（电力系统及其自动化专业论文）引入需求响应的电力市场运行问题研究.pdf

东南大学博士学垃论文 a b s t r a c t t h er e f o r m a t i o no ft h ee l e c t r i c i t yi n d u s t r yi st or e l e a s er e g u l a t i o no fg e n e r a t i o n t r a n s m i s s i o n ，d i s t r i b u t i o n ，f r e q u e n c yc o n t r o l l i n g ，a n dv o l t a g es u p p o r t i n ge t c g e n e r a t i o na i m s t os u p p l ye n e r g y ( g e n e r a t i o nc o m p e t i t i o n ) ，t r a n s m i s s i o na n dd i s t r i b u t i o na i mt ot r a n s m i ta n d d i s t r i b u t ee n e r g y ( t r a n s m i s s i o ns e r v i c e ) ，f r e q u e n c yc o n t r o l l i n g ，v o l t a g es u p p o r t i n ga n ds e r v i c e f o rr e l i a b i l i t ya i mt om a i n t a i np o w e rq u a l i t y ( a n c i l l a r ys e r v i c e ) c o n t e s t a b l em a r k e tt h e o r y , c o m i n gf r o mm o d e mw e s t e r ne c o n o m i c s ，s a y st h a tw i t ht h ec o m p e t i t i o no fe l e c t r i c i t y p r o d u c e r sa n dd e r e g u l a t i o no ft r a n s m i s s i o ns y s t e m ，b u y e r s b i d d i n ga n dd e m a n ds i d e c o m p e t i t i o na r ea l s oe s s e n t i a lt op o w e rm a r k e t s f u r t h e rd e v e l o p m e n t a c c o r d i n gt o d i f f e r e n tm a r k e t sd e m a n dr e s p o n s ei si n c l u d ei n ，t h i sd i s s e r t a t i o ni s d e v i d e di n t ot w op a r t s ，w h i c ha r er e s e a r c ho nd e m a n dr e s p o n s ei ne n e r g ym a r k e to p e r a t i o n a n dt h a ti na n c i l l a r ys e r v i c em a r k e to p e r a t i o n f r o mt h et e c h n i c a ia n de c o n o m i c a lp o i n t so f v i e w , t h ed i s s e r t a t i o nf o c u s e so nt h ef o l l o w i n gp r o b l e m sf a c i n gd e m a n dr e s p o n s ei np o w e r m a r k e t so p e r a t i o n ：i n f l u e n c eo fd e m a n dr e s p o n s eo nt h ee n e r g ym a r k e to p e r a t i o n ，d e m a n d s i d eb i d d i n ga n dt h eb i d d i n gs t r a t e g i e si nt h ee n e r g ym a r k e t ，t h eo p t i m a lr e s e r v ec a p a c i t yw i t h d e m a n dr e s p o n s ei n v o l v e di ns u p p l y i n gr e s e r v ea n c i l l a r ys e r v i c e ，t h eo p e r a t i o nm e c h a n i s m d e s i g nf o rt l l er e s e r v ea n c i l l a r ym a r k e tw i t hd e m a n dr e s p o n s e t h em a i nc o n t e n t so ft h i s d i s s e r t a t i o na r e 嬲f o l l o w s 1 11 1 1 i sd i s s e r t a t i o na n n l y z e st h ei n c i t a t i o no fu n i f o r mc l e a r i n gp r i c i n gm e c h a n i s mt o w i t h h o l d i n gc a p a c i t yo fp o w e rs u p p l i e r s t oa d e q u a t e l yc o n s i d e rt h ep o s i t i v er o l e o f d e m a n dr e s p o n s ei ne l e c t r i c i t ym a r k e td e s i g n ，ad e t a i l e dm a t h e m a t i c a lm o d e lf o r t h ei n f l u e n c eo fd e m a n de l a s t i c i t yo nc r i t i c a la n do p t i m a lw i t h h o l d i n gc a p a c i t yo fa s i n g l ea n dn - p o w e rs u p p l i e r su n d e rl i n e a rd e m a n dc u r v ei sb u i l tu p ，a n dt a k i n ga n a c t u a lr e g i o n a le l e c t r i c i t ym a r k e tf o re x a m p l e t h ep r o p o s e dm a t h e m a t i c a lm o d e li s s i m u l a t e da n dt h er e s u l ts h o w st h a td e m a n dr e s p o n s ei sn e c e s s a r yt ot h ee n e r g y m a r k e to p e r a t i o na n dc a l lb eu s e dt od e c r e a s em a r k e tp o w e ro f s u p p l i e r s c o n s i d e r i n g t h en e t w o r kc o n s t r a i n s t h i sd i s s e r t a t i o nb u i l d st h eb i 1 e v e l o p t i m i z a t i o nm e d e io fd e m a n ds i d eb i d d i n gi nt h ep o o le n e r g ym a r k e ta n d d e v e l o p sam a t h e m a t i ea p p r o a c ht o s o l v es u c hm a t h e m a t i c a lp r o g r a mw i t h e q u i l i b r i u mc o n s t r a i n t s - - m p e c f i n a l l ya l ih y p o t h e s i sn a s he q u i l i b r i u m sa r e v a l i d a t e dt og e tt h er e a lp u r es t r a t e g i cn a s he q u i l i b r i u m b a s i n go nt h et c s t p a r a m e t e r so f t h r e en o d e sa n dt h i r s t yn o d e s ，t h i sd i s s e r t a t i o na n a l y z e st h ei n f l u e n e e o fd e m a n ds i d eb i d d i n go nt h ep o w e rm a r k e to p e r a t i o na n dg e t ss o m ev a i n a b l e c o n c l u s i o n s 3 、w i t ht h eb a c k g r o u n do fe l e c t r i c i t ym a r k e tr e f o r mw h e r ei t i sg r a n t e dt h a te l a s t i c a n da d a p t i v ed e m a n dc a np r o v i d es p i n n i n gr e s e r v ec a p a c i t yf o rt h em a r k e t ，t h i s d i s s e r t a t i o nf i r s t l yg i v e sam o d e lo fl o a di n t e r r u p t i o nc o s t w h i c hc o n s i d e r st h e c h a n g eo fu s e r s c o s tf o ri n t e r r u p t i o nw i t ht h ec h a n g eo fp o w e rm a r k e tb a l a n c e p o i n ta n dt h e nt h ej o i n to p t i m a lm o d e lo fs p i n n i n gr e s e r v ec a p a c i t yc o s ta n dl o a d i n t e r r u p t i o nc o s ti sb u i l t ，w h i c hi sb a s e do no p t i m a lp o w e rf l o w a n dt h e n , t h e i n f i u e n c eo f d e m a n de l a s t i c i t yo no p t i m a ls y s t e ms p i n n i n gr e s e r v ei ss t u d i e d 4 ) t h ei n t e g r a t e dn o d er e l i a b i l i t ym o d e li sb u i l t w h i c ht a k e s t h r e ef a c t o r si n t o a b s t r a c t c o n s i d e r a t i o n ，o u t r a g e o fg e n e r a t i o n ，o u t r a g eo ft r a n s m i s s i o ns y s t e ma n d u n c e r t a i n t yo fl o a df o r e c a s t i n g b a s e do nt h ep r i n c i p l et h a tt h ep o w e rw i t hh i g h e r r e l i a b i l i t yh a st h eh i g i l e rr e l i a b i l i t yp r i c e ，t h i sd i s s e r t a t i o na n a l y s i st h ei n f l u e n c eo f d i f f e r e n tr e l i a b i l i t yd e m a n df r o md i f f e r e n tu s e r so nt i l e 鲥d so p t i m a lr e s e r v e c a p a c i t ya n d a l s og i v e saw a yt oc a l c u l a t ed i f f e r e n tu s e r s r e l i a b i l i t yp r i c e ，1 r h en e w m e c h a n i mi sc o m p a r e dw i t hag e n e r a lo n ea n dt h e r ea r et h r e em e r i t s ，w h i c ha r et o s h o wd i f f e r e n ts e r v i c e 。t od e c r e a s ec o s tp a i da n dt ok e e pt h em a r k e to p e r a t i n gw e l l t h en e wm e c h a n i s ms a t i s f i st h ei n d i v i d u a l i z e dr e l i a b i l i t yd e m a n d sa n di se a s yt o b ec a r r i e do u t k e y w o r d s ：p o w e rm a r k e t ，d e m a n dr e s p o n s e ，w i t h h o l d , b i d d i n gs t r a t e g y , s p i n n i n gr e s e r v e ， r e l i a b i l i t y , p r i c ed i s c r i m i n a t i o n i 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，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已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的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：陋矽 关于学位论文使用授权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 日期： 专砂夕雹 j 第一章绪论 第一章绪论 本章首先介绍了电力市场化改革的背景，接着引入需求响应的基本概念，介绍了需求响应在各 国电力市场中的实施，论述电力市场化改革中引入需求响应的必然性，随后就引入需求响应对电力 市场运营的影响及当前的研究现状展开讨论，最后对论文的研究思路，主要研究内容和章节安排进 行了简单的描述 1 1 课题背景 世界各国电力市场的发展使电力工业正在经历一次深刻变革，这场变革旨在打破电力工业传统 的垂直垄断模式，引入竞争机制，促进电力生产提高效率、降低成本、改善服务质量，在促进电力 工业本身长期可持续发展的基础上，使全社会从电力工业改革中获得更多的经济效益和社会效益【l j 。 电力工业的改革随着p u b l i cu t n 时r e g u l a t o r yp o l i c i e s a c t 在1 9 7 8 年的通过而从美国开始，接着 在1 9 8 2 年的智利，1 9 9 0 年英国发展开来【l 捌。挪威的改革从1 9 9 0 年开始，建立了旨在促进竞争的电 力交易中心，该中心于1 9 9 6 年吸引了瑞典加入并形成欧州北方电力交易中心，如今北方电力交易中 心同对包括了芬兰和丹麦的电力工业p l 。澳大利亚国家电力市场于1 9 9 8 年创立，由1 9 9 4 年运行的 维多利亚交易中心和1 9 9 6 年创立的新南威尔士交易中心组成1 4 】。我国从2 0 世纪8 0 年代集资办电， 培育独立发电公司( i p p ) 开始，到1 9 9 5 年启动省级模拟电力市场，2 0 0 0 年启动省级电力市场试点， 到2 0 0 4 年开始区域电力市场试运行，目前我国已有东北，华中，华东三个区域电力市场开始试运行。 因此，截止2 0 0 4 年，已经投入实际运行的电力市场有英国、西班牙、意大利和德国等欧盟国家和澳 大利亚，新西兰、中国、智利，以及美国的加州、新英格兰，纽约州和p j m ( 宾夕法尼亚一新泽西一 马里兰) 互联系统等国家和地区的电力市场。 电力工业的市场化改革，使得电力工业的运行服务质量有很大提高，具体表现在： 1 ) 在英国，阿根廷，智利，巴西，秘鲁和新西兰，劳动力生产效率和服务质量得到很大改善 【5 棚 2 1私有化的发电企业在竞争型电力批发市场中的运行效率得到很大改善i ，“”； 3 ) 在英国，澳大利亚和一些拉丁美洲国家，随着电力批发市场的建立和发展及新建电厂的市 场加入，电力价格已经开始下降。英国能源监管机构报道，从1 9 9 8 年政府接受改革方案到 2 0 0 2 年3 月，月前基本负荷价格降低了4 0 【1 2 1 目。美国p j m 电力客户从电力工业的改制 过程中获利超过了3 0 0 亿美元1 1 4 j 。c a m b r i d g ee n e r g yr e s e a r c ha s s o c i a t e s ( c e r a ) 估计在 电力市场化改革开始后的几年中，相比传统管制体系下的电力工业，美国居民用电费用节 省了3 4 0 亿美元【l ”。澳大利亚国家电力市场在降低发电成本和电力市场价格方面也获得了 成功口6 1 。 4 )经过电力工业改制的国家吸引了更多资金投入到新发电企业的建设中来”7 。 5 ) 传输和配送电力的费用分摊更为合理，零售侧电力销售价格更合理的接近于发电成本口”。 世界范围内电力工业市场化改革在电力系统规划、运行和管理各领域催生了大量新课题，亟需 新的理论和方法的指导。尤其在加州电力危机后，电力市场的稳定性问题特别受到了人们的普遍关 注。现代西方经济学中诞生的可竞争市场理论1 3 2 j ( c o n t e s t a b l em a r k e tt h e o r y ) 已经在理论上证明了 东南大学博士学位论文 电力市场改革在强调发电领域竞争和开放输电系统的同时也需要在售电环节引入竞争和引导需求响 应参与辅助服务的提供，理顺电力需求侧的市场化运营，也就是说开放输电网实现厂网分开是前提 条件，另外需要分别建立主能量交易市场和辅助服务市场并积极引入需求响应参与主辅市场的竞争， 实现电力市场健康稳定发展。 1 2 问题的提出 1 2 1 需求晌应 需求响应d r ( d e m a n dr e s p o n s e ) 的概念是美国在进行了电力市场化改革后，针对在售电环节 引入竞争及需求侧管理如何在竞争市场中充分发挥作用以实现市场的高效稳定运行而提出的，其他 国家电力市场改革中也有涉及，但提法不同，如英国电力市场中的d s b ( d e m a n ds i d eb i d d i n g ) 等， 本文将在售电环节中引入竞争的统称为需求响应。 需求响应广义地指：电力用户根据价格信号或通过激励，改变自己固有习惯( w o n t e d ) 用电模 式的行为。需求响应是需求侧管理( d s m ) 的一部分，其实施方式与传统的负荷控制有一定的区别， 负荷控制是在适当的时候，系统使用负控装置主动切断电力供应，将用户的电力需求从电网负荷的 高峰期削减、转移或增加到电网负荷低谷期，需求响应则更强调电力用户直接根据市场情况( 价格信 号) 主动做出调整负荷需求的反应，从而作为一种资源对市场的稳定和电网的可靠性起到促进作用。 根据需求响应参与市场类型的不同可将需求响应措施大体分为两类： 1 参与主能量市场竞争的需求响应( 基于市场竞价的需求侧响应措施) 是指在系统正常运行状态 下，需求响应参与主能量市场的报价竞争，由市场价格引导需求侧资源参与，通过市场结算使 参与者受益，基于市场价格的需求侧响应措施包括：峰谷电价，实时电价，需求侧报价等。 峰谷电价：根据系统高峰和低谷的时间分布及运行成本特点，对用户用电的不同时间实行 不同的电价，通过价格作用引导用户在高峰期减少用电，鼓励其在低谷期间增加用电。推 行峰谷电价是垂直一体化电力公司实施需求侧管理的常用措施，在竞争性的电力市场中可 以继续发挥作用； 实时电价响应：是指在用户端安装相应的通讯和控制装置，使批发电力市场的价格变化传 递到用户，用户可以根据电价的变化调整其用电需求，减少在高价格时段用电以控制自身 的电费。这项措施是在电力市场中引入需求侧竞争的最直接的方式，用户是实时电价的接 受者，根据电价决定电力的消费量，避免电价变化带来的风险。本措施中通讯和控制装置 的安装增加了用户的实施成本； 需求侧报价：需求侧报价是用户直接参与批发市场的竞争。市场允许需求侧申报愿意从市 场上购买的电量和相应的价格，同时允许需求侧报出愿意减少负荷的最低价格和相应的负 荷减少量。 2 参与辅助服务提供的需求响应( 基于可靠性管理的需求侧响应措施) 是指在系统用电高峰期或 紧急状况下，需求侧资源向系统提供可靠性服务而使整个系统受益，主要包括以下两个方面的 措施：系统紧急运行状态需求侧响应计划和需求侧资源参与辅助服务市场报价等。 系统紧急运行状态需求侧响应计划：是指用户允许在电力短缺、接近短缺或出现短期可靠 2 第一耄绪论 性问题时中断向他们供电，以得到直接赔偿或其他时间的优惠电价。此项措施与可中断负 荷管理类似，此措施不需要在用户侧安装通讯和控制装置，只需要和用户签订相应的补偿 协议，因此实施起来比较方便易行； 需求侧资源参与辅助服务市场报价：需求侧资源可以与发电厂一样通过报价向系统提供辅 助服务。例如，一些符合系统调度要求的可中断负荷为系统调度机构提供一种可选择的备 用资源，使系统需要安排备用的时候，调度机构比较发电厂发电报价与需求侧降低负荷报 价的高低，选择成本最低的系统备用资源。 各国在电力市场改革中引入了不同形式的需求响应。 英国需求侧电力市场改革p ”进行得较早，1 9 9 0 年3 月电力改革时就允许1 0 0 0 k w 以上的用户选 择供电商，1 9 9 8 年7 月以后所有用户都可以自由选择供电商；2 0 世纪9 0 年代初期，英格兰和威尔 士电力市场采用了需求侧竞价( d e m a n ds i d eb i d d i n g ) 方案，使得电力终端用户削减的电力负荷与 电力库中参与调度的发电出力一同竞价，取得了比较明显的效果，有效地抑制了价格尖峰和发电商 滥用市场力 3 4 a 5 1 ；2 0 0 1 年3 月取消强制性电力库，建立以双边合同为主导的电力市场。 北欧电力市场由挪威、瑞典、丹麦、芬兰4 国组成，是目前具有代表性的跨国电力交易市场， 运行有电力期货市场和日前现货市场m j ，在日前现货市场中，同发电商参与市场竞价一样，挪威、 瑞典的电力用户也参与以“电力购买兆瓦数一时间一价格”为形式的竞价。大用户( 兆瓦以上) 可 以直接参与需求竞价，小用户可以通过他们的供电商作为代理间接参与需求竞争。芬兰电力市场需 求侧引入竞争的结果是所有用户的电价都有所下降n 。 日本为了促进竞争，实现电力自由化，于1 9 9 9 年制定了新电力法，规定：零售市场对高压用户 ( 2 0 k v ，容量在2 0 0 0 k w 以上的用户) 开放。这些用户约占市场总量的3 0 ，按照规定，他们可以 自由选择供电商，直接参与电力零售，需求侧电力市场的新政策出台后约有2 3 的用户重新选 择了供电商。 美国各地区的电力市场不同，最初只是部分地区开放了零售市场，如东部的p j m 电力市场在宾 夕法尼亚州开放了零售市场9 m ，加州电力危机后，又开始重新认识零售电力市场，目前有1 7 个州运 行，各类用户自由选择供电商，有2 个州对大用户开放，有6 个州暂未开放零售市场，但均通过了 相关法律i j ，j 。开始于1 9 9 1 年的p j m “主动负荷管理”( a c t i v el 0 a dm a n a g e m e n t ) 主要用在负荷服务 实体和专门的减负荷服务商( c u r t a i l m e n ts e r v i c ep r o v i d e r ，c s p ) 作为终端用户代表参与削减负荷 时的管理办法 4 0 j ，终端用户需要通过c s p 参与此计划。c s p 参与a l m 要求每年支付一定的定金( 5 0 0 - - 5 0 0 0 u s d ) ，如果c s p 启用分散发电，则需要取得环境许可。终端用户可自愿参与，参与程序的用 户可以得到5 0 0 u s d m w h 的赔偿，或者按实时系统边际电价赔付。有三种类型的a l m ，即直接负 荷控制、固定负荷消费水平和根据通知削减负荷。p j m 在2 0 0 1 年夏天实施了3 次a l m ，当电价高 于1 3 5 u s d m w h 时启动，平均减少用电2 3 m w 。自实施a l m 后，再未出现过紧急发电不足的现象。 从2 0 0 2 年7 月以来又补充了“负荷响应程序”( l o a dr e s p o n s ep r o g r a m ，l r p ) ，目的是鼓励用户广 泛参与l r p ，去除了终端用户不能直接参与削减用电的障碍，能够更好地激励用户对实时电价做出 反应。同时，允许分散电源参与l r p 。并分别按日前负荷响应程序和实时负荷响应程序制定了具体 的实施细则。表1 1 给出了美国电力工业中引入零售竞争后产生的效益i l ”，而且根据美国电力研究 院( e p r i ) 的一份调研报告，实行需求响应计划，估计全美可以减少4 5 0 0 万千瓦的峰荷需求，相当 于6 4 的预测基线需求，如果每年在全美范围内实施计划，将少花费4 2 亿美元，可见在美国实施 东南大学蹲e 学位论 需求响应的效益还是相当可观的。 表1 1 美国电力工业中引入需求响应后产生的效益 产出增加季节性循环集中供热机组的全面利用长期竞争平衡 消费改变百分比 1 3 4 2 55 4 2 4 价格上的全面减少0 9 美分l c w h1 8 美分l c ，i l3 0 美分k w h 居民消费者的价格减少i i 美分k w h2 2 美分儿w h3 6 美分几w h 消费者剩余所得2 21 亿美元年5 7 6 亿美元年1 0 7 6 亿美力年 社会福利增加 1 9 亿美元年7 5 亿美元年 2 4 3 亿美元年 居民消费者平均电费减少 9s 美元j 勇 产 1 8 0 美元月户3 00 美元月，户 商业用户平均电费减少5 7 3 2 美元，月户1 0 9 0 7 美元月，户1 8 1 3 6 美元，月户 工业用户平均电费减少9 4 7 6 6 美元月户1 8 0 3 3 8 美元月户3 9 9 8 5 7 美元，月，户 2 0 0 3 年l o 月1 5 日通过了由美国能源部牵头，1 5 个成员国参加的“需求响应资源”项目，旨在推 广将需求响应资源融入各国电力市场，研究解决现实特定目标的必要方法，业务流程、基础、工具 和实施过程，建立评价需求响应资源的通用方法；建立需求响应资源对电价、备用、容量市场和市 场流动性的影响模型，进而确定需求响应资源的价值，建立相关技术交流的i n t e r n e t 平台。电力需 求响应已经受到工业发达国家的充分重视。需求响应可能的用途有：各种形式的辅助服务、参与可 中断供电合同或峰谷电价计划、需求报价参与现货交易，与发电商之间的双边合同、在平衡市场中 竟价增减出力、缓解输配电阻塞等。其中参与辅助服务的环节包括频率控制、电压控制、备用和黑 启动。表1 2 列出了欧洲7 个国家电力市场需求响应的运行情况。 表1 27 个国家电力市场中需求响应的运行情况 国家辅助服务输电约束供电合同平衡市场现货市场 芬兰，oo 荷兰 挪威 ，o 西班牙 ，o。o 瑞典 。o 英国，o，o，0 ，o ， 希腊 注：表示运行需求响应参与，o ：表示需求响应正在运行，：表示适合2 0 0 1 年3 月以后的新英幽电力巾| 场( n e t a ) 1 2 2 电力市场中引入需求响应的必然性 电力商品的特殊性使得电力市场完全不同于其他普通产业市场，它的特殊性一方面是电力市场 价格可能波动剧烈，市场运行容易受到市场参与者的策略性操控 2 4 1 ，另一方面是重负荷系统可能在 扰动下失去稳定，甚至崩溃，造成大面积停电和严重的经济损失瞄】。因此，电力市场运营不仅要提 高经济性还要保证可靠性，电力市场在设计时需要认真考虑电力商品的特殊性，否则会造成严重后 果，具体而言，电力商品的特殊性表现如下： 非储存性，电力不能被有效的储存这一特色使得电力需求和供给必须保持实时平衡以维持 电力系统可靠性； 4 第一审绪论 电力需求侧弹性较低，且电力消费有极大的波动性和随机性，与消费者类型和气候环境等 有密切联系，特别在夏季用电高峰期电价可能在短暂的几小时内剧烈变动，为市场参与方 行使市场力创造了机会“”； 缺少良好的替代品，消费者在市场中如果能容易的找到替代商品或者能较容易的在其他地 方买到同样的商品，供应者行使市场力的可能性较低，如农产品和矿务资源市场口m ： 电力工业是高资本投入性的，建设和运行发电厂的大规模投资形成了较高的市场准入门槛 2 9 1 电熊传输要经过输电两，电流和功率分布要服从克希霍夫定律，满足羁络节点功率平衡， 而非人为确定的路径，网络传输线路运行要受到发热，电压降落和稳定极限等条件的约束： 传输线路容量决定了电力市场的地域特点，线路潮流极限限制了区域之间的电力传输，将 大规模电力市场隔离成小型市场以限制参与供给当地负荷的发电商数目，这将赋予某些发 电商区域性市场力以操控该区域市场价格 2 9 , 3 0 j 。 市场的组织形式和市场的定价原则对市场的正常运行起到举足轻重的作用p “，在一个有效的市 场中，价格是在市场买卖、供需双方复杂的互动中形成的。但在只有发电侧引入竞争的单边电力市 场中，购电方没有也无法参与价格设定过程，因而价格没能起到供需之间“防震锤”的作用，再加 上上述阐明的电力商品的特性使得只有发电侧引入竞争的单边电力市场比其他商品市场要不稳定得 多：当市场上总供给大于总需求时，市场占有率较高的寡头厂商会通过价格竞争来淘汰边际成本过 高的厂商，在这一过程中，电力市场是稳定而有效率的；而当电力市场总供给小于总需求时，寡头 厂商将具有足够大的市场力来操纵价格，造成市场价格上扬，这时候的市场是不稳定和缺乏效率的。 由于受时间、资金、技术等因素的制约，新厂商的进入会有阻碍和滞后，即使价格波动最终会通过 市场的自发调节而收敛到一个稳定值，但市场价格的长时间大幅度波动却是人们无法接受的。因此 电力工业强调开放发电侧的同时也要积极在售电环节引入竞争，使得购电方参与市场价格的设定过 程，从而实现市场的高效经济运行，提供实现成本最小化的激励条件，促进生产者寻求各种降低成 本的革新技术和管理手段，引导价格趋向边际成本。 需求响应通过负荷调整，提高系统和资源的使用效率，对电力工业和经济发展以及环保方面有 着重要的战略作用。对于引入竞争后的电力市场来说，需求响应更是保证系统可靠性，促进市场有 效运作的必要手段。其主要作用表现在l “s | 】： 1 )需求响应是实现电力工业市场化良性运转的必要条件； 市场是买者和卖者相互作用并共同决定商品或劳务价格和数量的机制，资源在理想化的竞争市 场中配置是最有效率的，加州电力危机的主要原因就是由于市场中缺乏需求响应，被发电公司利用 而操级市场，哄抬电价，获得不合理豹高额利润，从而损害了消费者和箕链市场参与者的利益。因 此，只有将需求响应引入竞争市场，通过价格信号和激励机制，增加需求价格弹性在市场中的作用。 才能使市场竞争更为有效，价格更加合理。 2 )需求响应参与辅助服务市场有利于保证电力系统的稳定可靠运行： 有研究表明，在加州系统运行的高峰时段，仅仅几个百分点的需求变化就有可能带来系统可靠 供电和拉闸限电的不同结果。因此，需求侧资源可以与发电厂一样通过报价向系统提供一些类型的 辅助服务。例如一些符合系统调度要求的可削减负荷为系统调度机构提供一种可选择的备用资源， 使系统需要安排备用的时候，调度机构比较发电厂发电报价与需求侧降低负荷报价的高低，选择成本 东南大学博士学位论文 最低的系统备用资源，可以帮助系统调度机构以及供电公司有效地解决系统备用短缺，输电阻塞和 地区输配电能力不足等问题，保证系统可靠性，大大降低由于系统容量短缺而造成轮流停电出现的 几率。 3 )需求响应有利于降低系统运行成本，优化社会资源配置： 需求响应可以引导用户在系统高峰期或电力紧张期减少用电，在用电低谷期增加用电，提高系 统负荷率，使系统运行效率提高，大大减少价格尖蜂出现的概率和频率，而且从长远观点看，当需 求响应可以产生固定和持久的负荷减少能力时可以在系统规划时将需求响应作为一种替代资源来 进行综合资源规划，减少了发电，输电和配电基础设施建设上的投资，对推进环境保护也有积极作 用。 4 )需求响应为市场参与者降低市场风险提供了一种手段。 需求响应运用市场手段给予用户更多的选择权，可以帮助用户或供电公司防范系统紧急事故或 价格波动带来的风险，而且具有弹性的供需曲线，会带来渐进的价格上升信号，而不像缺乏需求弹 性的供需曲线那样造成价格的突然抬升，这样就给投资建设新电厂一个缓冲的时间，不会出现巨大 破坏性的电力缺额，为社会生产带来损失。 1 3 引入需求响应对电力市场运营的影响及研究现状 电力工业市场化改革包括发电、输电、配电、频率控制和电压支持等多方面解除管制。进行市 场化运营时，开放输电网实现厂网分开是前提条件，另外需要分别建立主能量交易市场、辅助服务 市场并积极引入需求响应参与市场竞争，实现电力市场健康稳定发展。 由于电力工业的重要性和特殊性，各国对电力工业放松管制、实现市场化的进程不同，但共同 的是集中在发电领域打破垄断引入竞争。有些国家的电力市场同时还开放了输电、配电及零售市场， 比如北欧电力市场、德国电力市场等。要充分发挥市场竞争的潜力和效率，保证电力系统的高效持 久发展，最终必然要全面开放电力需求侧。事实也证明了单纯重视发电领域的竞争，忽视用电侧的 需求弹性和负荷管理潜力，不利于抑制市场力，不利于电力市场的健康有序发展4 】。需求响应的 引入在电力系统及电力市场规划、运行和管理各领域催生了大量新课题，包括：引入需求响应对发 电市场竞争的影响、需求竞价及需求侧竞价策略、需求响应参与备用辅助服务的优化( 容量优化和 调度优化) 、需求响应参与备用服务市场的机制设计、电力市场优化运行、需求响应对配电网规划的 影响、配电定价及交易管理系统、负荷预测及电价预测等。这些问题有的是在配电和用电侧引入竞 争机制的市场环境下新出现的如需求侧竟价策略、需求响应参与备用服务市场的机制设计等，有的 是在原有交易和研究基础上新增了许多内容如电力市场优化运行、负荷预测及电价预测等，本文拟 就引入需求响应对主能量市场竞争的影响、主能量市场中需求竞价及需求侧竞价策略、需求响应参 与备用辅助服务的容量优化、需求响应参与备用服务市场的机制设计等几个关键技术经济阀题展开 深入研究。下面就这几个问题的研究现状进行概述。 1 3 1 引入需求响应对主能量交易市场竞争的影响 世界各国电力改革过程总是从开放发电侧市场开始，单一买方的电力市场模式下，竟价过程主 6 第一章绪论 要在发电商之间展开，然而经济学原理告诉我们在竞争引入到处于管制下的行业后，市场力依然是 个阻碍市场发展的重要问题“”，特别由于电力商品妁特殊性，在由于网络约束而与外界隔离的区域 电力市场中，发电企业拥有可能性更大的市场力行使机会h ”，滥用发电商市场力的一个生动例子 就是加州电力市场在2 0 0 0 年5 月到2 0 0 1 年1 月间出现的异常高的价格，其他因素如供求矛盾，恶 劣天气等也造就了这场危机 4 1 5 6 , 5 7 1 ，进而b o l l e | ”】，g r e e n 和n e w b e r y t 5 9 1 预见了英格兰和威尔士电力 市场中所存在的市场力，研究澳大利亚，新泽西的电力市场文献也指出了市场力在这些区域内的存 在“j ，瑞典电力市场由于对市场力问题的日益关注引发了其电力市场改制以降低电价和促进生产 力发展j 。文献【6 3 】指出发电公司通过操纵机组容量抬升电价，可以是物理上的操纵( 只报一部分 容量) ，也可以是经济上的操纵( 让部分容量报价很高) ，从而抬高合成供给曲线，获得超额利润，导 致电价上扬；文献 6 4 - 6 7 1 认为电力联营体模式( p 0 0 1 ) 相对于电力这种商品而言，天生的存在缺陷， 它无法鼓励竞争，相反的却很容易导致市场参与者之间由于日复一日的同样的竞价投标活动而达成 不成文的默契( t a c t i ce x c h a n g e ) ，实施市场力的影响，从而操纵市场；文献 6 8 7 0 】指出了统一出清电 价机制对发电商通过持留容量而行使市场力的激励作用，文献【6 8 ，6 9 还专门分析了发电商市场份额 的大小和其市场力的关系。 在这种背景下，提高电力需求客户的价格弹性，即在发电市场竞争中引入需求响应成为提高发 电市场运行效率、降低发电商市场力和提高系统可靠性的一个经济手段1 7 1 1 ，受到越来越多研究者 的注意；文献【7 5 】中，l t a y l o r 对电力需求价格弹性进行了基本理论的描述；文献【7 0 】指出引入负荷 弹性( 或需求侧价格响应) 可以降低发电商持留容量的成本收益率，因而负荷弹性就成了反市场力 机制设计的一个重要部分；文献 7 1 ，7 6 - 7 8 改变了以往用垂直的需求曲线来模拟电力用户而改用需 求函数的反函数来表达接于传输网络中负荷节点上的电力需求用户来研究发电商市场力问题； b o r e n s t e i n 和b u s h n e l l 在文献1 7 9 中进行了一系列的抑制市场力行为的需求弹性调整仿真试验，认为 - 0 1 ，- 0 4 1 0 是能够代表短期和长期负荷需求弹性量值；文献 s o 一8 2 1 指出电力需求弹性值在工业、 居民和商业用户中有不同值且消费者的收入水平也和电力需求弹性相关；文献【8 3 】分析了电力市场结 构对电力需求弹性的影响，用自弹性和交叉弹性矩阵描述了用户的用电行为：文献 s 4 i 对我国零售电 力市场的弹性系数进行了研究，提出了一种简化的求取方法；文献f 8 5 】 人为理想的电力市场，需求侧 应和发电侧一样有机会参与市场竞争，提出通过调节用户取暖和降温负荷改变负荷曲线弹性的思路 并提供了一个综合方法进行可控制负荷预测和获得最优控制策略；文献 8 6 s 8 详细分析了在电力市 场中；l 入需求响应的战略作用；文献【8 9 】考虑了在具有需求方投标的电力市场中，将需求方投标纳入 发电商线性供应函数均衡中，考虑需求波动情况下，推导出了整个市场均衡点的迭代求解算法，并 通过算例说明了需求投标对发电商纯策略线性供应函数均衡的影响；文献 9 0 】预见到了在我国将解除 管制的重点放在发电侧引入竞争的市场机构和运行机制是不健全的，说明了需求侧管理是保证电力 工业长效可持续发展的重要手段，针对我国电力工业发展现状，对需求侧管理的实施机制进行了初 步探讨；文献1 9 1 在对系统边际电价法引发的市场问题的根源分析基础上，研究了需求侧参与的电力 批发市场定价理论，根据我国情况提出了区域电力市场需求侧参与批发定价的双侧市场模式。 1 3 。2 主篚量市场中需求竞价及需求侧竞价策略 目前对电力市场中竞价问题的研究主要是围绕着发电商在各种条件下的竞价策略展开，需求侧 7 东南大学博t 学位沦文 竞价及需求侧竞价策略还处于起步阶段，这方面的文献相对较少，很多是将发电竞价中的相关内容 延伸到需求侧竞价的研究中，但是我们有理由相信，随着电力市场进一步放开，供电公司和大用户 会逐渐被允许直接进入批发市场买电，实行竞价购电，在市场各购电成员之间引入竞争成为电力市 场今后的发展趋势。目前，发电商最优竟价策略的研究主要可分为：基于成本的方法，基于最优化 的方法、基于博弈论的方法和基于人工智能的方法。其中，博弈论 9 2 “1 描述了个体市场参与者之间 的相互策略影响作用，市场参与者之间的博奔行为将影响市场运行结果，因此博奔论时常被用来