1、第四章 电力市场成员行为,0,电能市场成员行为,基本内容,4.1 简介,4.2 用户行为,4.3 生产者行为,4.4 极低边际成本电厂行为,4.5 混合型参与者行为,4.6 推荐阅读材料,1,电能市场成员行为,4.1 简介,本章将详细研究发电商、用户及其他市场成员的行为，并分析他们是怎样在电能市场上实现利益最大化的。 首先，讨论为什么用户在电力市场中发挥的作用不如发电商，而零售商又是怎样在电能市场上充当中间人这一角色的。 其次，从一个发电公司的角度出发，考察它在完全竞争市场上的行为。 最后，探讨抽水蓄能电厂及其他混合型参与者的电能交易决策，看看它们是如何谋取最大化利润的。,2,电能市场成员行为
2、,基本内容,4.1 简介,4.2 用户行为,4.3 生产者行为,4.4 极低边际成本电厂行为,4.5 混合型参与者行为,4.6 推荐阅读材料,3,电能市场成员行为,4.2 用户行为,微观经济学原理显示，与其他商品用户一样，电力用户会一直增加电力需求，直到他们消费电能所实现的边际收益恰好等于他们需要支付的市场价格为止。 以一个生产装饰品的工厂为例，如果生产装饰品的电能成本太高，出售装饰品不能为它带来利润，那么它就会放弃生产。 一般来说，用户购买新的器械、机器或其他设备会改变负荷消费模式，但因为本章仅涉及用户的短期行为，不考虑电能消费模式变化的情况。,电能市场成员行为,4,电能价格波动,如果各类工
3、业、商业与居民用户每千瓦时用电的价格完全一样，那么他们肯定不会对电能现货价格做出响应。若电能价格发生频繁波动，又会怎样呢？ 随着短期价格的上涨，电力需求确实会下降，但是下降的幅度非常小。电力需求的价格弹性低。 竞争性市场上的电能价格会在一定范围内波动。,电能市场成员行为,5,电力需求弹性低的原因,电力用户需求弹性低主要是受到两种经济与社会因素的影响。 首先，电能成本仅在大多数工业产品的生产成本中占很少一部分，也只占大多数家庭用户生活成本的很小比例。即使用电成本会发生少量的增加，工业用户也不会很明显地降低电能消费量。绝大多数居民用户也不会为了减少电费，而降低生活的舒适与方便程度。 其次，追溯到电
4、力工业的早期发展阶段，在一个世纪前刚刚出现商业发电时，电力商品就被打上了 “使用方便，容易获取”的标记。很少有人每次在打开电灯前进行成本-利益分析。,电能市场成员行为,6,零售商的行为,如果用户的高峰电力需求至少有几百千瓦的话， 那么零售商雇佣专业人员预测自身的负荷，然后参与电力市场交易购买低价电能，才可能会取得比较明显的收益。 积极参加市场交易对小用户来讲可能得不偿失，所以他们往往更倾向于支付统一价格，也就是每千瓦时电能的价格都一样，每年最多调整几次。电力零售商所做的事恰好填补了批发市场与各类小用户之间的空白。,电能市场成员行为,7,零售商面临的问题,必须按照变动的价格在批发市场上购电，然后
5、再以固定价格向小用户零售。 零售商在高价时段会发生损失，因为此时他支付的购电价格高于收取的电能转售价格。 在低电价时段，他会盈利，原因是他收取的电能转售价格高于支付的购电价格。为了能够持续经营下去，零售商购电价格的电量加权平均值必须低于他向客户收取的电费才行。各电能零售商出售给客户的电能数量以表计读数为准。 如果某一时段所有客户消费量的总和超过他的合同购买量，那么零售商必须按照该时段的现货价格在电能市场上购得相同数量的补充电能。 如果合同购买量超过客户的实际消费量，则视零售商已经通过现货市场上出售了这一差量。,电能市场成员行为,8,减少价格波动风险零售商的行为,尽可能准确地预测出自身客户的电力
6、需求量，然后再在各类巿场上购买与之匹配的电能。 零售商会极力了解客户的电能消费模式。鼓动客户安装表计以记录各交易时段的电能消费量。 如果客户减少在高价时段的电能消费，零售商就可以向他们提供更加低廉的电费。 计及电力需求受到的各种影响，如天气、天文现象、经济、文化以及其他特殊因素，同时采用目前最先进的预测方法进行负荷预测。如果允许用户选择零售商，客户群体不稳定时，零售商很难获得进行准确负荷预测所需要的可靠的统计数据。例题4-1：零售商的行为,电能市场成员行为,9,基本内容,4.1 简介,4.2 用户行为,4.3 生产者行为,4.4 极低边际成本电厂行为,4.5 混合型参与者行为,4.6 推荐阅读
7、材料,10,电能市场成员行为,生产者行为,假设某一发电公司只有一台机组i，它在该时段内获得的利润等于它的电能销售收入与电能生产成本之差， 它的利润最大化决策可以表示如下：maxWi = max pPi Ci(Pi)-Pi是机组i的出力；-p是市场上的电能销售价格；-Ci(Pi)是对应的电能生产成本。最优解的必要条件是：为了实现利润最大化，机组需要调整发电出力，使它的边际收益恰好等于边际成本： MRi = MCi,电能市场成员行为,11,4.3.1 完全竞争,如果市场是完全竞争的（机组的可用出力远小于市场的容量规模），市场价格p不受Pi变化的影响，机组i的边际收益为：若发电商是价格接受者，那么他
8、出售每兆瓦时电能所能实现的收益就是市场价格。 如果边际成本是关于电能生产量的单调递增函数，发电机组可以选择增加出力，直到边际生产成本恰好等于市场价格为止：,电能市场成员行为,12,1. 完全竞争_基本调度,边际成本取决于燃料、维修及其他会随着机组出力增减而变化的成本。与该时段出力不相关的成本（如电厂建设成本分摊、固定维修与人力资源等成本）不会影响边际成本，所以在进行短期生产决策时用不着考虑此类成本。 只要是完全的市场竞争，各机组的发电出力将由上式决定。由于决策所参考的市场价格是给定的，这也就意味着所有发电机组均可以独立安排发电调度。 例4-2：完全竞争下的基本调度,电能市场成员行为,13,2.
9、 发电极限,假设发电机组i的最大发电出力Pimax满足如下条件：该机组肯定会按照最大出力进行发电。 如果机组i的最小稳定出力满足条件：机组此时的发电会面临亏损，所以它唯一的选择是停 机不发电。 例4-3：发电极限对应成本与市场价格之间的对比,电能市场成员行为,14,3. 分段线性成本曲线,为了得到输入输出曲线，需要测量出发电机组在不同出力水平下的输入、输出量。一般来说得不到平滑曲线，如果采用分段线性插值方法进行处理，最终的结果会比较接近于二次曲线形状。,电能市场成员行为,15,分段线性成本曲线,对应的分段常数微增成本曲线,分段线性成本曲线,由于成本曲线的每一段都是线性的，因此边际成本曲线的每一
10、段都是一个常数，那么可以根据电能市场价格对机组进行调度：pMC1,i Pi = PiminMC1,i pMC2,i Pi = e1,iMC2,i pMC3,i Pi = e2,iMC3,i p Pi = Pimax如果市场价格恰好等于边际成本曲线某一段的值，那么在这一区间内可以随意地安排机组发电。间断点上的边际成本等于下一段成本曲线的斜率。 例4-4：分段线性成本曲线,电能市场成员行为,16,4. 空载成本,生产者在进行电能生产决策时， 不会只考虑市场价格与边际生产成本的对比关系。即使机组发电出力恰好处于使边际成本等于市场价格的水平，机组也不一定能盈利。 在安排机组的生产运营时，生产者还必须计
11、及一些类固定成本因素。此类成本只有在机组运行时才会发生，但与机组的实际出力无关。 第一种类固定成本是空载成本。在有些时候，机组会保持与电网连接却不提供任何出力的状态，空载成本反映的就是维持机组空载运行所需要的燃料费用。,电能市场成员行为,17,空载成本,不是所有的火力发电机组都能选择空载运行。空载成本实际上仅仅是发电成本曲线的一个常数项，不具有物理意义。 只有当边际成本大于平均生产成本时，按边际成本出售电能才会盈利。 例4-5：空载成本情况说明,电能市场成员行为,18,5. 发电计划,电力需求会随着时间的推移而发生改变，发电机进行电能生产时所面临的价格也会不停地变化。 某一时间段内的电能价格通
12、常是固定不变的。在不同的市场上，该时间段的长度也会有所不同，可能持续5min到1h不等。 如果已知一天或者更长时间内的价格分布情况，可以针对每一时间段分别进行优化调度。,电能市场成员行为,19,影响发电计划的因素,忽略了发电机的启动成本，得出的生产计划很难说是最优的。 可能不具备技术可行性，原因是机组的运行约束会限制它在不同状态间的随意转换，而该方法则忽视了这一问题。 还有一些其他经济问题与环境约束可能会影响最优电能生产计划的实现。,电能市场成员行为,20,发电计划,虽然发电机组在各个时段的出力计划都是最优的，但由于机组可能具有很大的启动成本，同时还需要遵守一些限制性约束，它往往不能实现利润最
13、大化，因此以1天、1周或者更长的时间为周期来优化生产计划，会显得更加合理一些。 这一问题与机组组合问题有几分相似，即垄断公用事业为了以最小的成本满足给定的负荷计划，需要确定一组最为合理的发电机生产组合。 以上两个问题的本质都一样，即在满足约束的前提下，让生产成本中的变动部分与类固定部分之间恰好达到平衡。,电能市场成员行为,21,发电计划,在机组组合问题中，为了保证系统的总发电出力等于总负荷，将所有机组综合在一起进行优化。 另一方面，假设某一发电机是价格接受者，可以不考虑其他机组的影响，对它进行独立优化。 即使价格接受者这一假设成立，也很难得到能够实现利润最大化的发电计划，因为它的计算量会非常大
14、。 应用动态或混合整数规划技术解决此类优化问题。,电能市场成员行为,22,发电计划,为了能够优化一段时间内的发电机组生产计划，首先需要预测各对应时段内的电能价格。如果价格预测存在误差，后续的发电计划优化相应地也会受到影响。 电能价格取决于市场的均衡点，而负荷与发电情况均能影响市场的均衡。 负荷预测需要考虑时间、天气、经济与其他特定因素的影响。发电方面的问题要更加复杂一些，因为有些事件是随机的（如发电机组故障），而另外一些事件无法事先准确预知（如以检修计划为目的的停运）。,电能市场成员行为,23,6. 启动成本,启动成本：将机组从停机状态启动至可以进行发电生产的状态这一过程所需要的费用。是空载成
15、本之外的另一种准固定成本。 柴油发电机与开式循环燃气轮机可以快速启动，启动成本比较低；大型火力发电机组需要有相当的热能供应，才能将蒸汽的温度和压力提高到足以进行持续发电的程度。 为了最大化火力发电机组的利润，应当针对一个比较长的时间段来优化机组的启停安排。为了避免启动成本，机组会选择在有些时段维持亏损运营，不是简单地在降价时停机，在涨价时开机。 例题4-6：启动成本对发电计划的影响,电能市场成员行为,24,7. 动态约束,火力发电机组的启动或停止，甚至是稍微大一些的出力增减，都有可能给原动机带来非常大的机械负担。如果负担过大的话，设备可能就会受到损害，缩短使用寿命。 为了保护昂贵的发电设备，往
16、往需要对机组状态的改变施加一定的限制。此类保护性措施会引发短期成本的增加。 限制机组出力的增减速度可能会影响机组在后续时间里实现最优发电出力的能力。为了最小化爬坡速率约束导致的成本，需要针对至少长达数小时的时间长度来优化机组的运行。,电能市场成员行为,25,动态约束,为了减少频繁启动与关停对机组造成的损害，通常需要规定火电机组启动后应当保持并网发电的最短时间。同时，一般也会规定火电机组关停后应当休整的时间。 此类约束确保汽轮机能有足够的时间让温升慢慢消退。最小运行时间与最小停机时间约束会降低机组改变自身状态的能力，最终也就会影响机组的最优生产计划。 例如，最小停机时间约束可能会迫使机组在低价时
17、段继续亏损运行，否则它在后续时间里可能会错过获得更多利润的机会。,电能市场成员行为,26,8. 环境约束,发电机组还必须遵守环保规定，这也限制了它们的最优生产能力的实现。 目前，化石燃料电厂部分污染物的排放受到越来越多的限制。 虽然水力发电厂不会排放污染物，也比火力发电厂更灵活，但是它们的用水可能会受到一些约束。水力发电厂的运行优化是非常复杂的问题，在具有多个梯级电站的河道上更为突出。,电能市场成员行为,27,9. 其他经济机会的影响,联合发电或热电联产电厂的发电数量通常取决于相关工业生产的需要，所以它们利用电力市场销售电能的机会可能会受到一些限制。 除了电能之外，发电机还能提供辅助服务或系统
18、服务，是电能销售之外的另一个收入来源。 生产者的电能交易能力受到他所签订的辅助服务供应合同的影响。 发电商的电能生产量也会限制他的辅助服务供应能力。,电能市场成员行为,28,4.3.2 基于购买决策的生产安排,假设某一发电公司签订了一笔双边合同，需要在某一小时内向给定负荷L供电。首先假定该发电公司会利用它的一组数量等于N的电厂来履行合同规定的负荷供应任务。很明显，它会以成本最小的方式进行电能生产。可以下式表示这一优化问题：Pi-机组序列中第i个机组的生产量Ci(Pi)-该机组生产量为时的发电成本,电能市场成员行为,29,基于购买决策的生产安排,利用微积分原理，构造一个包含目标函数与约束条件的拉
19、格朗日函数l是求解此类优化问题的最简单的方法:l为引入的拉格朗日乘子。 对上式求偏导，并令其等于0，得到方程的最优解：,电能市场成员行为,30,基于购买决策的生产安排,根据上面得到的最优解条件，机组序列中的所有发电机组均按等边际成本运行，而边际成本的值恰好等于拉格朗日乘子l的值。拉格朗日乘子的值就等于各机组新增单位兆瓦时产量的成本。所以该拉格朗日乘子常常也称为电能的影子价格。,电能市场成员行为,31,基于购买决策的生产安排,假定该发电公司可以参加现货电能市场。如果市场价格p低于上面计算出的电能生产量所应的影子价格l ，那么它应当选择向市场购买电能，并将自身机组的生产量调低，从而使得：如果涉及的
20、量非常大，在不提高价格的情况下，市场可能根本就没有办法满足这一交易。例题4-7：引入拉格朗日乘子的供电成本计算,电能市场成员行为,32,4.3.3 不完全竞争,在不完全竞争条件下，有些企业（策略成员）能够通过自身行为影响市场价格。 在实际情况下，电力市场往往由一些策略成员与许多价格接受者组成。 若是一个发电公司拥有多台机组，通过将所有机组的出力作为一个整体进行优化，就可能对市场价格具有更大的影响力。 如果仅对单个机组的出力进行优化，将很难实现利润最大化。,电能市场成员行为,33,不完全竞争,对于拥有多台机组的发电企业而言，可以下式表示它的利润：Pf -表示该企业控制的全部出力Cf (Pf)-生
21、产Pf数量电能所需要的最小成本 企业 f 的出力不仅受它自身决策的影响，同时还受它的竞争者的影响，上式进行改写：Xf -企业 f 的行为X-f -竞争对象的行为,电能市场成员行为,34,不完全竞争,上式表明企业 f 很难孤立地优化自身的利润，它还必须考虑其他企业的可能行为。 假设所有发电企业都是理性的，也就是说，它们会尽可能地最大化自身的利润。 换句话说，必须确定每个发电企业 f 的行为Xf* ，它满足如下的关系式：X-f*-代表其他企业的最优决策上面的交互优化问题即为博弈论中所定义的非合作博弈。如果该博弈问题存在最优解，称之为纳什均衡，它指不完全竞争情况下的市场均衡。,电能市场成员行为,35
22、,1. 伯川德模型或价格博弈,如果假设市场成员之间的相互关系满足伯川德模型的要求，那么价格因素是影响每个企业电能报价的唯一决策变量：发电企业 f 的电能销售量是关于自身报价与竞争者报价的函数。 企业 f 的收入可表示为：,电能市场成员行为,36,伯川德模型或价格博弈,像电力这样一种同质商品，只要 发电企业f 的价格低于它的竞争者，那么该企业就可以随意地决定电能的期望出售数量：Pf(pf，p-f*) = Pf 如果pf p-f*Pf(pf，p-f*) = 0 其他情况采用伯川德模型吋，市场价格将会等于效率最高的发电企业的边际生产成本。两点原因： 企业不可能报低价而不亏损； 效率最高的发电企业的存
23、在，高报价也将难以维持下去。,电能市场成员行为,37,2. 古诺模型或数量博弈,在古诺模型中，每个企业需要决定它所希望的电能生产数量：电能价格可以由市场的反需求函数求得。市场价格是关于电能总交易量的函数：p = p (Pf + P-f) = p (P)如果发电企业 f 的竞争者不会调整自身的电能生产数量，那么它的收入等于：p Pf = p (Pf + P-f*) Pf,电能市场成员行为,38,古诺模型或数量博弈,边际收益：古诺模型表明发电企业可以将市场价格维持在高于边际生产成本的水平上， 它们之间的差值取决于需求的价格弹性。古诺模型的计算结果对价格弹性非常敏感。尤其是对于像电能这样弹性极低的商
24、品，古诺模型计算出来的均衡价格比实际市场上反映出来的价格要更高一些。例4-8: 古诺模型竞争例子,电能市场成员行为,39,3. 供应函数均衡,在分析不完全竞争市场的运营时，虽然使用古诺模型也能得出一些有益的结论，缺点是会过高地估计电力市场上的价格。 为了得到一个更接近于现实电力市场的分析模型，需要对发电企业的策略行为做出更复杂的数学表达。 假设发电企业愿意出售的电能数量与市场价格相关，它们的关系可以用下面的供应函数表示：此时，每个发电企业面临的决策变量既不是价格也不是数量，而是供应函数中的各个参数。,电能市场成员行为,40,供应函数均衡,当市场实现均衡时，总的需求将等于所有企业生产量之和:各企
25、业的利润为： Wf = p Pf Cf(Pf）将利润函数对价格求导数，得到最优解条件：方程的解即为所有企业同时实现利润最大化的市场均衡点,电能市场成员行为,41,各类模型的限制性,到目前为止，前面讨论过的各种模型在电力市场中的应用范围还是非常有限的，用得最多的就是预测一定年限内的市场份额。 这些模型可以用来对各发电企业的总容量进行分析，但还比较粗糙，不能有效地应用于单个机组的日常运行分析。很关键的一点是没有考虑诸如空载、启动成本以及各机组出力动态约束等非线性因素的影响。 将发电企业的运营理解为短期利润最大化可能也过于简单了。在很多情况下，具有市场力的发电企业会决定限制或者甚至降低市场价格。,电
26、能市场成员行为,42,基本内容,4.1 简介,4.2 用户行为,4.3 生产者行为,4.4 极低边际成本电厂行为,4.5 混合型参与者行为,4.6 推荐阅读材料,43,电能市场成员行为,极低边际成本电厂行为,有些类型的电厂（如核电、水电与可再生能源）具有可以忽略不计的边际成本。 对于此类电厂的所有者而言，最大的挑战就是需要生产尽可能多的电能，以回收巨大的投资成本。 但对于不同的电厂，问题还不完全一样。,电能市场成员行为,44,极低边际成本电厂行为,核电厂：由于核电机组的启动成本非常高，理想情况下，只有在需要重新装填燃料时才会让它们停下来。因此不管市场上的电能价格如何变化，核电厂的所有者基本上都
27、会在所有时段出售正常水平的发电出力。 水电厂：它们（至少那些水库水量充足的机组）能够随意地调整出力，但是水电厂的发电量会取决于河流流域内的降雨量和降雪量。为了收益最大化，它们需要预测出在未来哪些时段电能价格最高，并在这些时段出售电能。,电能市场成员行为,45,极低边际成本电厂行为,可再生能源发电厂：取决于能量资源的可用性，例如风能与太阳能既不能控制又难以预测，所以此类发电厂的所有者在电能生产时往往会碰到不能令其满意的价格。,电能市场成员行为,46,基本内容,4.1 简介,4.2 用户行为,4.3 生产者行为,4.4 极低边际成本电厂行为,4.5 混合型参与者行为,4.6 推荐阅读材料,47,电
28、能市场成员行为,混合型参与者行为,在电力市场中，小规模市场成员的数目在不断增长，他们可以依据环境的变化选择以供应者或用户的身份参与市场竞争。 抽水蓄能电厂是最常见的混合型参与者。在传统体制下，这些电厂在低负荷时段会从系统获取电能，目的是为了进行抽水；然后在高峰时段又会将水放出，以驱动发电机发电。 抽水蓄能电厂的周期性电能生产与消费，可以减少需求曲线波峰与波谷之间的差异程度，从而减少其他火力发电厂的电能生产成本。,电能市场成员行为,48,混合型参与者行为,在竞争性环境里，如果此类电厂在高价时段的电能生产销售收入大于低价时段的电能消耗成本，那么能够赚取一定的利润。 当然在计算利润时应当计及电能损耗
29、，抽水蓄能电厂重新发出的电能只有大约相当于抽水电能75%的量。 例4-10：抽水蓄能电厂对应的电能价格、电能消费量与电能生产量。,电能市场成员行为,49,混合型参与者行为,实际上，尤其是在低谷时段，抽水蓄能电厂的负荷不可以忽略不计，因此电厂在考虑运行策略时，需要计及自身的生产量对市场价格的影响。 随意安排抽水蓄能电厂的运行往往难以赚取利润，原因在于此类电厂需要通过运行收入回收的成本是相当高的。因为抽水蓄能电厂具有非常高的灵活性，所以它们同时可以参与辅助服务市场。 越来越多的工业用户的生产流程是不可突然关停的，供电中断会给它们造成相当大的财务损失。,电能市场成员行为,50,混合型参与者行为,如果两个相邻的互联电力系统，一个已经建立竞争性的电力市场，而另外一个还由垂直一体化的公用事业控制，公用事业往往也会参与竞争性的电力市场。 如果电能价格高于它们的边际生产成本，公用事业就会选择向竞争性巿场卖电。 相反，如果电能价格低于边际生产成本，它们会减少自身发电机的出力，向竞争市场买电。,电能市场成员行为,51,课后作业：4-2； 4-6；4-11,电能市场成员行为,52,
