（电力系统及其自动化专业论文）考虑发电容量持留的电力市场稳定性研究.pdf

摘要 在电力市场环境下，如何保证充裕的发电容量以维持可靠的电力供应是需要解 决的核心问题之一，而发电商持留容量会人为造成电力供应紧张、电价飞升等诸多 严重危害，危及电力市场的稳定。针对这种情况，本文首先分析了市场中发电商存 在持留行为的根本原因以及m c p 机制下发电商发生容量持留行为的条件，并提出 了衡量市场持留严重程度的新指标，进而探讨一系列的抑制措施。然后考虑供电公 司实施多质量等级电能供应和电能按质定价，并将电能成本和用户的需求都与电能 的质量水平直接联系起来，研究了发电商的持留激励。最后建立了考虑发电商持留 的电力市场动态模型并探讨了市场的均衡点，算例结果验证了该模型的有效性。 关键词：电力市场，统一出清价，持留，弹性，抑制措施，按质定价，动态模型 a b s t r a c t i l lp o w e rm a r k e t ，o n eo fn u c l e 盯m a t t e r si sh o wt oa s s u r es u 伍c i e n tc a p a c i t yt o m a i n t a i ne l e c t r i cp o w c rs u p p l y ，w h e r e a sg e n e r a t o rc a p a c i t ) rw i t l l h o l d i n gw i l lt e n s i o n e l e c t r i cp o w e rs u p p l y ，f o r c eu pe l e c t r i c i t yp r i c e ，e t c ，a n de l l d a i l g e rp o w e rm a r k e t s t a b i l i t ) r b a s e do nt h i ss t a t l l s ，t h i sp a p e rf i r s t l yd i s 饥s s e s 也ep r i m ec a u s ea n dt h e c o n d i t i o no fg e n e r a t o fc a p a c i t yw i t l l l l o l d i n gu i l d e rm c p ，p u t sf 0 唧a r dan e wi n d e xt o w e i 曲也ed e 蓼e eo fw i t l l l l o l d i n g ，a n de x p l o r e s8 0 m ec o n t r o l l i n gm e a s u r e sa c c o r d i n g l y t h 髓i tm a l ( e sp o w e rc o s t 觚dc u s t o m e rd e m a n da s s o c i a t e dw i t hp o w e rq u a l i t y1 e v e l ， 锄a l y s e st l l ep o w e rd e a l i n gq u 觚i t y ，也e l ld i s c u s s e st h ei n c i t a t i o nt 0g e n c r a t o rc a p a c i t y w i t h h o l d i n gc o n s i d e r i n gt r e n df o rm eu t i l i t yt op r o v i d ep o w e rw i t l lm u l t i q u a l i t y 锄dt o p r i c ep o w e ra c c o r d i n gt oq u a l i t y f i n a l l yi t e s t a b l i s h e sd ”a m i cm o d e la n dd i s c u s s e s m a r k e te q u i l i b r i u m ac a s es t u d yi sg i v e nt ov e r i 毋t h ep r o p o s e dm o d e le m c i e n c y y a n gj i 撕h u a ( p o w e rs y s t 锄a n di t sa u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o l ig e n g y i n k e yw o r d s ：p o w e rm a r k e t ，u n j f o r mc l e a r i n gp r i c i n g ，啊r i 翻h h o l d i n g e l a s t i c i 饥 c o n t r o u i l l gm e a s u r e s ，p r i c i n ga c c o r d i n gt oq u a l i 够，d y n a m i cm o d e l 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文考虑发电容量持留的电力市场稳 定性研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究 工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其 他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。 学位论文作者签名： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文：学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不 同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 堑星笙导师签名： 日 彦京移谤像记 期：兰盟! 兰：堕 华北电力大学硕士学位论文 1 1电力市场的发展概况 第一章绪论 1 1 1 国内外电力市场的发展状况 电力工业市场化改革在国外已经历了近3 0 年的实践，目前仍处在不断研究探 索和完善之中。英国的电力市场在运行了8 年之后，针对因发电公司市场控制力太 强而出现的投机报价问题，已经进行了第二阶段的改革，新的电力市场规则于2 0 0 1 年制定实施。美国加州电力市场因为不恰当地管死了销售电价而放开发电批发电 价，从而导致供不应求，电价急剧上升，造成了两个供电公司破产，出现了第二次 世界大战后的第一次分区停电，。发生了严重危机。我国是发展中国家，正在进行社 会主义市场经济改革，电力工业作为基础产业，既要实现快速发展，又要推进市场 化改革，情况复杂，任务艰巨。相应地，我国的电力市场竞价规则必须立足于自身 特点，而不能照搬照抄。电力市场不仅是一个体制与技术相结合的课题，也是电力 企业与整个国家受益的必然趋势。 ( 1 ) 国外电力市场发展简况 实行电力市场最早的国家是智利，起步于2 0 世纪7 0 年代末。其目的在于消除 国有企业的腐败、低效和缺乏资金的情况。1 9 8 2 年智利正式颁布了新电力法，以 法律的形式确立了输电系统向所有发电厂及用户开放的原则，打破了地区垄断，正 式启动了合同电力交易和实时电力交易的方式，把电力企业推向了竞争市场。 英国的电力市场的发展可以分为三个时期【2 】：第一个时期是以电力库( p 0 0 1 ) 运行模式为特征，称为电力库时期；第二个时期是以实施新电力交易协议( t l l e n e w e l e c t r i c i t yt r a d i n ga r r a n g e m c n t ，n e t a ) 为标志，以发电商与用户可签订双边合同 为特征，称为n e t a 时期；第三个时期是以实施英国电力贸易和传输协议( t h eb r i t i s h e l e 硎c i t yt r a d i n g 髓dt r a l l s m i s s i o na r r a n g e m t s ，b e n a ) 和全英国的电力系统归 一家公司统一经营为标志，称为b e t t a 时期。p 0 0 l 是一个日前市场，批发电价是 在日前确定的。根据机组的竞价信息，所有机组将按照竟价的高低进行排队。然后， 根据负荷预测信息，并考虑到系统备用要求，进行机组组合。在交易当日，国家电 网公司作为系统调度员负责实时调度，以保证发电和用电之间的平衡。n e t a 是以 双边合同为核心的市场模式，在这种模式下绝大多数电能交易( 大于9 0 ) 是通过 签订双边合同方式实现的。之后在短期现货市场交易中调整合同电量和实际电量之 间的偏差。 美国的p j m 电力市场是联营市场成功的典型【3 】，是北美地区最大的互联电力系 1 华北电力大学硕士学位论文 统，也是全世界第四大集中调度的互联电网。p j m 电力市场被划分为日前市场、期 货市场、实时市场和零售市场。日前市场中，市场成员在每天8 ：o o 一1 2 ：0 0 向市场运 行部提交第二天的投标计划；1 2 ：o o 1 4 ：o o 市场运行部结合系统有关信息对各成员的 投标计划进行评估，选择最有效、经济的运行方式，并在每天1 4 ：o o 1 6 ：o o 向各成 员通报评估结果；之后直到第二天8 ：o o ，还可以根据系统经济性、可靠性等方面的 要求做一定调整。实时市场实际上是一个平衡市场，它是为解决系统突发事故、网 络阻塞、市场结算困难而设立的。 目前，北欧电力市场已经建立了一个完整的交易体系，市场竞争性得到充分体 现。北欧电力市场的基本框架是电力批发市场和电力零售市场相结合的市场体系。 电力批发市场包括四个主要组成部分：一是柜台交易市场；二是双边市场：三是北 欧电交所，包括北欧电力现货市场、北欧电力平衡市场和北欧电力金融市场；四是 电力实时市场。 从以上几个国家的电力市场模式来看，各国的电力市场都存在着类似期货交易 的长期市场和类似现货交易的短期市场的结构，并且短期电力市场中又都包含一个 提前市场和一个实时的平衡市场。 ( 2 ) 国内电力市场发展简况【4 】 随着我国社会主义市场经济体制的建立，电力工业中引入竞争机制，走向市场 化，已成为大势所趋。近几年来，我国已经开始了电力市场的准备工作，例如，建 立电费计量系统、实行峰谷分时电价和建立模拟电力市场，积极开展“厂网分开， 竞争上网”改革试点工作，并在浙江、上海、山东、黑龙江、吉林、辽宁6 个省开 展了试点工作。实践表明，试点工作成绩显著，对进一步深化改革起了积极的推动 作用。 华东区域电力市场从2 0 0 3 年6 月开始进行建设试点。2 0 0 4 年5 月开始月度竞 价模拟运营。2 0 0 6 年4 月进入试运营阶段，并于2 0 0 7 年1 月1 日正式进入试运营。 在从2 0 0 6 年1 2 月2 0 日至1 2 月2 6 日2 4 点的调电试验中，共有7 0 多家发电企业， 2 0 0 多台机组参与了市场竞争，竞争容量约为6 0 0 0 万千瓦，采用“全电量竞争加差 价合约的市场模式，按市场价格结算的电量约占总电量的1 0 。华东电力市场采 用了发电年度合同、月度竞价交易、日前竞价交易、实时平衡交易相结合的市场运 营模式。 我国电力体制改革的总体目标是建立全国统一、竞争开放、规范有序的电力市 场。我国能源资源分布的不平衡性，决定了必须在全国范围内优化电力资源配置， 加快电网建设，推进全国联网。我国正在经历大电网的互联过程，随着西电东送南 北互供形式的发展，2 0 0 5 年末己基本形成全国联网。这既是世界电力发展的共同规 律，更是我国能源资源和负荷中心分布的特点所决定的。同时，我国幅员辽阔，为 了使电网管理、市场管理与电网调度更为有效，必须实行统一调度下的分级管理， 2 华北电力大学硕士学位论文 各负其责。既有整体的统一性，又有管理上的分层性，这就是我国发电、电网调度 和电力市场的管理格局。 综上所述，电力市场化运营是电力工业发展到一定阶段的必然要求，已经成为 世界电力行业的共同发展趋势。其根本目的是将电力工业纳入全社会资源优化配置 链，以市场机制全面提高电力工业的投资和运行效率。电力市场的本质是将电力交 易过程中的一切条件都转化为单一的货币单位来衡量，并且其价格由市场决定，从 而使资源优化配置得以实现。只要保证上述理念得以实现，电力市场的组织形式完 全可以因时、因地、因网而多种多样。 1 1 2 电力市场改革的目标模式 电力工业从一体化垄断模式向竞争的市场模式转变是一项艰巨而复杂的任务， 必须根据本国电力发展已形成的特点选择适当的模式，经过研究论证，制定目标明 确的计划，并在法律法规的支持下，逐步有序地实施。电力工业市场改革的最终目 标是最大限度地利用市场手段来提高电力工业生产效率，降低电力生产和供应成 本，实现资源的优化配置。而就目前电力工业发展程度和相关社会经济环节来看， 这一目标需要分阶段逐步来实现。通过在电力生产的不同环节逐步引入竞争，充分 考虑已形成的电力供应特性和电力网络结构，结合电网未来发展格局，分级构筑市 场结构，选择并制定适当的市场运营机制，建立健全市场管制体系，使电力市场改 革平稳地向前发展。综合各方面研究的成果，可将电力市场的发展分为4 个阶段， 即垂直垄断阶段、单一购买者阶段、电力批发阶段和零售竞争阶段，见表1 1 。 表1 1 实现电力市场的3 个阶段 1 2 课题的研究意义 自2 0 世纪7 0 年代以来，世界范围内的电力行业进行了体制改革，由传统的发、 3 华北电力大学硕士学位论文 输、配垂直一体化的垄断运营逐步向竞争运营转变，将电力运营模式解捆为多个发 电实体、独立输电系统和多个配电服务实体，这些改革导致了电力行业的市场化运 营。电力工业市场化改革的目标是通过竞争实现资源的优化配置，提高电力工业的 生产效率，并最终降低用户电费，即实现电力工业的社会福利最大。电力市场是历 史发展的必然，本质是在电力工业内部引进竞争，促进电力公司生存与发展的良性 循环。 在传统的电力工业中，电力公司一般要保证充足的发电容量，而在电力市场环 境下，政府或监管机构不再保证发电投资的回收和合理的投资回报，相应地，发电 公司也不再承担保证充足的电力供应的责任。因为电力市场更接近寡头垄断市场而 非完美竞争市场，具有相当强的市场进入壁垒，这样如何确保足够的发电容量就成 为电力市场理论和实践中需要解决的重要问题。 在电力市场环境下，市场本身的容量短缺和人为的市场力( m a r k e tp o w e r ) ， 如发电商故意在电力需求较高、供应不足的时段安排检修或使发电机停运等，发生 持留( w i t l l l l o l d i n g ) 行为，将给市场拥有足够的发电容量以确保发电市场的可靠性 带来困难。加州电力市场危机的原因之一就是由于管理机构对容量费用的处理不 当，形成高峰负荷时的可用发电容量不足，客观上纵容了发电商通过持留容量人为 地加剧了发电容量的短缺【5 】。 其它一些已经运营的电力市场中，虽然没有出现像加州这样严重的电力危机， 但已显现出潜在的容量问题。在瑞典，从解除管制以来，系统的备用容量大大减少。 这主要是由于经济原因，一些成本高的机组因为在市场中缺乏竞争而逐步退出。在 挪威，新建容量计划被推迟或取消，而负荷在持续增长，电力工业经历了一个从解 除管制前容量过剩到不久以后很可能现容量不足的快速变化。在纽约，自1 9 9 3 年 以来，负荷增长了1 2 2 ，而发电容量仅增加了2 6 。 持留容量( 囤积居奇) 获利是发电商行使市场力的最常用手段，极具隐蔽性， 危害性也最大，它会人为造成电力供应紧张、电价飞升等诸多严重危害。一旦造成 电力的相对短缺，发电市场变为卖方市场，发电商就可偏离成本报高价来获取额外 利润；特别是原先边际机组以外的发电单元，由于电力短缺而使其竞价失败的风险 大为降低，从而可报出高电价并获得上网机会。这将进一步激励所有发电商持留容 量，而且市场供应越紧张，发电商越有可能持留容量，由此形成恶性循环，造成容 量进一步短缺，电价进一步飞升，如不加限制，则市场将失控。 此外，竞争环境下的电力生产、交易与消费发生了根本性的变化，系统运行条 件苛刻而不确定；安全稳定问题越来越突出。发电设备的投资大，风险高，建设周 期长，且难以转产或迁移；发电机组的日常运行和维护需要高级技术和经验丰富的 人才。电力生产中的规模经济效应非常显著，表现在：大功率高效机组的发电成本 要比一般机组低得多，市场份额的分布也比一般商品更集中。这些天然的行业壁垒 4 华北电力大学硕士学位论文 决定了电力市场中发电商的数目不可能像一般商品市场那样众多。每个市场参与者 都追求其利益最大化，技术与经济之间的关系极其密切，传统上可靠性高于经济性 的关系不复存在【6 】。 由于电能生产技术及经济上的特殊性，电力市场以电力系统为物理基础，电力 系统又按电力市场为运营模式，电力市场的经济稳定性既受到电力系统物理稳定性 的制约，又影响着后者。电力市场的稳定性会影响参与市场各方的利益，通过影响 电网的投资和电力系统的发展而影响电力系统的物理稳定性。市场稳定性主要研究 市场的供需、初始条件或参数的变化是否引起市场行为的性质变化，包括短期稳定 性和长期稳定性。两者相互影响、互为依存。 电力市场稳定性问题实质上是一个短期与长期协调控制的风险管理问题，基于 风险的电力市场稳定量化分析方法可实现稳定性与经济性的优化均衡。 综上所述，电力市场设计中具有挑战性的问题之一就是要保证长期的容量充裕 性，因此，研究考虑发电容量持留的电力市场稳定性问题具有重要意义。 1 3 课题的研究现状 1 3 1 发电商容量持留的研究现状 持留容量策略可分为物理持留( p h y s i c a lw i t h h 0 1 d i n g ) 和经济持留( e c o n o m i c w i t h h o l d i n g ) 。从广义上讲，报高价也可视为一种持留，即经济持留。所谓物理持 留是指发电厂商在报价时有意少报部分可用发电容量。其主要表现形式包括：谎称 设备不能或部分不能使用、谎称设备处于检修或需要进行检修以及在有经济效益时 不发电。所谓经济持留是指发电厂商将部分容量不合理地报高价( 远远高于其边际 成本) ，导致该部分发电容量不发电。一般认为容量持留有如下几种表现方式： 对容量进行直接持留，减少市场可用容量供应，以抬高价格，获得较高利润；厂 商报高价，持留电量，减少发电，以获得较高利润；制造堵塞，借助网络约束， 持留电量，以获得较高利润；将高质量的电持留成低质量的电，对质量持留。 市场容量短缺的重要原因是电力供应商持留电力引起的，p 孤lj o s k o w 和e d w 莉 k a l l n 断言递增的边际成本会引起大量持留并导致价格猛涨【7 1 。s t o f t 认为容量持留是 市场力发作的根源 8 】。一般而言，市场力是指市场成员操纵市场价格偏离完全竞争 水平并从中获利的能力，包括卖方市场力和买方市场力。对发电商而言，其市场力 特指其操纵电价高于完全竞争水平并从中获利的能力 9 】。 目前，国内外实际运营的电力市场大多采用统一出清电价定价方式。已有很多 证据表明统一出清价格机制增加了滥用市场力的可能性【l o ，1 1 1 ，文献【1 2 】研究了统一 的边际出清电价机制对发电商且是规模不等情况下的个供应商发电商的持留行为 5 华北电力大学硕士学位论文 和持留均衡的解析解，以及该解与发电商的市场份额和h e r f i n d a h l h i r se _ a n 指标 的关系，并得出每个发电商容量持留的市场临界需求水平，提出了电力市场监督指 标的一级预警负荷水平、二级预警负荷水平和三级预警负荷水平。文献 1 3 】指出为 了限制持留行为，必须定义一些指标来衡量电力市场的持留严重程度，根据报价电 价与报价容量的分布关系定义了衡量市场及机组经济持留行为的绝对指标和相对 指标。文献 1 4 】分析了发电商的持留量与市场上发电商的数目、发电商的相对差异 度指标及发电商的市场份额的关系，确定了市场上发电商不发生持留的市场份额上 限与市场需求和其边际容量段的关系，并通过选取合适的市场临界需求水平确定发 电商市场份额上限。文献【1 5 】指出短期内想从内部成因上消除发电厂商市场力是不 现实的，因而在电力市场设计时必须考虑抑制发电厂商市场力的措施。文献 1 6 揭 示了在很一般的寡头竞争情况下，特别是在电力并不富余的情况下，统一出清定价 体制不能防止默契串谋的发生。文献 1 7 】针对电力市场设计中应充分考虑需求响应 的积极作用，建立了需求曲线线性条件下的需求弹性对单个及个不同发电商临界 及最优持留容量的影响的详细数学模型。文献 1 8 】表明实用当量电价为抑制市场力 提供了全新的机制，使抑制市场力措施在定价机制中内部自律化。作者首次分析了 实用当量电价下，发电商拥有多个发电单元的容量持留行为，发电商勾结的情况与 此类似；其结果表明，即使在这种情况下发电商仍没有持留容量的利益驱动，体现 了当量电价抑制市场力的内在自律新机制。 1 3 2 电力市场稳定性的研究现状 不能保证稳定的系统是谈不上其它品质的。对于电力系统的稳定，传统意义上 的理解是建立在对物理系统稳定认识的基础上的，主要包括功角稳定、电压稳定以 及频率稳定等。随着电力市场的逐步建立，电力投标竞价机制逐渐形成并成熟，一， 种新的稳定逐渐显示其重要性，即电力市场的经济系统稳定。 目前研究电力市场问题的文献大量涌现，大多集中在竞价上网、辅助服务、输 电定价等问题上，与之极不相称的是研究其稳定性的文章却少之又少。对于电力市 场稳定的研究，传统上是建立在经典的经济理论基础上，随着认识的发展，人们发 现电力工业本身的一些重要因素是不同于普通商品市场的，这些因素又是在电力市 场经济系统稳定中不可忽视的，如：由于电能不能大规模的储存，导致电力的发和 用必须同时进行，不能像普通商品那样，通过库存平易市场物价；由于日负荷曲线、 周负荷曲线以及年负荷曲线存在拟周期性的特征，导致电力需求存在周期性的特 征。这两个因素直接与市场的经济系统稳定性相关联，而在经典的市场经济理论中， 缺乏考虑以上因素的成熟研究成果，需要在电力市场研究领域进一步发展相关的结 论。 6 华北电力大学硕士学位论文 2 0 世纪3 0 年代出现的蛛网理论【1 9 1 ( c o b w e bt h e o r e m ) 是一种对市场的稳定性 进行研究的动态均衡分析方法，蛛网理论是分析市场均衡稳定性的经典方法，用来 研究价格波动对下一个周期产量的影响及均衡的变动。其基本假设是：现期需求依 赖于同期价格，而现期供给依赖于前期价格。当供给弹性小于需求弹性时，价格振 荡收敛；当两者相等时，价格出现等幅振荡；当供给弹性大于需求弹性时，+ 价格振 荡发散。当期望的价格不再固定为前期价格时，可将蛛网模型扩展为带有期望价格、 自适应期望价格或二阶差分期望价格的模型。 文献 2 0 】建立了电力市场的微分代数模型，首次提出电力市场稳定性的问题， 并建立了两个一阶微分方程，研究平衡点附近的静态稳定。随后，建立了频率二次 调节与报价的关系模型。其基本假设为：发电商电量增加的速度正比于价格与成本 之差，而用户电量增加的速度正比于收益与价格之差。该文在具体分析时去掉了微 分项，仅研究平衡点附近的静态稳定性问题。但是，文中没有考虑时滞环节，因而 得到的结果与经济学中动态均衡分析的结果有一些出入。其后续研究文献【2 1 】考虑 了频率的二次调节与报价的关系，研究当负荷突然变动时的系统稳定性问题。二次 调频中除了要考虑机组的调节特性，还要考虑到系统的安全和经济性，从而与机组 的报价有关。该文在描述电网特性的微分方程中考虑了电价，但其研究的是在几分 钟内的辅助服务的质量问题，而不是辅助服务市场的稳定性问题。 文献 2 2 根据不同的发电成本和消费函数提出了一种电力市场稳定性的度量指 标，但分析仍局限于均衡态的短期小扰动稳定性。文献【2 3 】建立了电力市场的离散 动态模型，给出了在小扰动下电力市场的稳定性的定义和判据，为了讨论方便，对 模型进行了简化，得到的结论与经济学中运用蛛网理论对市场进行动态均衡分析的 结果一致；文中还对阻塞与市场的稳定性关系进行了研究，通过几个算例的计算、 分析，得到了一些有意义的结论。但文中假设某时段的供应量与该时段及前一时段 的价格有关，而需求量只与该时段的价格有关，并以价格为变量建立了差分方程。 由于这些假设违背了电力市场的特殊规律，故不可能正确反映其稳定性。文献 2 4 】 分析了单边开放电力市场中寡头厂商的行为，讨论了发电安装容量市场的必要性。 文献【2 5 ，2 6 】讨论了电力市场经济稳定性与电力系统物理稳定性的关系，提出 了电力市场长期稳定性的研究课题和思路，分析了电力市场不同于其它商品市场的 特征，并根据交易投资等环节的闭环控制思想建立了电力市场动力学的框架模 型。在此基础上，文献 2 7 】讨论了电力系统物理稳定性对竞争充分性的制约，竞争 充分性对电力市场经济稳定性的影响，及电力市场的运营对可用发电容量和可用输 电容量的影响。文献【2 8 】从传统体制到市场环境之间重构的角度，探讨了电力市场 稳定性和风险管理的问题，并提出了计及风险的电力市场稳定量化分析方法。文献 【2 9 ，3 0 】建立了加州电力市场长期动态的近似模型，定性分析了备用容量、投资、 长期合同、用户侧电价及阻塞等因素对加州电力危机的影响，通过引入电力市场的 7 华北电力大学硕士学位论文 稳定裕度和稳定域概念，用灵敏度技术直接估计各种稳定措施的临界控制量，定量 研究了预防控制、紧急控制和协调控制的效果。 a l v a r a d o 结合市场动态建立了电力市场动态研究模型【3 1 】，而后与m e n g ，m o t a 等人合作，在动态市场模型中考虑电能不平衡因素以及电力系统本身的动态因素得 到新的市场模型【3 2 】。对于上述动态市场模型，a l v a r a d o ，m e n g 及m o t a 等人均利用 数值的特征值方法研究电力市场稳定性。这种稳定实际上为微分方程理论中的平衡 点的l y a p u n o v 渐进稳定。而n g u y e n 认为电力市场的稳定性是指市场状态由一种状 态变为另一种状态的倾向性。根据这种思想n ”y c n 提出一种稳定性度量来考察电 力市场的稳定性。文献 3 3 】结合a l v a r a d o 提出的动态市场模型，在l y a p u n o v 稳定意 义下，从理论上讨论了电力市场的稳定性，并且给出了一系列充分条件来判断电力 市场的稳定性。通过这些稳定性条件，可通过少量的符号计算或不用计算直接由初 始数据判断电力市场模型的稳定性。利用这些稳定性条件，还可控制电力市场的稳 定性。此外，对于a l v a r a d o 给出的一个奇异的不稳定模型，该文从理论上给出了合 理解释。 文献【3 4 】从控制理论的观点，以市场价格作为反馈信号，建立了数量竞争的闭 环模型，并分析了完全竞争市场、古诺竞争市场等不同情况的市场稳定条件。文献 【3 5 】根据电力市场的物理特性，在模型中考虑了电能供需的同时性、市场需求的周 期性以及市场中非连续的投标竞价方式，将市场稳定问题转化为一个非线性、非自 治的周期差分系统的稳定问题，证明了差分系统收敛于唯一有界周期解的条件，并 据此提出了系统最终收敛边界的估计公式。基于文中提出的模型和引理，给出了电 力市场稳定的一个充分条件以及电价最终收敛边界的估计。 1 4 本文的主要工作 从电力市场的发展概况和市场稳定性的基本理论出发；通过对国内外市场稳定 性研究现状的分析可以看出，电力工业市场化的改革过程中面临着许多亟待解决的 问题，影响市场稳定性的因素也很多，其中之一就是市场本身的容量短缺和发电商 的容量持留行为，会引起电价飞升，市场不稳，而电力市场中应拥有足够的发电容 量以平抑电价。 本文在现有研究成果的基础上，针对我国的电力市场发展现状，分析了发电商 容量持留的条件及其影响因素，并讨论了它对电力市场稳定性的影响。 论文的主要工作包括： ( 1 ) 分析了统一出清电价机制下发电商容量持留的根本原因、条件及其影响 因素，并提出了将持留前后的购电费用之比作为衡量系统持留程度的指标，然后探 讨了一系列抑制发电商容量持留的措施。 8 。 华北电力大学硕士学位论文 ( 2 ) 在电力市场环境下，供电公司实施多质量等级电能供应和电能按质定价 是大势所趋。本文将电能成本和用户的需求分别与电能的质量水平直接联系起来， 讨论了考虑多质量等级的持留激励。 ( 3 ) 分析了电力市场稳定性与电力系统稳定性之间的关系，利用已有的电力 市场动态模型，并结合特征值技术来研究了发电商容量持留对电力市场稳定性的影 响。另外，探讨了发电商在市场均衡点附近的持留激励。 ( 4 ) 最后，总结全文，并指出今后需要进一步开展的工作。 9 华北电力大学硕士学位论文 2 1引言 第二章m c p 机制下发电商的容量持留 在电力工业市场化改革的过程中，确定合理的市场机制和结构是建立公平有序 竞争的电力市场的关键。电力工业市场化改革的目标是实现电力生产的社会福利最 大化。由于电力工业的自身特点，市场化后发电商便会从自身利益最大化的角度出 发，进行策略报价从而获得超额利润。电力市场中应拥有足够的发电容量以平抑电 价，而市场本身的容量短缺和发电商人为的容量持留行为将引起电价飞升，市场不 稳定。2 0 0 0 2 0 0 1 年的美国加州电力市场危机和发电商故意持留容量抬高电价有着 紧密的联系。 目前，国内外实际运营的电力市场大多采用统一出清电价( u n i f o mc l e 撕n g p r i c e ，u c p ) 定价方式，市场竞争产生边际清除价( m a r 酉n a lc l e a r i n gp r i c e ，m c p ) ， 这恰是发电商存在持留行为的根本原因。 文献 1 7 针对电力市场设计中应充分考虑需求响应的积极作用，建立了需求曲 线线性条件下的需求弹性对单个及个不同发电商临界及最优持留容量的影响的详 细数学模型。文献【3 6 】基于发电商边际成本曲线，分析了规模不等的个厂商持留 的古诺一纳什均衡，并得到了在边际成本非线性情况下持留的封闭解，表明发电商 的最优持留量与市场总负荷需求成正比，并随着自身份额的增大而激增。 由于发电商的容量持留会导致出清电价的飞升，影响市场的均衡【3 7 t 3 8 】和系统的 稳定运行，必须定义一些指标来衡量电力市场持留的严重程度。已有的考虑持留容 量对市场影响的指标主要有：将经济持留区中的报价和报价容量相乘并求和【l 3 】； 根据不同的发电成本和消费函数提出的一种度量指标【2 2 】；持留后的整个市场 剩余容量相对于负荷需求的充裕程度；市场的差异度指标；基于报价数据的 量价指数方法l ”j 。 本章在前人基础上，首先分析了电力市场中发电商存在持留行为的根本原因， 然后针对电力市场设计中应考虑供需弹性的积极作用，分析了拥有边际机组的单个 发电商容量持留行为发生的条件及其影响因素，并提出了将持留前后的购电费用之 比作为衡量系统持留严重程度的指标职探讨了一系列的抑制发电商容量持留的措 施，最后用算例进行了验证了引入供需弹性可以作为制约发电商利用容量持留而哄 抬电价，危及市场稳定性的有力工具的正确性。 2 2 两种不同的发电商报价行为 l o 华北电力大学硕士学位论文 2 2 1m c p 机制下发电商的报价行为 m c p 定价方法，即发电商向电力交易中心提交次日某一交易时段的最大可用容 量和相应的发电报价，交易中心按发电商的报价从低到高将所报容量进行排序，直 到与该时段预测负荷平衡，确定该交易时段发电机组的边际机组，其报价即为系统 的边际电价也称市场清除价，而所有发电机组均按此电价结算，此时的电量为市场 需求电量。 这种体制与计划体制不同，在电力市场中发电商自主运营，其目标不再是整个 系统最优，而是其自身利益最大化，因而，发电商的最优报价策略应是能使其获利 最大的策略。发电商报价策略的确定，不仅需要考虑负荷需求、自身发电成本、机 组的加载爬坡和启停等问题，还需考虑其它发电商可能采用的报价策略。 在m c p 定价机制下，市场出清电价由边际机组决定。当系统供应紧张时，具 有市场力的发电厂商可以通过持留发电容量使高成本的发电机组进入发电序列，从 而抬高市场出清电价，当高电价带来的利润大于因持留容量而少发电的损失时，就 可以获取超额利润。 2 2 2p a b 机制下发电商的报价行为 p a b 电价方法即按报价支付，其竞价过程与统一出清电价方法相同，但对竞价 成功的发电机组按其报价进行支付。 在加州电力危机之后，之所以会有部分学者和政府官员建议采用p a b 电价方 法，很大程度上在于p a b 电价方法有较好的抑制发电商持留容量策略的特性。在 p a b 定价机制下，发电商持留发电容量之后，虽然高成本的发电机组会进入发电序 列，但是对该厂商的支付电价仍然是其报价( 在考虑产量决策时，暂不同时考虑价 格决策，即发电商容量持留前后报价不变) 。由于单位支付电价未变，而容量持留 之后导致发电量减少，发电商的利润反而下降，故在p a b 电价下，发电商的最优产 量策略是上报所有发电容量，不持留。 可见，p a b 电价方法具有在价格决策市场特性方面的缺点和在产量决策市场特 性方面的优点，两方面都很突出。此外，这一方法明显不能给市场提供经济学信号， 这是它的又一重大缺点。 2 3m c p 定价下的持留激励 目前，国内外实际运营的电力市场大多采用m c p 定价方式。在m c p 定价机制 下，发电商行使市场力的最常见方式是持留发电容量，即在边际机组以下的发电商 可持留一部分发电容量，使原先在最优发电序列以外的高价发电单元进入发电序 l l 华北电力大学硕士学位论文 列，并抬高边际电价；当通过容量持留获得的超额利润大于因容量持留而少发电所 损失的利润时，发电商就会采取持留容量策略。 2 3 1 刚性用户需求时的持留激励 在这种统一价格形成机制的基础上，很多证据已表明m c p 模型增加了滥用市 场力的可能性，如图2 1 所示。阶梯状上升的图形是系统发电商们的报价，由低到 高，在实际过程中，需求曲线往往是无弹性的，垂直线d 是市场的需求曲线，它是 完全无弹性的，由市场的需求决定的边际机组的报价是市场出清价，如图2 1 中的 p 。因此，具有边际下的机组的发电商可以通过持留一定的容量如g ，使较高价格 的机组成为边际机组，这种结果类似于需求曲线向右移动d + g ，从而使市场出清 价格上涨。持留后的发电商从它的其余部分的容量中获得额外利润，也因持留的容 量而损失一部分利润。当持留后的发电商其余的容量所获得的额外利润大于因持留 容量而损失的利润时，发电商将持留这部分容量。 价格 m 数量 o d 图2 1 发电商的报价、市场出清价及市场需求 所以，发电商发现按如下方式持留报价是很有利的：发电商拥有边际下面 的机组越多，持留容量就越多；边际机组单元上面的报价曲线越陡，持留容量 越多越有利；同一发电商拥有两个边际下机组单元时，持留具有较高成本的发 电机组单元更有利。 2 3 2 考虑需求弹性时的持留激励 图2 2 中，阶梯状上升的曲线是发电商 的报价，在实际过程中电力市场下单一买 方的需求往往是无弹性的，在图中采用垂 直线表示。当无发电容量持留时，由需求 决定的市场统一出清价是p 。此时伤是边 际机组，g l 由于边际成本低于市场统一出 清价而获得衄1 的利润。 12 数量 q 图2 2 无发电容量持留的市场供需曲线 华北电力大学硕士学位论文 当某发电商将边际机组容量中的g 部 分进行持留，考虑到需求弹性，用户的需 求必会发生变化，情况如图2 3 所示。 这种结果类似于供应曲线保持不变， 而使完全刚性的需求曲线向右移动g ，从 而使市场m c p 上涨为图2 3 中的p ，。从 图中可以看出，由于市场m c p 的抬高，g 3 此时成为系统的边际机组，这样不仅g l 获 数量q 图2 3 有发电容量持留的市场供需曲线 得了更高的利润，而且g 2 也获得了衄2 的利润，触为社会总的资源流失。持留后 的发电商从它边际机组以外的容量中获得超额利润，也由于持留容量而损失一部分 利润，当持留后的发电商由其余的容量所获得的额外利润大于因持留容量而损失的 利润时，发电商宁愿选择持留容量。由以上分析可见，发电商在遇到以下情况时， 为获得超额利润会持留发电容量： ( 1 ) 当需求缺乏弹性，而且需求曲线和供给曲线相交于供给f h j 线迅速抬升的部 分。 ( 2 ) 发电商拥有边际机组，而且持有的边际机组容量较大。 ( 3 ) 发生持留的发电商可以保证有足够多的非边际机组中标，以获得超额利润 来弥补由于持留容量而带来的利润损失。 观察图2 3 ，同时也注意到，在需求富有弹性的情况下( 图2 3 中的点划线部分) ， 即使发电商存在容量为g 的持留行为，此时的市场出清价和无发电容量持留时的 市场出清价相等，不仅抑制了g l 和g 2 的超额利润，而且也消除了社会总资源流失 足，可见引入需求弹性对发电商持留容量的行为有相当的抑制作用。 2 3 3 简单模型分析 以一个简单模型为例：发电商f 的发电成本为g ，发电容量为局，进行产量决 策的同时不进行价格决策，即按成本报价，设其上报发电容量为b 时的市场出清电 价为p m ，当其持留发电容量衅时，市场出清电价为成。则其持留发电容量的收益 为： 乃= ( 只一鹋) ( 一) 一衅( 岛一q ) ( 2 - 1 ) 若砸 o ，发电商f 会选择持留发电容量，即： ( 曰一号) ( 岛一磊) 一b ( n c ：) o ( 2 2 ) 等 g 时发电商才是有利可图的，才会选择持留容量。因此，第i 个发电商所获得的额外 收益为 弓= j j d 一( 墨d 一留) ( 尸r p ) 因持留容量而牺牲的利润为 q = p 匈一s i ( d 。一d ) 】一j ：一幻( g 邑) 由 ，口 当丝f = g 时，第f 个发电商的临界持留量g 为 ( 2 - 5 ) ( 2 6 ) 名：坚! 笔筹墨型坐 弘7 ， 同时电力必须买现买时的均衡，即供给量等于需求量，有 s = d ( 2 8 ) 根据式( 2 4 ) 可得 巳：等导 ( 2 9 ) 巳2 百石 肾” ：等导 ( 2 - l o ) 。百石 p l w 其中：岛和纫分别表示电力供给弹性和需求弹性，由于需求变动的方向和价格相反， 故印为负值。则有 丛= 半 ( 2 1 1 ) a d = 半 ( 2 - 1 2 ) 又有短期内考虑供给变化量s 和需求变化量a d 不是特别大的情况下j 可以近 华北电力大学硕士学位论文 似认为二者之差就是发电两的持留量g ，即 却= 丛一a d ( 2 1 3 ) 将( 2 - 1 1 ) 和( 2 1 2 ) 代入( 2 1 3 ) 得 匀：坐掣 ( 2 - 1 4 ) 根据式( 2 7 ) 和( 2 - 13 ) 可得 宙竺竺尝；薯掣 弘柳 一2 面函万荔翥一 u 。1 ” 其中：p 0 和e d 表示临界持留时的供给、需求弹性。 当罢孚：尝导时，即得到边际发电商的最优持留量。由于发电厂商的报价曲 d 口d 厶c l 线是根据其发电成本制定的，为了讨论方便，用连续