应用非线性互补方法的电力市场均衡分析

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 supplyfunction 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 equilibriumconstraints，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，本论文在计及输电约束的基础上，研究用户响应价格的程度对市场均衡结果的影响，建立了一个考虑跨时段负荷响应的电力市场多时段LSFE模型。该均衡问题也可归结为一个EPEC问题，可利用非线性互补方法求解。给出的算例证明了该模型的合理性，并且表明：跨时段负荷响应对用电需求可以达到“削峰填谷”的作用，同时可以缓解由于阻塞造成的用电不合理分配，从而提高全系统用户的总体利润，达到鼓励用户合理安排用电的效果。另一方面，跨时段负荷响应的引入可有效抑制发电商的市场力，降低整个市场的均衡价格，并且跨时段负荷响应程度越大其效果越明显。这也是本论文的一个主要创新。第四，针对电力市场中出现的更加开放的双边交易模式以及区域电力市场的组建趋势，本文建立了一个计及输电网络约束的区域双边电力市场LSFE模型。该均衡模型中采用一种基于线性直流潮流模型的传输阻塞定价机制，并引入了多个套利者来消除电力市场中的不合理节点价格差。对于均衡模型求解中出现的非线性互补问题，采用非线性互补方法求解。利用30节点的IEEE测试系统作为算例，验证了模型和算法的有效性，而且表明：不论网络的阻塞程度如何，套利者的出现均可以起到降低市场电价、限制发电商市场力的作用，同时有利于整个市场社会福利的提升和消费者的利益。这是本论文的又一个主要创新工作。 最后，面对当前国内外电力市场的实际运营要求，在计及输电网络约束的基础上，研究发电商在策略性远期合同市场和现货市场中的联合竞争问题。采用L,SFE模型来描述发电商在现货市场的竞争行为，用古诺模型来模拟其在策略性合同交易中的竞争行为，建立了一个两市场的联合均衡模型。该模型可归结为一个EPEC问题，可用非线性互补方法求解。通过一个3节点算例验证了模型的合理性和算法的有效性，并且表明：不论输电网是否阻塞，发电商都将自愿参与策略性远期合同交易，从而可使整个市场均衡价格下降，有效地抑制发电商的市场力。当输电网没发生阻塞时，具有成本优势的发电商更愿意通过现货市场来获利。而当输电发生阻塞时，处于阻塞有利地位而更具有地方市场力的发电商，更趋于通过合同市场来牟利。整个市场的策略性合同份额还与市场需求弹性和发电成本密切相关。这也是本论文的主要创新性工作之一。

目录

文摘

英文文摘

声明

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发电市场的均衡模型

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

作者攻读博士研究生期间公开发表或录用的学术论文

附录

致谢