电力市场中发电厂商的竞价策略

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电力市场基础 2 第九章 电力市场中发电厂商的竞价策略  电力市场概述  电力市场中的报价规约  电力市场中的报价策略  主要研究工作  计及网络阻塞影响的发电公司的最优报价策略  计及风险的发电公司的最优报价策略  结论 3 第一部分：电力市场概论 第一部分：电力市场概论 4 电力市场的特征  有限数目的发电公司；  输配电系统具有自然的垄断特征；  大的投资规模 ( 市场进入壁垒 ) ；  很低的用电需求弹性；  很高的存储成本；  电力很难大量存储  严格的发电容量约束。 5 电力市场的特征 ( 续 )  存在输电约束  有些交易可能因此无法实现，从而限制用户选择 发电公司  存在输电损耗  在一定程度和范围上打击大用户远距离购售电的 积极性 6 电力市场 : 寡头垄断市场？  电力市场肯定不是完全竞争的市场，也不再 是垄断市场。  上述特征决定了在电力市场中，某些地区可 能只有少数的发电公司提供电力，这与寡头 垄断市场最为接近。  在寡头垄断市场中，发电公司可以采用一些 策略性的报价行为来最大化获利。 7 现行的电力市场模式  电力联营体市场 (pool market)  得到普遍应用；  采用暗标拍卖 (sealed auction) ；  大 多 数 采 用 统 一 的 市 场 清 除 价 (market clearing price-MCP) 结算，也有一些按发电公司的实际报价 (pay as bid – PAB) 结算；  发电公司和用户通过 pool 进行交易；  报价策略方面的研究是针对电力联营体市场的。 8 现行的电力市场模式 ( 续 )  双向合同市场 (Bilateral contract)  在有些市场中同时存在联营体市场和双向合同 市场。  在双向合同市场中，通过谈判的方式确定价格 和电量 9 第二部分：电力市场中的报价 第二部分：电力市场中的报价 规约 规约 10 发电报价模型 -- 发电成本曲线 Ci( 千元 /h) C0i( 千 元 / MWh) Ci'( 千 元 / MWh) Pi min Pi max Pi(MW) C0i i i i i i 0i p d b a p C    发电成本单价曲线为： (2) Ci' i i i i i i b 2a p dp dc C'    发电微增成本曲线为： (3) Ci (1) i i i 2 i i i d b P a P C    1. 发电成本是二次曲线 11 bi Ci Ci' C0i Ci C0i Ci' di bi Pi 2. 发电成本是一次曲线 (4) i i i i d b P C   (5) 发电成本单价曲线为： i i i 0i p d b C   ( 6) 发电微增成本曲线为： i i i i b dp dc C'   12 C0i = aipi + bi (9 ） 发电成本曲线应该是： Ci = aipi 2 + bipi (10) 其成本微增率为： Ci' = 2aipi + bi (11) 报价用单价曲线 1- 报价为线性曲线 C0i C'i Ci C0i Ci Ci ’ 0 Pi bi 13 2- 报价曲线为常数 bi Ci C0i= Ci ’ C0i Ci Ci ’ bi 0 Pi C0i = bi (12) 发电成本曲线应该是： Ci = bipi (13) 其成本微增率为： Ci' = bi (14) 14 报价用微增曲线 报价为线性曲线 报价曲线为常数 i i i i i i b a p dp dc C'    i i i 2 i i i d b P a P C    i i i i i 0i p d b a p C    i i i i d b P C   i i i 0i p d b C   i i i i b dp dc C'   15 建 议 1. 研究发电成本曲线和微增率曲线； 2. 建议采用分段上升的报价曲线。 （算法简单，解唯一，发电随负荷共涨落） 16 MW 50 100 150 200 250 300 350 400 450 出价 ($/ MWh) 26.2 27.1 27.8 28.5 29.3 29.5 29.9 31.2 33.5 成本 ($/MWh) 27.5 27.75 28 28.25 28.5 28.75 29 30 32 发电公司竞价策略 -- 发电公司的竞价曲线和成本曲线 50 100 150 200 250 300 350 400 450 26 27 28 29 30 31 32 33 34 ·¢µç»ú³öÁ¦£¨MW£© ³É±¾»ò±¨¼Û£¨$/MWh£© 17 联营体市场中的报价方式  多部分报价  多部分报价可包括能量价格、启动费用和停机费 用等，以反映发电机组的成本结构和运行约束。  电力联营体所采用的拍卖清除算法必须同时计及 能量价格和发电机组的运行约束，这需要用机组 最优组合程序来完成。  这种方法可以保证所得到的发电调度计划在技术 上是可行的。 18 联营体市场中的报价方式 ( 续 ) ： 多部分报价  机组最优组合问题是一个非凸的、非线性混合 整数规划问题。  对于大规模机组最优组合问题，并不存在可以 保证求得该问题的全局最优解的有效算法。  由于局部最优解不能保证在发电公司间进行公 平的负荷分配，这种报价方法曾受到不少批评。 19  多部分报价方法的一个典型例子是英格兰和威尔士 电力市场，该市场的报价规约要求发电公司的报价 中包括很多分量。  能量段及报价价格 ( 最多 3 段 )  机组启动价格和无负荷价格  机组最小运行时间  发电公司向 Pool 提交发电机的运行参数  电力联营体 (pool) 利用机组组合优化程序确定下一天 48 个 时 段 ( 每 半 小 时 一 个 时 段 ) 市 场 切 除 价 (Market Clearing Price-MCP) 和发电调度 联营体市场中的报价方式 ( 续 ) ： 多部分报价 20 联营体市场中的报价方式 ( 续 )  单部分报价  发电公司只投下一个交易时段 ( 如第 2 天的每小时 ) 的能 量价格。  市场清除算法非常简单，只需要根据预报的负荷、发电公 司的标价及可供电量按照价格从低到高的次序确定各个发 电公司在第 2 天的每小时的调度计划。  市场操作员并不作机组组合优化，发电公司在构造报价策 略时需要计及所有的费用以及运行约束，并将这些因素隐 含在能量标价中，因为这种报价结构不能保证恢复启停费 用等非能量成本。 21 联营体市场中的报价方式 ( 续 ) ： 单部分报价  这种报价方法不能保证发电机组运行的可行性。  当列入调度计划中的发电机组受到运行约束限 制时，需要一种机制来修改调度计划，例如设 立短期平衡市场。  加利福尼亚和澳大利亚等电力市场采用这种报 价方法。  西班牙基本上也采用了这种方法，但略有不同， 报价时允许附加少量运行约束，但市场清除价 仍然只按能量标价确定。 22 报价函数形式 $ MW $/MW MW ci(pi) mci= dci/dpi 分段线性成本函数 阶梯型边际成本函数 23 第三部分：电力市场中的报价策略 第三部分：电力市场中的报价策略 24 发电公司报价策略的种类  发电公司在电力市场中的报价策略包括：  现货（日前）市场的报价策略  实时市场的报价策略  各种辅助服务市场的报价策略  视不同的市场模式而定 25 发电公司报价策略的种类（续）  发电公司在各类市场中报价策略的协调  在各类市场中适当分配发电容量  可以用投资学中的组合投资理论来研究  需要考虑各类市场的价格风险  困难：  如何准确预测各市场的价格风险？  如何量化这些风险？ 26 不同报价规则下的发电公司报价策略  单时段静态报价与多时段统筹报价  单部分报价与多部分报价  分段报价函数与线性报价函数  MCP 结算方式与 PAB 结算方式  同一发电公司内部的火电厂、水电厂、 核电厂、抽水蓄能电厂等的协调报价  发电公司内部的机组组合和机组检修的 协调 27 构造报价策略的方法  主要有三种方法  估计下一个交易时段的市场清除价 (MCP)  估计其它发电公司的报价行为  基于博弈论 (game theory) 的市场平衡分 析 28 3.1 估计下一个交易时段的市场清除价 29 预测 MCP 的可用方法  计量经济学模型  时间序列分析  回归分析和人工神经元网络  专家系统或模糊集方法  组合预测  小波分析  等等 30 预测 MCP 的主要困难  MCP 不容易预测，比负荷预测要困难得 多。  大多数电力市场运行时间较短，数据不 充分。  有些影响电价的因素难以描述，如报价 策略。  市场电价波动很大。  时间序列分析模型相对来讲比较合适。 31 如何报价？  发电公司只需要报一个比 MCP 略为便宜的价 格。  隐含地假设了市场是完全竞争的。  在报价的历史数据不公布的电力市场 ( 如加利 福尼亚 ) ，也许只能采用这种方法。  对于占市场份额很小的发电公司，也可以采 用这种方法。 32 3.2 估计其它发电公司的报价行为 33 原理与主要困难  原理：  首先用概率方法或模糊集方法／可能性理论来估计竞 争对手的报价行为  然后建立数学模型（优化问题）  采用有效的方法求解此优化问题  大多数研究工作采用了这种方法  主要困难 : 如何准确估计竞争对手的报价行为  有些研究工作将所有竞争对手模拟为一个以简化分析 34 现有方法  主要有两种方法  概率方法  模糊逻辑方法／可能性理论  概率方法 ( 包括离散概率分布和连续概率 分布 )  连续概率分布模型更为合理 35 现有方法 ( 续 ) ：概率方法  适用于已经稳定运行了一段时间的电力市场。 市场数据可以用来估计竞争对手报价参数的 概率分布。  对于刚开始运行的电力市场，由于发电商的 报价一般波动较大 ( 试验之中 ) ，利用这些 数据来估计竞争对手的报价行为并不可靠。 36 现有方法 ( 续 ) ：模糊逻辑方法  对于建立不久的或市场规则刚作过调整的 电力市场，发电公司的报价仍处于试探之 中。市场数据不成熟、不充分，统计特性 利用价值不高，不适于应用概率方法。模 糊逻辑方法可能比较适合。  模糊集方法在原理上更适合处理数据不成 熟、不充分、不准确的情形，且可以模拟 专家的经验知识。  研究工作刚刚开始。 37 3.3 基于博弈论的方法  基本思想  基于博弈论模型如 Cournot 模型、 Stackelberg 模型、和供给函数模型来描述发电公司报价策 略问题；  然后寻找这些模型的平衡点；  这些平衡点对应发电公司的最优报价策略。 38 主要问题  主要问题：  为迎合这些博弈论模型，对发电公司报价策略问题做了 很多简化，这样得到的平衡点可能没有多大意义；  如产量竞争；价格竞争；线性供给函数竞争  电力市场中一般采用分段报价。在这种情况下是否存在所谓的 平衡点理论上还不清楚。  在信息不完全的情况下，理论上也还不清楚是否存在平 衡点。  不论采用线性报价还是分段报价都是如此。 39 第四部分：主要研究工作 40 构造的报价策略模型和结果  模型框架  以单部分报价为基础  报价函数为线性函数 /分段线性函数  竞争对手的报价行为用概率分布 /模糊集合模 拟  采用随机优化方法确定报价策略 , 主要采用了 Monte Carlo 方法和专门发展的随机优化方法。 41 Monte Carlo Simulation Monte Carlo 是一类通过随机变量的统计试验、随机 模拟、求解数学物理、工程技术及经济管理近似解 的数值方法。人为构造一种概率模型，使它的统计 试验的某些特征数（如频率、样本均值等）作为所 求量的估计值，这便是蒙特卡罗方法的思想。 42 Monte Carlo Simulation 例：用 Monte Carlo 计算积分 定积分计算，设 0 〈 g(x)<1, 计算积分 1 0 ( ) g x dx J   x 0 y y=g(x) 模拟的基本思想 积分 J等于以曲线 y=g(x) 、 x 轴、 y 轴 几 x=1 为边界围成的面积，为用 Monte Carlo 方法计算 积分 J，我们在单位正方形（ 0x1, 0y1 ）中，随机 地投掷一点，即它的坐标（ x,y ）都是 [0 ， 1] 均匀分布 的随机变量且相互独立。易知，这一随机点（ x,y ）落在 所求区域中 ( 即 yg(x)) 的概率 P 正好等于 J 如第 i 次投掷点（ x,y ）满足 yg(x), 如第 i 次投掷点（ x,y ）不满足 yg(x) 若重复上述试验 n 次，即随机投掷 n 个点。 令 1 0 i    则 表示投掷点落在所求区域的次数 , 1 n i i   1 1 , n n i n i J P Q and EQ J n        43 有关结果  有关研究结果  能量市场中发电公司的报价策略 ( 单个时段 )  能量市场中发电公司和大用户的报价策略 ( 单个 时段 )  能量市场中发电公司在下一个交易日 24 个小时 的报价策略 ( 需要进行机组组合优化 )  辅助服务市场的报价策略 ( 单个时段 ) 44 有关结果 ( 续二 )  能量市场和辅助服务市场中报价策略的协调 ( 单 个时段 )  发电公司在下一个交易日 24 个小时的能量市场 和辅助服务市场中报价策略的协调 ( 需要进行机 组组合优化 ) 45 最近的研究结果  最近的研究结果  在能量和备用市场最优分配发电容量的通用模型  基于可能性理论的发电公司（连续）报价策略  计及网络阻塞影响的发电公司（连续）报价策略  计及风险的发电公司（连续）报价策略  计及风险和差价合同的发电公司在日前市场的（连续） 报价策略 46 最近的研究结果  在采用分段报价规则的电力市场中发电公司的 报价策略  基于模糊集理论的发电公司分段报价策略  在以 PAB 结算的电力市场中计及风险的发电公 司分段报价策略 47 第五部分：计及网络阻塞影响的发电 公司的最优报价策略 48 问题背景  输电阻塞可以分割电力市场，改变发电 公司在电力市场中所处的竞争位置。  分割成两个或多个子电力市场，在子市场中， 有些发电公司可能处于垄断地位  由于调度模式的改变，电力工业市场化后阻 塞发生的机会大增。原来的输电规划并不是 针对竞争的电力市场的。  国内外还没有形成系统的、计及网络阻 塞影响的发电公司最优报价策略。 49 研究背景  以单一购买者模式的电力市场为背景 ;  线性报价函数 ;  统一市场清除价 (MCP) 结算方式 ;  以原英格兰 - 威尔士电力市场的阻塞管理 方法为基础，即用附加费 (uplift) 管理阻 塞。 50 数学模型  第 i 个发电公司的报价函数为： i i i i q P      电力交易与调度中心收到发电公司的报价后  首先进行无约束调度  对调度结果进行校核，检查输电约束情况  如果网络会发生阻塞，则需进行阻塞管理，修改调 度计划以消除阻塞  总的目标是寻求使总购电成本最小的发电调度 51 数学模型（续）  以原英格兰－威尔士电力市场的阻塞管理方法为基 础。向发电公司支付的价格分为四种情况：  机组被排入无约束发电计划，在当天正常运行  PPP=SMP （市场统一清除价） +CP （容量费）  机组被排入无约束发电计划，但在电力交易与调度中心的要求下 没有运行  PPP 减去该机组的报价  机组虽然参与了报价，但没有被排入无约束发电计划，后来在电 力交易与调度中心的要求下参与了实时调度、提供了电力  该机组的报价加上 CP  机组虽然参与了报价，但没有被排入无约束发电计划，也没有被 电力交易与调度中心要求在当天运行  只向机组支付容量费 CP 52 数学模型（续）  发电公司 i 在某一交易时段最优报价模型为：  i i Maximize   , 满足：        max max min    i i i i i i q Q q Q 其中， 为统一市场清除电价， Cp 为容量费 ， max 为由市场规则确定的发电公司的允许报价上限。    i  i i p i i i i i i i i i i p i U q q q i i U q C q C Q q U q q U q q U q C q C Q x dx q i i i                       max 2 2 max ] ) [( 2 ) (       53 无约束发电调度  市场清除价与机组无约束调度出力 qi 计算：      i i i q ) ,2,1 ( N i   D q N i i   1 由上两式可以推得： i N i i N i i D     1/ / 1 1             i i i iq       1 54 阻塞管理方法  阻塞管理所引起的发电出力调整量 qi 的计算  即阻塞管理数学模型，目标是使阻塞管理所引起的附加购买成本（阻塞成本最 小。                  N i i i i i i i con q q q q q q q