17-19] 。
系统是相互作用反馈的事物根据一定规律的结合。TGCs 市场是传统电力市场基础上产生的能源衍生品市场，是多类型电源的市场主体在强制配额考核和 TGCs 交易机制下的经济关系总和。TGCs 市场内可再生能源配额比例、TGCs 有效期等某个局部要素改变，将会产生链式反应，对 TGCs 价格、市场主体行为等产生深远影响；
同时 TGCs 市场与电力市场、电力系统之间也存在复杂关联关系。因此，TGCs 市场是一个多重反馈且存在时滞效应的经济系统。系统动力学正是兼顾要素联动和整体复杂性的动态系统分析方法，能够实现 TGCs 市场的综合推演和交互仿真。
3 基于系统动力学的绿色电力证书市场模型
3.1 要素因果关系
根据 TGCs 市场中各要素的特性，构建 TGCs市场下各类型电源关键要素的因果逻辑关系，如图1 所示。
左半部分循环为传统能源电源的因果环。负反馈回路 A1 描述由于传统能源电源成本变化而引起的传统能源电源的投资调整。传统能源电源装机容量增加引起传统能源电源发电量增加，导致 TGCs 需 求 增 加 ， TGCs 需 求 增 加 将 提 升TGCs 价格，导致传统能源电源成本增加，从而减少传统能源电源新增投资，引起传统能源电源装机容量减少。负反馈回路 A2 描述由于 TGCs 市场供需变化引起传统能源电源的投资调整。传统能源电源装机容量增加引起传统能源电源发电量增加，导致 TGCs 需求增加，TGCs 需求增加将减少 TGCs 供需比，从而减少传统能源电源新增投资，引起传统能源电源装机容量减少。右半部分循环为非水可再生能源电源的因果环，与左半部分循环类似。鲁棒性是指系统在一定参数变动下，维持原有性能的特性。多重负反馈回路能够抑制系统偏差，使系统保持平衡或稳态，有效保障 TGCs 市场的鲁棒性，促进各类型电源循环可持续发展。
3.2 前提条件
为最大程度还原 TGCs 市场各要素间的影响关系，确保模型可靠性，设定以下前提条件。
（1）TGCs 市场下电源投资行为分为自然投资和诱发投资 [17] 。自然投资是指基于电力需求自然增长以及国家宏观政策产生的投资行为；诱发投资是指市场环境下经济激励产生的投资行为，TGCs 市场下分为收益和 TGCs 供需产生的投资行为。自然投资和诱发投资在模型中分别以自然投资系数和诱发投资系数表现。
（2）TGCs 按月度核发并结算 [18] 。因此本模型的 TGCs 市场为月度交易市场，并设定模型时间步长为 1 个月，时间范畴为 10 年。
（3）非水可再生能源发电项目核发并出售TGCs 获得收益，相应电量不再享受可再生能源电价附加资金补贴 [5] 。
（4）根据目前国内外 TGCs 交易规则，为防止恶意哄抬、操纵价格等不良市场行为，维持市场稳定，TGCs 在有效期内可以且仅可出售一次 [5] 。
3.3 模型结构
基于前提条件，建立 TGCs 市场系统动力学模型，其中包括传统能源电源、非水可再生能源电源和 TGCs 市场 3 个子系统，涉及火电、水电、核电、风电和光伏 5 种不同类型电源。
（1）传统能源电源子系统。
传统能源电源包括火电、水电和核电，其中核电和水电不参与强制性配额考核，模型中主要对火电进行分析。图 2 为传统能源电源在 TGCs市场下装机容量、发电量和综合成本的存量流量。
传统能源电源装机容量变化受自然投资系数和诱发投资系数共同影响。自然投资系数与全社会用电量增长率以及国家宏观政策有关，诱发投资系数与传统能源电源收益率以及 TGCs 供需比有关。但是投资主体获得 TGCs 供需关系等信息存在延迟，从投资建设到投产发电也存在物理滞后，投资系数对装机容量影响并非立竿见影。主要关系方程为
与传统能源电源子系统类似，非水可再生能源电源装机容量变化受自然投资系数和诱发投资系数的共同影响，同时存在信息物理延迟效应。
主要关系方程有
非水可再生能源电源是 TGCs 市场供给方，TGCs 供给为其 TGCs 持有量。TGCs 持有量随TGCs 核发、销售和失效发生变化。TGCs 核发受其对 TGCs 市场供需关系判断、TGCs 交易与补贴偏 好 的 影 响 。 当 TGCs 价 格 高 于 单 位 补 贴 且TGCs 市场供小于求时，其发电量将全部核发为TGCs。传统能源电源是 TGCs 市场需求方，其在TGCs 市场中交易决策受 TGCs 价格与单位电量罚金大小关系判断影响。主要关系方程为
4 实例分析
4.1 参数设置
以中国《电力发展“十三五”规划》、可再生能源配额和 TGCs 政策以及电力行业现状为基础，设置模型中关键参数，如表 1 所示 [3-5, 18] 。
4.2 仿真结果分析
基于前述模型及参数，利用 Vensim 软件进行仿真模拟，从火电、水电、核电、风电和光伏不同类型电源装机容量、发电量和单位综合成本的演化趋势以及外部因素敏感性两方面分析。
4.2.1 趋势分析
（1）装机容量和发电量分析。根据仿真结果，各类型电源装机容量及发电量的变化趋势如图 5~6 所示。
分析可知，无 TGCs 市场下，不同类型电源装机容量及发电量的增长主要由电力需求自然增长以及国家宏观政策决定；TGCs 市场下，市场经济规律将对电源投资行为产生较大影响。火电综合成本增加以及 TGCs 市场中供需关系不平衡，将抑制火电投资，其装机容量及发电量的增速都将放缓；风电和光伏电源投资行为得到激励，其装机容量及发电量的增速将进一步增加。
水电和核电不涉及 TGCs 市场，其装机容量及发电量增速没有发生较大变化。
（2）单位综合成本分析。根据仿真结果，各类型电源单位综合成本的变化趋势如图 7 所示。
分析可知，对于火电，TGCs 购买成本和罚金将导致其综合成本增加。TGCs 市场初期，供给远小于需求，火电无法完成配额义务，将承担大量罚金。罚金的惩罚特性将使其单位综合成本快速上升。当 TGCs 供需缺口逐渐减小，罚金将相应减少。当 TGCs 市场达到均衡，火电外部成本主要为 TGCs 购买成本，其单位综合成本将维持在相对稳定水平。
对于风电和光伏，其“补贴收益”分为 TGCs收益和电价补贴两部分。TGCs 市场初期，由于交易结算的即时性，风电和光伏将更快更及时获得收益，优化净现金流量，有利于其单位综合成本稳定降低和促进投资。TGCs 市场达到均衡后，市场机制将取代传统电价补贴模式，风电和光伏单位综合成本将随着 TGCs 市场供需波动而发生波动，光伏单位发电成本相比于风电更高，其 单 位 综 合 成 本 的 波 动 程 度 更 大 。 同 时 由 于TGCs 价格上限管制，风电和光伏单位综合成本波动的均值将和火电保持在同一水平。
水电和核电不涉及 TGCs 市场，其单位综合成本没有发生较大变化。
4.2.2 敏感性分析
非水可再生能源配额比例和 TGCs 有效期是TGCs 市场经济系统的关键外生因素。根据仿真结果，这两个外生因素对各类型电源装机容量和综合成本的敏感性如图 8~9 所示。
分析可知，提升非水可再生能源配额比例，能够抑制火电装机容量增长，刺激风电和光伏装机容量增长，其投资抑制效应大于激励效应；配额比例增加将引起火电单位综合成本增加，但对水电、核电、风电和光伏几乎无影响。
增加 TGCs 有效期，能够刺激火电装机容量增长，抑制风电和光伏装机容量增长，其投资激励效应大于抑制效应；TGCs 有效期增加将引起风电和光伏单位综合成本减少，但对火电、水电和核电几乎无影响。
对于各类型电源装机容量，非水可再生能源配额比例的影响程度大于 TGCs 有效期；对于各类型电源单位综合成本，TGCs 有效期的影响程度比非水可再生能源配额比例更加显著。
5 结论
本文借助系统动力学，对 TGCs 市场下各类型电源规模及成本演化发展进行研究。TGCs 这种市场化“补贴”手段，不仅是解决补贴资金来源和提高补贴效率的有效办法，而且将促进风光等清洁能源的高比例消纳和快速发展；但是传统能源电源承担更多外部成本，发展将受制约。
（1）减少环境污染与外部成本内部化是传统能源电源不可避免的发展趋势。TGCs 市场未建立前，传统能源电源只能通过自投资非水可再生能源电源完成配额指标。TGCs 市场将减少投资风险，在短期内是传统能源电源的最佳选择。从长期看，传统能源电源可通过 TGCs 交易和发电权转让交易的优化组合，实现多外部约束下的可持续发展。
（2）TGCs 外部市场的建立，将为风光等非水可再生能源电源发展提供全新的投资回报模式，激励非水可再生能源电源投资，促进能源供给侧结构优化。
未来中国将开展 TGCs 强制约束交易，如何实现各类型电源在 TGCs 市场下协调发展，疏导产业内外矛盾，是 TGCs 市场改革建设的关键。
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