（控制理论与控制工程专业论文）应用非线性互补方法的电力市场均衡分析.pdf

摘要 摘要 全球性电力工业结构重组和解除管制的市场化改革，带来了电力系统运行方 式和模式的深刻变革在电力市场环境下，市场参与者需要密切关注自己的决策 行为及其产生的后果，而市场监管者更需要研究不同市场模式下的市场特性和效 率，因此科学合理的电力市场决策分析模型和方法的研究具有重要的理论和现实 意义电力工业的特性使得电力市场表现出明显的寡头竞争特征，因而基于博弈 论的各种寡头均衡模型可用于研究各市场参与者的策略行为以及对其整个市场 产生的影响，进而为市场管理者提供科学的决策依据。本论文主要涉及大规模复 杂电力市场均衡模型的建立与求解，以及不同市场模式下的均衡分析研究。主要 工作包括：研究利用一种特殊的非线性互补函数来求解电力市场复杂均衡问题的 方法；p o o l 模式下的基于直流潮流输电约束的电力市场均衡分析；计及输电约束 和踌时段负荷响应的电力市场多时段均衡问题研究；计及输电网络约束的区域双 边电力市场均衡问题研究；考虑输电网络约束时策略性远期合同市场和现货市场 的联合均衡问题研究具体地讲，本论文的主要内容和创新点如下： 首先，在国内外率先提出采用非线性互补方法来求解复杂的大规模均衡问 题。该方法是将各博弈者的一阶优化条件( k k t 条件) 组合在一起，形成一个 混合的非线性互补问题，然后采用有关非线性互补函数，把非线性互补问题转化 为一组非线性代数方程的求解，从而求得市场的均衡解。通常，考虑了输电约束 后的大规模电力市场均衡问题是一个复杂的数学问题，其求解一般是很有难度 的。本文提出的方法为求解这些大规模复杂均衡问题提供了一条有效的途径，同 时也为后续研究提供了一个坚实的方法基础这是本论文的重要创新点 其次，考虑到竟标联：i 垂( b i d - b a s c d - p o o l ，s b p ) 的发电市场竞争模式仍是目前各 国电力市场中应用非常广泛的交易模式，本文采用非线性互补方法，进行了b b p 模式下计及输电网络约束的多个发电商的线性供应函数均衡( 1 i n e a rs u p p l y f u n c t i o n e q u i l i b r i u m , l s f e ) 分析。该均衡模型中每个发电商的决策问题为一个 两层的优化问题，利用下层优化问题的k k t 条件将每个发电商的两层优化问题 转变为具有均衡约束的数学规划问题( m a t h e m a t i c a lp r o g r a mw i t he q u i l i b r i u m c o n s t r a i n t s ，m p e c ) ，因此由所有发电商竞争构成的均衡问题可归结为一个具有均 衡约束的均衡问题( e q u i l i b r i u mp r o b l d nw i t he q u i l i b r i u mc o n s t r a i n t s ，e p e c ) ，可 利用非线性互补方法求解。通过3 节点系统算例和i e e e3 0 节点的标准测试系统 算例，验证了本文模型和算法的有效性。结果表明，不论是发生输电阻塞还是电 力相对短缺，发电商均可通过策略性投标持留其部分出力来行使市场力。这是本 论文的主要创新工作之一 第三，针对在电力市场环境下用户负荷对价格的响应具有跨时段的特性， 本论文在计及输电约束的基础上，研究用户响应价格的程度对市场均衡结果的影 上海大学博士学位论文 响，建立了一个考虑跨时段负荷响应的电力市场多时段l s f e 模型。该均衡问题 也可归结为一个e p e c 问题，可利用非线性互补方法求解。给出的算例证明了该 模型的合理性，并且表明：跨时段负荷响应对用电需求可以达到。削蜂填谷”的 作用，同时可以缓解由于阻塞造成的用电不合理分配，从而提高全系统用户的总 体利润，达到鼓励用户合理安排用电的效果。另一方面，跨时段负荷响应的引入 可有效抑制发电商的市场力，降低整个市场的均衡价格，并且跨时段负荷响应程 度越大其效果越明显。这也是本论文的一个主要创新。 第四，针对电力市场中出现的更加开放的双边交易模式以及区域电力市场的 组建趋势，本文建立了一个计及输电网络约束的区域双边电力市场l s f e 模型。 该均衡模型中采用一种基于线性直流潮流模型的传输阻塞定价机制，并引入了多 个套利者来消除电力市场中的不合理节点价格差。对于均衡模型求解中出现的非 线性互补闻题，采用非线性互补方法求解。利用3 0 节点的i e e e 测试系统作为 算例，验证了模型和算法的有效性，而且表明：不论网络的阻塞程度如何，套利 者的出现均可以起到降低市场电价、限制发电商市场力的作用，同时有利于整个 市场社会福利的提升和消费者的利益。这是本论文的又一个主要创新工作 最后，面对当前国内外电力市场的实际运营要求，在计及输电网络约束的基 础上，研究发电商在策略性远期合同市场和现货市场中的联合竞争问题。采用 l s f e 模型来描述发电商在现货市场的竞争行为，用古诺模型来模拟其在策略性 合同交易中的竞争行为，建立了一个两市场的联合均衡模型。该模型可归结为一 个e p e c 问题，可用非线性互补方法求解。通过一个3 节点算例验证了模型的合 理性和算法的有效性，并且表明：不论输电网是否阻塞，发电商都将自愿参与策 略性远期合同交易，从而可使整个市场均衡价格下降，有效地抑制发电商的市场 力。当输电网没发生阻塞时，具有成本优势的发电商更愿意通过现货市场来获利 而当输电发生阻塞时，处于阻塞有利地位而更具有地方市场力的发电商，更趋于 通过合同市场来牟利。整个市场的策略性合同份额还与市场需求弹性和发电成本 密切相关这也是本论文的主要创新性工作之一 关键词：电力市场，均衡分析，非线性互补方法，输电约束，跨时段负荷响应， 区域双边交易，策略性远期合同。 a b s t r t a b s tr a c t 1 1 1 ew o r l d w i d er e s t r u c t u r i n ga n dd e r e g u l a t i o no fe l e c t r i cp o w e ri n d u s t r yh a s b e i n gs i g n i f i c a n t l yc h a n g e dt h eo p e r a t i o ns t y l eo fp o w e rs y s t e m s i nt h ed e r e g u l a t e d m a r k e t v 白0 n m e n t p a r t i c i p a n t s a r er e q u i r e dt op a ym u c ha t t e n t i o nt ot h e c o n s e q u e n c eo ft h e i ro w nd e c i s i o n s ，w h i l em a r k e tr e g u l a t o r sn e e dt ou n d e r s t a n dt h e c o r r e s p o n d i n gm a r k e tf e a z e sa n de f f i c i e n c yo fd i f f e r e n tm a r k e tm o d e s a ss u c h , d e v e l o p m e n t so fr e a s o n a b l ed e c i s i o n - m a k i n gm o d e l sa n dm e t h o d sh a v es i g n i f i c a n t i m p l i c a t i o n si nb o t ht h e o r e t i ca n dp r a c t i c a lr e s e t s t h eu n i q u ef e a t u r e so fe l e c t r i c p o w e ri n d u s t r y m a k et h ed e c t r i d t ym a r k e tm o t a k i nt oa no l i g o p o l y c o n s e q u e n t l y , a v a r i e t yo fo l i g o p o l i s t i ce q u i l i b r i u mm o d e l s 种u s e dt oq u a n t i t a t i v e l ye x a m i n et h e s t r a t e g i cb e h a v i o r so fm a r k e tp a r t i c i p a n t sa n dt h e i ri m p a c t so nt h ew h o l em a r k e t t h e s ee x a m i n a t i o n sa r ee x t r e m e l yh e l p f u lf o rm a r k e tr e g u l a t o r s d e c i s i o n - m a k i n 黟 t h i sd i s s e r t a t i o na d d r e s s e si s s u e so fe q u i l i b r i u ma n a l y s i so fl a r g e - s c a l e , c o m p l i c a t e d p o w e rm a r k e ts y s t e m s n 嵋m a i nr e s e a r c hw o r ki n c l u d e s ：s o l u t i o na p p r o a c ht o e q u i l i b r i u mm o d e l so fc o m p l i c a t e de l e c t r i c i t ym a r k e t su s i n gas p e c i a ln o n l i n e a r c o m p l e m e n t a r i t yf u n c t i o n , e q u i l i b r i u ma n a l y s i so f ab i d - b a s e d - p o o l 饵b p ) g e n e r a t i o n m a r k e tw i t hd cp o w e rf l o wc o n s t r a i n t s , m u l t i - p e r i o de q u i l i b r i u m a n a l y s i s o f e l e c t r i c i t ym a r k e tt a k i n gi n t oa c c o u n tc r o s s - t i m er e s p o n s eo fl o a dd e m a n da n d t r a n s m i s s i o nc o n s t r a i n t s ，e q u i l i b r i u ma n a l y s i so f r e g i o n a lb i l a t e r a le l e c t r i c i t ym a r k e t s u s i n ga d ct r a n s m i s s i o nm o d e l ，j o i n te q u i l i b r i u ma n a l y s i sf o re l e c t r i c i t yf o r w a r da n d s p o tm a r k e t sw i t ht r a n s m i s s i o nc o n s t r a i n t s t h em a i nw o r ka n dk e yc o n t r i b u t i o n so f t h i sd i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w s ： f i r s t , t h i sd i s s e r t a t i o nl a u n c h e st h ei n t r o d u e t i o no fn o n l i n e a rc o m p l e m e n t a r i t y a p p r o a c hi nt h es o l u t i o no f l a r g e s c a l ec o m p l i c a t e de q u i l i b r i u mm o d e l s 1 1 圮p r o p o s e d m e t h o di n v o l v e sg a t h e r i n gt h ek a r u s h - k u h n - t u c k e r ( k k t ) c o n d i t i o n so fe a c h p a r t i c i p a n tt of o r mam i x e dn o n l i n e a rc o m p l e m e n t a r i t ) ，p r o b l e m ( n c p ) u s i n ga s p e c i a ln o n l i n e a rc o m p l e m e n t a r i t yf u n c t i o n , t h em i x e dn c pi sr e f o r m u l a t e da sas e to f n o n l i n e a ra l g e b r a i ce q u a t i o n s t h e nt h em a r k e te q u i l i b r i u mc 锄b eo b t a i n e db y s o l v i n gt h e s ee q u a t i o n s s i n c ee q u i l i b r i u mp r o b l e m sf o rl a r g e s c a l ee l e c t r i c i t ym a r k e t s w i t ht r a n s m i s s i o nc o n s t r a i n t sa r es o p h i s t i c a t e dm a t l l 锄a n c a lp r o g r a m s t h ep r o p o s e d m e t h o dp r o v i d e sa l le f f i c i e n tw a yt ot h es o l u d o no ft h e s ee q u i l i b r i u mm o d e l s , a n d a l s op a v e st h ew a yf o r0 1 1 1 s u b s e q u e n c er e s e a r c hw o r k t l l i sp a r ti so n eo ft h ek e y c o n t r i b u t i o n so f t h i sd i s s e r t a t i o n s e n 正al s f em o d e l 们t l ld cp o w e rf l o wc o n s t r a i n t si sd e v e l o p e dt oa n a l y z e t h eg e n e r a t o r s c o m p e t i t i o nb e h a v i o r si nb b p g e n e r a t i o nm a r k e t s i nt h i sm o d e l ，e a c h m 上海大学博士学位论文 g e n e 目r a t o rf o r m si t sd e c i s i o n - m a k i n gp r o b l e ma sa t w o - l e v e lo p t i m i z a t i o np r o b l e m ， w h i d ac a nt h e nb et r a n s f o r m e di n t oam a t h e m a t i c a lp r o g r a mw i t l ae q u i l i b r i t m l c o n s t r a i n t s ( m p e c ) u s i n gk k t c o n d i t i o n so ft h el o w e rl e v e lp r o b l e m t h e r e f o r e , a n e q u i l i b r i u mp r o b l e mw i t he q u i l i b r i u mc o n s t r a i n t s ( e p e c l 咖b ef o r m e db y c o m b i n i n ga l lg e n e r a t o r s m p e c a n d nb es o l v e db yt h en o n l i n e a rc o m p l e m e n t a r i t y m e t h o d t oi l l u s t r a t et h ee f f e c t i v e n e s so ft h ea b o v en k 删n u m e r i c a le x a m p l e so f 3 - b u ss y s t e ma n d3 0 - b u si e e et e s ts y s t e m1 1 1 1 ec o n d u c t e d i tc a nb es h o w nt h a tt h e g e n e r a t o r sw i l le x e r c i s et h e i rm a r k e tp o w e rt h r o u 曲s t r a t e g i cb i d d i n ga n dw i t h h o l d t h e i rc a p a c i t yi nc a s eo f e i t h e rp o w e rs h o r t a g e0 1 t r a n s m i s s i o nc o n g e s t i o n t h i r d l y , am u l t i - p e r i o dl s f em o d e lo fe l e c t r i c i t ym a r k e t si sp r o p o s e d w i t l l c r o s s - t i m el o a dd e m a n dr e s p o r l a n dt r a n s m i s s i o nc o n s t r a i n t si n c l u d e d t h i s e q u i l i b r i u mm o d e lc a nb ec a t e g o r i z e da 8 柚e p e ca n db es o l v e db yan o n l i n e a r c o m p l e m e n t a r i t ym e t h o d n u m e r i c a le x a m p l e s a p r e s e n t e d t ov a l i d a t et h e r e a s o n a b l e n e s so ft h em o d e l i ti sa l s os h o w nt h a tw i t hc r o s s - t i m e1 0 a dd e m a n d r e s p o n s e ，t h ec u s t o m e r s l o a dc a nb es h i f t e df r o mo n p e a kt i m et oo f f - r , e a l 【t i m e ，a n d a l s ot h eu n r e a s o n a b l ea l l o c a t i o no fl o a d sc a u s e db yt r a n s m i s s i o nc o n g e s t i o nc a nb e r e l i e v e d a sar e s u l t , t h ec u s t o m e l s w h o l ep r o f i t sc a nb ei n c r e a s e da n dt h u s c u s t o m e r s r e a s o n a b l ea r r a n g e m e n to fe l e c t r i c i t yc o n s u m p t i o nc a l lb ea c h i e v e d o n t h eo t h e rh a n d , 砸l l lc r o s s - t i m el o a dd e m a n dr e s p o n s e t h ee q u i l i b r i u mp r i c e so ft h e w h o l em a r k e t1 1 1 ed e c r e a s e da p p a r e n t l y , a n dt h u st h em a r k e tp o w e ra b u s eo f g e n e r a t o r s 啪b ee f f e e t i v d ym i t i g a t e d f u r t h e r m o r e t h em o r l 。t h ed e g r e eo f c r o s s t i m el o a dr e s p o n s e , t h el a r g e rt h ea b o v ee f f e c t sw i l lb e t h i sw o r ki sa l s oo n eo f t h em a i nc o n t r i b u t i o n so f t h i sd i s s e r t a t i o n f o u r t h l y ，al s f em o d e lf o rr e g i o n a lb i l a t e r a ld e e t r i e i t yp o w e rm a r k e ti s d e v e l o p e dw h i c hi n c l u d e s ac o n g e s t i o np r i c i n gs c h e m ef o rd ct l a n s m i s s i o n e o m t r a i n t s a r b i t r a g e r sa r ee o m i d e r e d t oe l i m i n a t et h o s en o d a lp r i c ed i f f e r e n c e st h a t a r cn o n - c a ) s tb a s e d t h en o n l i n e a rc o m p l e m e n t a r ya p p r o a c hi su s e dt os o l v et h em i x e d n c pa r i s i n gf r o mt h es o l u t i o no f e q u i l i b r i u mm o d e l s i m u l a t i o n sb a s e do i lt h e3 0 - b u s i e e et e s ts y s t e ma r ep r e s e n t e dt ov a l i d a t et h er e a s o n a b l e n e s so ft h em o d e la n dt h e m e t h o d i ti sr e v e a l e dt h a tn om a t t c l t w h a td e g r e eo ft r a n s m i s s i o nc o n g e s t i o ni s ，t h e p r e s e n c eo f a r b i t r a g e r si sh e l p f u lt om i t i g a t et h em a r k e tp o w e ra b u s eo f g e n e r a t o r sa n d l o w e rt h em a r k e tp r i c 部，u p l i t tt h es o c i a lw e l f a r ea n dc u s t o m e r s s u r p l u s f i n a l l y , f a c i n gt h ep r a c t i c a lr e q u i r e m e n t so fe l e c t r i c i t ym a r k e t sc u r r e n t l y i m p l e m e n t e da r o u n dt h ew o r l d , g e n e r a t o r s g a m i n gi nb o t l if o r w a r dc o n t r a c tm a r k e t s a n ds p o tm a r k e t si sa d d r e s s e d aj o i n te q u i l i b r i u mm o d e li sp r o p o s e dt a k i n g a b s l r a c t t r a n s m i s s i o nc o n s t r a i n t si n t oa c c o u n t n 蟛l s f em o d e li su s e dt oe m u l a t et h e g e n e r a t o r s b i d d i n gi nt h es p o tm a r k e t , w h i l et h ec o n t r a c tm a r k e ti sm o d e l e d 埘t h c o u m o tc o m p e t i t i o n n 坞w h o l ee q u i l i b r i u mm o d e lc a nb ef o r m u l a t e da s 锄e p e c ， w h i c hc a nb es o l v e db yan o n l i n e a rc o m p l e m e n t a r i t ym e t h o d n u m e r i c a le x a m p l e sa r e p r e s e n t e dt ov a l i d a t et h er e a s o n a b l e n e s sa n de f f e c t i v e n e s so ft h ep r o p o s e dm o d e la n d s o l u t i o nm e t h o d i ti ss h o w nt h a ts t r a t e g i cg e n e r a t o r sw i l lv o l u n t a r i l yp a r t i c i p a t ei n s t r a t e g i cf o r w a r dc o n t r a c t i n gr e g a r d l e s so ft r a n s m i s s i o nc o n g e s t i o n , a n dt h u st h e i r m a r k e tp o w e ra b u s ec a l lb ee f f e c t i v e l yr n i t i g a t e da n dt h ee q u i l i b r i u mm a r k e tp r i c e s nb el o w e r e d i t 咖a l s ob ed e m o n s t r a t e dt h a tt h eg e n e r a t o r sw i t hl o w e rg e n e r a t i o n c o s t sa r em o r ew i n i n gt om a k ep r o f i t si ns p o tm a r k e t sw h e nt h e r ei sn ot r a n s m i s s i o n c o n g e s t i o n i nc o n t r a s t , w h e nt n m s m i s s i o nc o n g e s t i o no c c u r s ，t h eg e n e r a t o r sw i t h l o c a l i z e dm a r k e tp o w e ra r em o r ei n c l i n e dt om a k ep r o f i t si nc o n t r a c tm a r k e t s t h e v o l u m eo ft h es t r a t e g i cf o r w a r dc o n t r a c t i n gi sc l o s e l yr e l a t e dt og e n e r a t o r s c o s t p a r a m e t e r sa n dd e m a n de l a s t i c i t y t h i sw o r ki sa l s oo n eo ft h em a i nc o n t r i b u t i o n so f t h i sd i s s e r t a t i o n k e yw o r d s ：e l e c t r i c i t ym a r k e t , e q u i l i b r i u ma n a l y s i s ，n o n l i n e a rc o m p l e m e n t a r i t y m e t h o d ，t r a n s m i s s i o nc o n s t r a i n t s ，c r o s s t i m el o a dd e m a n dr e s p o n s e , r e g i o n a lb i l a t e r a lt r a d i n g , s t r a t e g i cf o r w a r dc o n t r a c t i n g v 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人己发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：日期 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留论文及送交论文复印件，允许论文被查阕和借阅；学校可以公布论文的全部或 部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名： 日期： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本论文的研究背景 多年以来，电力工业的运行和管理一直处于垄断体制之下2 0 世纪8 0 年 代以来，为了增加电力工业的活力，提高效益，降低电价，以英国，美国和智 利为代表的一些国家开始对其电力工业进行重构和放松政府管制的改革【l 瑚由 于改革大大促进了电力部门的竞争，降低了发电成本和电价，并使服务水平明 显提高，在世界范围产生了重大影响。9 0 年代以后，北美南美，欧洲、大洋 州和亚洲的许多国家和地区都开始积极探索适合本国国情的电力体制改革之 路，形成了一场世界性的电力工业改革浪潮【3 - 7 。虽然各国的改革措施各异，但 总的目标是一致的：打破行业垄断，建立有利于公平竞争的电力市场，降低电 价，最终使消费者受益i s 在电力工业的市场化改革背景下，电力系统的运行方式发生了很大的变化， 特别是参与市场竞争的发电公司，从传统的服从集中统一调度逐渐转为以追求 各自利润最大化为其决策目标。所有的发电公司在市场中相互竞争相互影响， 根据市场的需求共同决定市场的价格并提供发电市场的服务然而，电力工业 本身所具有的特殊性质，使得电力市场不同于一般的市场，例如巨大的投资规 模导致市场进入壁垒，从而只有有限数量的发电公司；输电网络存在容量限制 从而导致在某些地区只有少数发电公司等。这些因素决定了电力市场更接近于 一个寡头竞争的市场而非理想的完全竞争市场，这就可能使发电市场中参与竟 争的少数发电公司具有相当强的市场力，即在一定条件下可以有很大的操纵价 格的能力网。另一方面，电能难以大规模有效的储存，要求供需双方实时平衡 并且需求侧具有较弱的弹性等因素，给少数发电公司行使市场力创造了更有利 的条件，同时使得电力市场的价格呈现较强的易变性【l 们。因此，与集中调度时 不同的是，市场环境下的发电公司将面临巨大的市场风险，他们迫切需要科学 合理的决策模型为其提供决策依据来规避市场风险，实现其利润最大化的目标， 同时市场监管者也非常需要根据合适的决策模型为其提供科学指导和监管市场 行为的依据。然而，以往传统的纯经济学和会计学的模型很难描述和解释当前 电力市场中的竞争行为，因此有大量的研究工作致力于市场环境下参与者竞争 行为的建模以及基于所建模型的市场分析【l u 。 根据模型的数学结构归纳起来，主要可以将这些研究工作中的模型分成3 大类：优化模型( 0 p t i l n i z a l i m o d e l s ) 均衡模_ 型( e q u i l i b r i u mm o d e l s ) 和仿真模型 ( s i m u l a t i o nm o d e l s ) 。其中优化模型主要用来描述和分析电力市场中某一个追求 上海大学博士学位论文 利润最大化的市场成员的竞争行为，均衡模型则是在考虑到所有市场成员之闭 相互竞争的基础上，用来对市场行为的全面描述和分析的模型而当要研究的 均衡问题过于复杂而难以建模或难以求解时，可采用仿真模型来动态模拟竞争 备方的行为，因此仿真模型可看成另一种均衡模型这3 类模型由于其各自不 同的特点而被用来进行不同问题的分析优化模型由于计算上的方便可行，常 被用来研究短期的行为问题，例如，短期的水火电联运，开停机规划【1 2 1 以及确 定性或随机的发电商最优报价策略问题研究【1 3 】等而均衡模型更适合于研究中 长期的预测和规划问题，这是因为考虑的时间范围越长，所有竞争者的反应越 可以明显表现出来。例如，中长期的水火电联运f 件阍、市场设计1 1 刀和市场力分 析【l 睨1 j 等方面的研究需要考虑到所有参与者的市场竞争结果，因此适合用均衡 模型来研究 博弈论研究表明【蚴】，相互竞争的所有理性市场参与者在n a s h 均衡点上均 无单方面改变其策略的动机，也即n a s h 均衡策略是各竞争者最可能采取的策 略，因而只有在n a s h 均衡点上市场才会达到稳定，而且它是市场最可能的运行 结果。因此若能隶得该n a s h 均衡点，就可以根据均衡结果比较准确地预测市场 中可能发生的竞争行为，并分析其对整个市场的影响【2 蜘。正因为如此，基于博 奔理论的各类n a s h 均衡模型被广泛用于解释理性的市场参与者在电力市场中 的策略性行为【划为了更全面地反映电力市场的实际情况，要求均衡模型还能 同时考虑输电潮流约束以及发电公司在各节点上的竞争。但是若把包括输电容 量限制在内的潮流约束考虑进去，会使得大规模的均衡模型的求解变得相当困 难，然而基于这些均衡模型的均衡结果是发电公司或市场监管者进一步决策的 依据，因此考虑输电约束在内的大规模复杂均衡模型的求解是一个十分重要而 又较难解决的问题，因而寻找一种针对该问题的有效求解方法是十分有意义的 本文主要针对以上问题，研究采用非线性互补方法求解大规模复杂的电力 市场均衡模型，为进一步分析和研究各种市场行为提供有效的途径并结合当 前国内外电力市场的实际运营要求，主要研究p o o l 模式下各发电商的均衡策略 行为考虑跨时段负荷响应的电力市场多时段均衡分析、区域双边电力市场均 衡分析以及电力远期合同市场与现货市场联合均衡分析等问题，以期为发电公 司和市场监管机构提供科学合理的决策依据和方法工具，具有重要的理论意义 和应用价值 1 2 国内外相关领域的研究现状 1 2 1 电力市场中的交易类型、交易模武与组织结构 确定市场的交易类型，交易模式与组织结构是研究具体的市场问题的前提 条件。电力市场改革的目的是引入竟争机制、提高电力生产效率、降低成本、 第一章绪论 实现电力资源的优化配置和社会福利最大化。改革的总体做法是将电力工业的 非网络环节和网络环节分开，形成发电、输电，配电和用电四个部分根据各 个部分的特点，发电侧应该引入市场竞争；输电电网适宜统一调度，垄断经营 但开放使用；配电和输电应逐步分离；用电则应提高用户的选择权，以利于提 高市场竞争和服务质量。 1 2 1 1 电力市场中的交易类型 对于电力系统解捆的四个部分，应构建相应的交易市场，包括电力电量交 易的能量市场( e n e r g ym a r k e t ) ，维护系统安全可靠运行的辅助服务市场 ( a n c i l l a r ys e i v i c e m a r k e t ) 和输电权( t r a n s m i s s i o nr i g h t ) 市场 2 7 1 其中能量交 易市场中的交易量较大，其交易方式按照交易时间的先后通常分为合同交易， 现货交易和实时交易三种 ( 1 ) 合同交易 在电力市场开放初期，如采用“n + l ”的单一买方的电力市场模式，作为 单一买方的电网运营企业担负着保证向用户供电的义务。为避免供电时电价急 剧上升的风险，它一般与发电公司签订很大数量的长期合同随着市场的发展 与完善，这种长期合同最终由市场决定的双边或多边的远期合同交易( f o r w a r d c o n t r a c t ) 和期货合同交易( f u t u r e c o n t r a c t ) 所取代 ( 2 ) 现货交易 现货交易是指日前( d a y - h e a d ) 市场的电能交易，即按照发电机组的报价，提 前l 天确定的第二天的发电计划现货交易目前主要采取两种方式：一种是将 长期合同看成是一个经济合同而非物理合同，在编制第二天的发电计划时，按 照各发电厂的申报编制交易计划。如果交易计划与长期合同不一致，采用经济 手段进行补偿；另一种方式是将长期合同看做物理合同，长期合同确定的电量 在现货市场首先安排，其余部分作为交易电量编制计划。 ( 3 ) 实时交易 实时交易是指在交易日的实时确定的发电计划，可以作为合同和现货交易 的补充。由于电力工业的特点，要求发电与负荷实时平衡。然而，由于存在负 荷预测误差及系统运行状况的变化，提前一天编制的发电计划与实际的负荷需 求间存在差别，需要实时调整发电计划，起到平衡发电与负荷的目的 1 2 1 2 电力市场中的交易模式 各国电力工业发展的程度不同，且在改革的不同时期，对电力交易市场有 不同的组织形式，由此而形成了不同的电力交易模式电力市场的交易模式通 常按能量市场的组织形式定义，按市场开放程度或改革的不同进程，主要有三 上海大学博士学位论文 种交易模式 ( 1 )库联营( p 0 0 1 ) 模式，也称为单一买方或“n + l ”模式，适合于只 开放发电侧的电力市场在该模式下，用户购电，发电商售电都与由独立运行 人( i s o ，i n d e p e n d e n ts y s t e mo p e r a t o r ) 和交易中心( p x ，p o w e re x c h a n g e ) 的 组合体( 印电力联营体) 进行交易发电商向联营体报价，联营体作为唯一的 购买者，收集各参与者的投标，然后按统一原则评标，确定系统定价和完成输 电服务 4 , 2 8 1 ( 2 )。库联营+ 双边交易”模式。该模式在库联营的基础上增加了配电 公司，大用户与发电商之间的双边交易，双边交易通常采用远期合同交易的方 式。该模式给予电力需求侧选择权，提高了负荷对市场价格的响应，有利于提 高市场竞争 ( 3 )“双边+ 多边”交易模式。双边( b i l a t e r a l ) 模式是指发电公司和用 户可独立，直接地签订协议进行电力交易，然后向电网公司支付转运费 ( w h e e l i n g ) 的交易方式【2 卿。双边模式扩大了用户的选择权，能够最好地实现 用户直接、自由地选择供应商的目的啪】多边( m u l t i l a t e r a l ) 模式是双边模式 的扩展，有两个以上的交易者。 由于库联营模式只要求发电侧分离，工业结构的变动小，利于平稳过渡； 能保持负荷跟踪、运行备用等辅助服务，保证系统的安全可靠运营，故适用于 电力市场改革处于起步阶段的我国 3 1 j 。但联营体垄断了市场的买卖，有可能造 成市场操纵，且用户没有选择权，市场竞争程度有限，因此随着我国电力改革 的进一步深入，。库联营+ 双边交易”模武正逐步展开因此本文采用的市场交 易模式主要为以上两种较符合我国电力市场改革实际的模式，同时也考虑到改 革推进后的第三种模式 1 2 1 3 电力市场的组织结构 电力市场的改革在构建电力市场交易模式的同时，也要