应用非线性互补方法的电力市场均衡分析

论文摘要

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;Pool模式下的基于直流潮流输电约束的电力市场均衡分析;计及输电约束和跨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（KKT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,考虑到竞标联运（bid-based-pool, BBP）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BBP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（linear supply function equilibrium, LSFE）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KKT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（mathematical program with equilibrium constraints, MPEC）,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（equilibrium problem with equilibrium constraints, EPEC）,可利用非线性互补方法求解。通过3节点系统算例和IEEE 30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,

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 本论文的研究背景
• 1.2 国内外相关领域的研究现状
• 1.3 本文的研究内容与主要贡献
• 第二章 求解复杂均衡模型的非线性互补方法
• 2.1 引言
• 2.2 KKT 条件与互补问题
• 2.3 非线性互补函数和非线性互补方法
• 2.4 求解复杂均衡问题的非线性互补方法
• 2.5 改进的Levenberg-Marquardt 算法
• 2.6 非线性互补方法在电力系统中的应用
• 2.7 对本文求均衡解方法的一点说明
• 2.8 本章小结
• 第三章 计及输电约束的Pool 型电力市场均衡分析
• 3.1 引言
• 3.2 发电市场均衡模型
• 3.3 均衡模型的求解问题
• 3.4 算例分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 考虑跨时段负荷响应的电力市场多时段均衡分析
• 4.1 引言
• 4.2 考虑跨时段负荷响应的均衡模型
• 4.3 均衡模型的求解问题
• 4.4 算例分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 计及输电约束的区域双边电力市场均衡分析
• 5.1 引言
• 5.2 区域双边电力市场均衡模型
• 5.3 均衡模型的求解
• 5.4 算例分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 计及输电约束的电力远期与现货市场联合均衡分析
• 6.1 引言
• 6.2 远期合同市场和现货市场的联合均衡模型
• 6.3 联合均衡模型的求解
• 6.4 算例分析
• 6.5 本章小结
• 第七章 全文总结与展望
• 参考文献
• 作者攻读博士学位期间公开发表的学术论文
• 附录
• 致谢
• 发表意见书
• 博硕士学位论文同意发表声明