电力市场价格竞争均衡分析及稳定性研究

论文摘要

全球性的电力工业结构重组和解除管制的市场化改革,使得预测和分析一个给定市场设计的性能成为一个日益重要的课题。一方面是因为对市场实施事后的分析代价非常昂贵,另一方面也是因为研究电力市场的方法越来越丰富。电力工业的特性使得电力市场具有明显的寡头竞争特征,因而采用基于博弈论的各种寡头博弈模型来研究市场参与者的各种博弈行为及其对市场产生的影响成为了一种主流方法。本论文主要涉及各种市场条件下Bertrand静态博弈模型的均衡分析,以及动态博弈模型下市场的稳定性研究。具体而言,本文主要做了如下工作：(1)建立了一个在统一出清(market clearing price, MCP)机制下考虑线路传输容量约束的Bertrand价格竞争博弈模型。按照连接节点的不同将线路分为两种类型,结合功率分布因子和系统总负荷分别描述了这两种线路存在传输容量约束时市场均衡的性质。给出了临界约束区间和临界约束值的概念,用来判断博弈模型均衡点的存在性与均衡价格的高低,并用简单系统验证了博弈模型的正确性与高效性。基于本模型得出的数值参数,在一定市场条件下可以为发电商的最优报价策略提供参考,同时可以作为电网规划、负荷管理及市场行为监控的指标。(2)为了充分发挥具有快速爬坡能力的机组的性能,建立了一个考虑机组自主申报爬坡率的电力市场博弈模型。讨论了传统市场模型中固定爬坡率申报值的弊端和机组提高爬坡率的成本等问题；分析了大发电商降低爬坡率申报值的可能性、带来的后果及限制措施；利用置换法结合图形分析,重点研究了在符合市场运行实际情况的非线性边际成本环境下,发电商提高爬坡率申报值的条件和结果。其Nash均衡结果表明：市场中发电成本和运行容量越低的机组,提高爬坡率申报值的动机越强。这有利于降低市场出清价格和系统购电费用,减少高成本机组的运行与不必要的开停机,促进市场稳定。(3)针对按报价支付(pay as bid, PAB)机制下市场中不存在纯策略Nash均衡的情形,建立了基于概率分布的连续策略Bertrand博弈模型以求解其混合策略Nash均衡(mixed strategy Nash equilibrium, MSNE)。将报价策略区间标准化之后,求出了MSNE的通解。随后针对一类指数形式的报价策略分布函数进行了研究,得到了MSNE的解析表达式,对发电商制定报价策略具有一定的参考价值。通过一个简单算例验证了该模型的可行性与有效性,结果表明：市场份额越大的发电商越倾向于申报高价,成为价格制造者(price maker),抬高市场出清价格；通过拆分可以减少大发电商在市场中所占的份额,从而达到降低市场出清价格的目的,其中等额拆分的效果更好。(4)从均衡价格的角度出发,分析了市场的稳定性。建立了一个用于定性分析的动态博弈模型,结合图形分析,证明了市场的稳定性与均衡点的个数关系密切：当市场仅有一个纯策略Nash均衡点时,均衡是全局稳定的；当市场中存在多个纯策略Nash均衡点时,均衡是局部稳定的,即市场运行并不一定能达到均衡点,很有可能处于振荡中,局部稳定区域由市场成员的发电容量必须运行率(must run ratio, MRR)、初始报价状态等共同决定。(5)建立了MCP机制下的Bertrand动态博弈模型,用于分析电力市场各博弈方的动态决策过程,以及市场在各种运行条件下的稳定性。将市场约束条件所确定的优化问题解的可行集区间转换成为两个便于研究应用的市场参数：MRR和最小理性利润(rational minimum profit, RMP),在此基础上以价格为决策变量建立了具有自我约束能力的差分动态博弈模型。对各种参数条件下的市场稳定性进行了研究。用一个考虑线路传输容量约束的系统验证了该模型的有效性,结果表明用本模型分析比静态博弈分析所得到的结果更深入,能有效的反映市场实际运行的情况,为市场成员的实时竞价策略提供参考意见。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 插图清单
• 附表清单
• 第一章 绪论
• 1.1 电力市场发展概况
• 1.1.1 国外电力市场发展历程
• 1.1.2 国内电力市场发展历程
• 1.2 电力市场理论研究的主要内容
• 1.2.1 电价理论
• 1.2.2 市场机构设置
• 1.2.3 交易类型和交易模式
• 1.2.4 竞价策略
• 1.2.5 市场可靠性、稳定性及风险研究
• 1.2.6 市场监管
• 1.3 电力市场主要研究方法
• 1.3.1 基于经验的方法
• 1.3.2 基于一般性竞争市场理论的方法
• 1.3.3 基于实验经济学的方法
• 1.3.4 基于博弈论的方法
• 1.4 电力市场博弈均衡及稳定性的研究现状
• 1.4.1 博弈的分类
• 1.4.2 博弈模型在电力市场中的应用
• 1.4.3 市场稳定性研究
• 1.5 本文的研究内容与主要工作
• 第二章 考虑线路传输容量约束的Bertrand博弈模型均衡分析
• 2.1 市场博弈模型
• 2.1.1 ISO单时段优化问题
• 2.1.2 发电商决策问题
• 2.2 G-L有容量约束的市场均衡
• 2.2.1 博弈模型分析
• 2.2.2 三节点系统分析与验证
• 2.3 G-G有容量约束的市场均衡
• 2.3.1 博弈模型分析
• 2.3.2 三节点系统分析与验证
• 2.4 讨论
• 2.5 应用
• 2.5.1 输电线路规划
• 2.5.2 负荷控制与市场行为监测
• 2.6 本章小结
• 2.7 附录
• 第三章 考虑爬坡率申报的电力市场博弈均衡研究
• 3.1 爬坡率成本分析
• 3.2 耦合时段爬坡策略分析
• 3.2.1 市场出清模型
• 3.2.2 降低爬坡率申报值策略分析
• 3.2.3 提高爬坡率申报值策略分析
• 3.3 多个厂商爬坡策略均衡
• 3.4 算例
• 3.5 本章小结
• 第四章 PAB机制下市场连续策略的MSNE研究
• 4.1 混合策略市场模型分析
• 4.1.1 PAB市场纯策略博弈模型
• 4.1.2 纯策略Nash均衡不存在的条件和区间
• 4.1.3 混合策略市场模型
• 4.1.4 混合策略纳什均衡概念
• 4.2 两机系统的混合策略纳什均衡分析
• 4.2.1 标准化价格参数
• 4.2.2 两机系统MSNE通解
• 4.2.3 指数形式的分布函数
• 4.2.4 两机系统MSNE的解析表达式
• 4.3 多机系统中的拓展
• 4.3.1 三机系统
• 4.3.2 多机系统
• 4.4 算例
• 4.5 本章小结
• 4.6 附录
• 第五章 电力市场纯策略Nash均衡的稳定性研究
• 5.1 纯策略Nash均衡点描述
• 5.1.1 市场静态模型
• 5.1.2 Nash均衡描述
• 5.2 定性分析的市场动态模型
• 5.3 均衡点稳定性的定性分析
• 5.3.1 稳定性定义
• 5.3.2 均衡点数目和稳定性的关系
• 5.4 应用
• 5.5 本章小结
• 第六章 电力市场Bertrand动态博弈模型及稳定性研究
• 6.1 Alvarado动态模型的应用及其局限性
• 6.1.1 Alvarado动态模型简介
• 6.1.2 应用
• 6.1.3 局限性
• 6.1.4 建模思路
• 6.2 Bertrand动态博弈模型
• 6.2.1 市场静态优化模型
• 6.2.2 MRR与RMP的初步应用
• MRR的Bertrand动态博弈模型'>6.2.3 基于I_MRR的Bertrand动态博弈模型
• 6.3 全局稳定的市场
• 6.4 条件稳定的市场
• 6.5 线路传输容量约束对市场稳定的影响
• 6.6 本章小结
• 第七章 全文总结与展望
• 参考文献
• 攻读学位期间所取得的科研成果