电力市场与电力系统交互动态仿真

摘要

现有国内外电力市场的研究工作大多局限于电力市场或电力系统的某一环节或局部的功能模块，没有全面深入地研究电力市场与电力系统的内在联系和交互影响，缺乏完整计及参与者策略博弈行为、市场规则和监管行为，真实地反映电力市场与电力系统交互动态行为的仿真工具。为了研究电力市场的稳定性，除了要正确描述各参与者的投资行为和利润，以及可用发电容量和可用输电容量的变化外，还必须正确反映电力市场经济动态、市场机制和监管对短期交易内电力系统稳定性和市场长期内电力系统稳定性的影响，以及电网阻塞对电力市场运营的制约。 本文的研究工作正是来自当前实际电力市场工作的迫切要求，最终目的是为电力市场研究提供仿真研究平台，通过电力市场环境下的实验仿真，为市场决策提供技术支持。 分析电力交易市场、投资市场与电力系统的功能关系及其数学描述，借鉴实验经济学方法，将电力市场中能用数学模型表达的环节表达为数学模型，而将参与者的主观行为、市场规则、市场监管行为作为数学模型的输入，在实验环境中动态地交互。定义失稳风险，将输电动态阻塞对交易的物理制约转化为经济上各交易应承担的输电风险。在此基础上，建立电力市场动态过程的仿真器平台，实现电力市场与电力系统动态仿真，并采用市场调节的预交易阻塞管理模式实现电力系统技术问题与电力市场经济问题的协调。 以交易的时间步长对经济系统的动力模型积分。在一个交易步内，先由各参与者预报价、出清并确定发电分配后，得到电力系统的一个运行工况。对该工况下的电力系统进行各种安全稳定性分析，确定其(静态及动态的)阻塞代价并分摊到各节点，再由各参与者调整报价。当预交易的迭代满足一定条件(如阻塞消除且参与者接受协调结果)时，该交易时间步完成，转入下一个交易时间步。为探讨规则改变的内容及时刻对市场稳定性的影响，仿真平台为调度运营部门和监管部门提供修改各种市场规则和参数的可能性。 在对经济系统仿真一步的过程中，物理系统的仿真是停止的。经济系统每仿真一步，就被挂起，并启动物理系统的仿真。后者针对该特定工况，分别针对每个故障分析电力系统的稳定性，并将功角、电压、频率等各种风险代价分摊到各节点，将电力系统的物理约束问题转换为经济信号。当各节点的输电电价被修正后，物理系统的这次仿真就结束了，而经济系统的仿真被唤醒。 对于不满足热容量限制的交易方案，以最经济的方式调整参与者成交量，确定对应的静态阻塞代价，并基于“谁引起、谁支付”的原则，合理摊派。对于注入功率向量引起的动态阻塞风险，可按照识别的失稳群合理摊派阻塞风险。 交易市场的运营直接影响参与者的利润积累，后者又影响投资者的决策取向，决定了电力市场新增可用发输电容量的大小与分布。各参与者根据其资本积累、投融资信息和投资决策模型做出发电投资、设备退役、电网投资、资本运作等方面的决策。这些决策相应地改变了此后的物理系统和经济环境。 经济系统的仿真提供了市场激励信号，引导参与者在交易市场和投资市场上的博弈，经过建设时延后影响可用发电容量及其分布，以及电网结构及其稳定性。 发电策略报价环节中，能量市场与备用容量市场的耦合以及发电市场力分析至关重要。文中探讨了能量市场与备用容量市场的市场出清耦合关系，给出了反映能量市场与备用市场出清价格的耦合关系表达式。指出：能量市场的出清价格不仅与能量市场的报价有关，也与备用需求和备用市场报价有关；备用市场的出清价格不仅与备用需求和备用市场报价有关，也与能量市场的报价有关。针对发电市场力行为，通过分析机组最优报价和发电公司最优策略，得到了发电公司实施发电市场力的途径和条件。最后，定义了发电市场力指标系数，以评估发电公司抬高自身报价获取实施操纵市场的能力。基于静态博弈理论，分析了电力市场中的发电投资行为和发电资本市场投资行为，提出了基于静态博弈的发电投资数学模型和发电资本市场投资数学模型。模型中采用投资利好评估函数，评估新增机组容量对交易市场各发电厂商累积利润的影响。各发电厂商依据各自的可用资金、投资期望回报率，作出各自的最优投资策略。 借助电力市场与电力系统交互动态仿真平台，采用模拟的实验环境(市场规则，报价策略，投资策略)以简化仿真对参与者交互参与的要求，从交互动态仿真角度入手，研究了发电容量长期充裕性的动态演变过程。在此基础上，剖析了容量长期振荡的机理，研究了发电建设时延、容量审批和个体投资博弈行为等因素对发电容量长期动态振荡周期和幅度及市场集中度的影响，得到了以下有益的结论： ①由于多种不确定因素的存在，投资决策时刻决策的容量规模无法与实际未来容量需求相匹配，导致发电容量长期动态振荡。 ②发电容量长期动态振荡周期与容量建设时延有关，振荡幅度与投资决策容量规模与实际未来负荷需求不匹配程度或投资者的策略投资行为引起的过投或不足幅度有关。 ③发电建设时延越短，相同的投资行为规律下，容量备用振荡周期越短，振荡幅度也越小，由振荡态过渡到由各参与者投资规律所确定的均衡状态所需时间也越短。 ④设置合适的年最大投资容量限额量，可以抑制发电容量投资的投资过剩行为，减小发电容量振荡幅度。但在抑制发电容量投资过剩行为的同时，也有可能恶化市场结构，使市场集中度加大，不利于维持交易市场竞争充分性。 ⑤容量充裕时段内，投资者决策时降低或提高其期望投资回报，在恶化或改善后续时段容量动态过程的同时，也改变了市场结构，影响了市场集中度。容量均衡时段内，投资者决策时降低或提高其期望投资回报，则又会引起新的容量振荡。 讨论了阻塞和输电可靠性的关系，从阻塞管理问题的描述、数学模型、目标函数、约束条件和控制变量诸要素出发，分析不同类型、不同时间尺度的阻塞管理问题。深层次地认识和诠释阻塞管理的本质、阻塞定价和阻塞成本的分摊，评述国内外在阻塞管理方面的研究现状和发展方向。 最后，借助动态交互仿真平台，研究了输电环节动态阻塞风险及分摊、动态阻塞风险的影响因素及其对电力市场各环节的影响，揭示了物理的输电稳定阻塞与经济的市场交易的相互影响，给出了计及动态阻塞的输电定价方法。仿真结果表明：公布输电动态阻塞风险值，并辅以适当的输电监管措施，使机组在报价中考虑输电动态成本，市场调节的预交易阻塞管理模式可以公平、透明地引导消除或减轻输电动态阻塞。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1电力市场的研究概况

1.1.1发电侧竞标

1.1.2输电定价问题

1.1.3市场力辨识和市场监管

1.1.4市场环境下电源和电网建设问题

1.1.5电力市场稳定性问题

1.2电力市场与电力系统交互动态仿真研究的方法

1.3电力市场与电力系统交互动态仿真研究的意义

1.4本文工作的主要内容和创新点

第二章 电力市场与电力系统交互动态仿真设计

2.1引言

2.2经济环节与物理环节的交互动态仿真

2.3交互动态仿真平台

2.3.1电力交易市场模块

2.3.2资本市场模块

2.3.3电力系统稳定分析模块

2.3.4电力市场稳定分析

2.4电力市场与电力系统的动态模型

2.4.1电力交易市场数学模型

2.4.2电力资本市场数学模型

2.4.3电力系统的数学模型

2.4.4输电费用

2.5市场调节的预交易模式

2.6博弈行为在市场仿真中的参与

2.7结语

第三章 能量市场与备用市场耦合及发电市场力分析

3.1 引言

3.2双侧开放市场中单独能量市场出清模型

3.3双侧开放市场中能量市场与备用容量联合出清模型

3.4可中断负荷参与备用的能量市场与备用容量市场联合出清模型

3.5发电市场力分析

3.5.1机组最优报价策略

3.5.2发电公司最优报价策略

3.5.3经济容量持留引起的发电市场力分析

3.5.4物理容量持留引起的发电市场力分析

3.5.5发电市场力度量

3.6结语

第四章 输电阻塞及其市场管理

4.1引言

4.2阻塞的市场化管理问题

4.3利用网络可调元件和可控参数的阻塞管理要素

4.3.1问题描述

4.3.2数学模型

4.3.3目标函数

4.3.4约束条件

4.3.5控制变量

4.4基于市场机制调整或削减发电计划的阻塞管理要素

4.4.1问题描述

4.4.2数学模型

4.4.3目标函数

4.4.4约束条件

4.4.5控制变量

4.5阻塞成本分摊

4.6输电阻塞管理问题的新进展

4.7结语

第五章 输电动态阻塞的风险及分摊

5.1引言

5.2动态仿真交互

5.3输电动态阻塞的风险及分摊

5.4市场调节的预交易阻塞管理

5.5输电动态阻塞对电力市场的影响

5.5.1输电动态阻塞对短期交易的影响

5.5.2预交易迭代的经济激励

5.5.3直流满载运行下阻塞监管措施对电力市场的影响

5.5.4直流传输功率依负荷水平指定下阻塞监管措施对电力市场的影响

5.5.5输电动态阻塞监管措施对市场影响的机理分析

5.6计及动态阻塞风险的输电定价

5.7结语

第六章 发电投资策略研究

6.1引言

6.2发电投资过程分析

6.3完全信息静态博弈的发电投资

6.3.1数学模型

6.3.2发电投资博弈求解

6.3.3迭代法求解过程

6.4不完全信息静态博弈的发电投资

6.4.1收益评估函数为有限类型的静态贝叶斯模型

6.4.2收益评估函数为分布函数的静态博弈模型

6.5完全信息静态博弈的发电资本市场投资

6.5.1发电资本市场投资数学模型

6.5.2发电资本市场投资求解

6.6技改投资的处理

6.7结语

第七章 发电容量长期动态的仿真

7.1引言

7.2交互动态仿真平台简介

7.3电力市场中发电容量长期动态仿真

7.3.1备用和合同市场的报价策略

7.3.2现货市场报价策略

7.3.3发电容量投资

7.3.4发电容量长期动态仿真

7.4发电容量长期振荡机理

7.5模型参数对长期动态的影响

7.5.1发电建设时滞的影响

7.5.2容量投资监管的影响

7.5.3个体恶意投资行为的影响

7.6结语

第八章 结论与展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间的发表论文