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1、D0I ：1 0 7 5 0 0 AE PS 2 0 1 5 0 7 0 6 0 0 1 力 暴 玩 訇 动 化 V o 1 4 O U 1 5 A u g 0 , 2 0 1 6 Au t o m a t i o n ofE l e c t r i c Po we r S ys t e ms 燃料市场对采用不同能源和技术的发电集团博弈策略影响 卢 永 。 ，甘德 强 ，刘广 一。 ， J o h n N J I ANG ( 1 浙江大学 电气工程学 院 ， 浙江省杭州市 3 1 0 0 2 7 ； 2 俄克拉荷马大学 电力与计算 机学院 ， 俄克拉荷 马州诺 曼市 7 3 0 1 9 ， 美
2、 国 3 全球能 源互 联网美 国研究 院，S a n t a C l a r a ， C A 9 5 0 5 4 ， 美 国) 摘 要 ： 在 解除 管制 的 市场环 境 中 ， 上 游燃料 市场和 下游 电 力市场存 在 博弈 关 系。从 长期 来 看 ， 上 下 游市场的博弈关系反映 了各市场主体的发展 趋势， 厘清关 系能够为制定合理政 策提供科 学依据。 在无容量约束的理想情况下， 博弈关 系较 为简单 ， 认识较清楚 ， 但 当存在发电容量约束， 特别是容量 约 束发挥 作 用 时 ， 博 弈 关 系将 变得 十分 复 杂 。为此 ， 文 中基 于建 立 的上 下 游 市 场博 弈
3、 模 型 ， 采 用数 学分析的方法， 以具有低热耗率发 电技术的高效率电力集团容量约束为例 ， 对具有不同技术特征 电 力 集 团之 间及 与 燃料 集 团的博 弈 关 系进 行 了定性 分析 ， 并通过 仿真 方 法反 复模 拟 博 弈过程 ， 验 证 了 分析结果。研 究结果表 明， 发电容量约束将打破理想情况下上下游联合博弈市场的纯策略均衡状 态 ， 形成软 约 束和硬 约束 两种 不 同均衡状 态 。 关键 词 ： 博 弈论 ；电力市场 ； 燃 料 市场 ；策略 行 为 ；容量 约束 ；电力监 管 ；可再 生能 源 ；负荷 响应 ； 发 电擞 术 0 引言 燃料市场和电力市场存在双
4、向影响关系_ 1 。在 “ 市 场 煤 、 计 划 电” 的时 代 ， “ 煤 电 顶 牛 ” 现 象 时 常发 生 ， 严 重影 响 了 国 内工 业 发展 和社 会 生 活 。随 着 国 家 对 电力市 场管 制 的逐 步 解 除 ， 两 大 市 场 之 问 的相 互影 响 关 系将会 变 得越 来 越 复 杂 。在 市场 环 境 中 ， 上 游燃 料市 场 的波 动能够 通 过两 大市 场之 问及 市场 内部复 杂联 系放 大 ， 对 电力企 业开 停 机计划 、 电力 系统安全l 3 、 电力供 应链 、 实时 电力市 场运行状 况 5 等 电力 系统 和市 场运 行方 面产 生 不可
5、 忽 略的影 响 ， 也对制定科学合理的能源政策提出了新 的挑战。 因此 ， 研 究 在解 除 管制 的市 场 环 境 下 的燃 料 市 场 和 电力 市 场相 互影 响关 系 ， 对 于 在 市 场 化 改 革 过程 中 确保两大市场健康发展十分必要 。 燃 料市 场 和 电力 市场 的博 弈关 系是两 大市 场相 互影 响关 系 中的重要 研究 内容之 一 。厘 清 两大 市场 的博弈关系不仅是制定有效 能源政策 的必要前提 ， 也是 正 确理解 和 合理 运用 能源 政策 的重 要依 据 。国 外在进行重大经济改革和政策修订之前往往要进行 博弈 关 系分 析 。 当前 ， 关 于 能 源
6、 市 场博 弈 关 系 的研 究主要集 中在单个市场内部 ， 大量文献仅对包含 电 收 稿 日期 ：2 0 1 5 - 0 7 0 6；修 回 日期 ：2 0 1 6 - 0 1 1 3。 上 网 日期 ：2 0 1 6 - 0 4 1 3。 力 系统 内影 响 因素 的电力 市场 博弈 均衡 状态 进行 了 分析和研究 ， 对燃料市场与电力市场之间博弈关 系的研究分析还不深入。文献E 9 一 l o l 虽然考虑了燃 料市场对电力市场博弈均衡 的影 响， 但其仅将上游 燃料市场作为外生独立影 响因素 ， 缺少市场 间博弈 互 动关 系 的分 析 。文 献 1 1 通 过构 建包 含上 游垄
7、断 燃料输送企业 与下游寡头 电力企业 的博弈分 析模 型 ， 对两 大市 场博 弈 均 衡存 在 性 问题 和 社 会 福 利 的 影 响进 行 了分 析 ， 文献 1 2 基 于投资 策 略分析 模 型 ， 研究 了天然气生产者的策略行为对计及排污约束 电 力市场的影响， 但都没有进一 步分析 电力企业在燃 料 市场影 响下 可 能采 取 的博 弈 策 略 ， 也 没 有 考 虑 不 同能源 和技术 的影 响 。能 源和技 术 类型 是影 响 电力 企业对燃料市场依赖程度的重要因素， 文献 1 3 阐 述 了可再 生 能源 电力企 业 的不 确定 性对 协调 燃料 市 场 和 电力市场 的
8、影响 。 本文基于博弈论 ， 采用数学分析结合仿真验证 的方 法 ， 通 过定 性 分 析 市场 环 境 下 燃 料 企 业 和 具有 不 同能源 利用 电力 企 业 相 互 之 间 的博 弈 关 系 ， 对各 市场 主体 的发 展趋 势 问题进 行 了研究 。本 文对 市 场 进行了简化 ， 采用与文献 1 4 类似 的方法构造了一 个简单 且 能反 映 上下 游 市 场 博 弈 关 系 的分 析模 型 ； 基于该模型 ， 采用数学分析的手段 ， 以具有高效率发 电技术 的发电集团的容量约束为例， 从定性的角度 h t t p： WWW a e p s i n f o c o m 2 5 对
9、在 无 发 电容量 和发 电容 量约 束发 挥作 用 两种 情况 下 ， 风 大 市场之 间 的 博弈 关 系 进 行 了对 比分 析 。通 过对 比分 析发 现 ， 表 面相 同 的 容 量 约束 在 不 同 的宏 观 经济 状 况 ( 即不 同 的 需 求 和 供 给条 件 ) 下 会 形 成 “ 软 ” 和 “ 硬 ” 两 种 完全不 同的策 略均 衡 状态 。由于 策 略 均衡 状 态是 反 映市 场 经 济 基 本 向 的重 要 特 性 ， 这 一 发现 对 于企 业运 行 策略 和调 控政 策 制定 具有 非 常 重 要 的意 义 。忽 略这 个重 大 不 同点 ， 只 依 据 表
10、 面 约 束 状况 来 制定 政 策策 略将 导致 市场 应 对或 政策 调 控 失 误 。这 类分 析 和认识 在 目前 国内市 场转 型 中不 仅 必 要 而且 欠缺 。 本 文 采用 穷举 企业 所 有 町行博 弈 策 略 的方 法 来 模 拟 电力 企业 反 复 博 弈 过程 ， 得 到 的仿 真 方 法 对 分 析 结论 进 行 了验 证 。具体 仿 真参 数和 相关 说 明见 附 录 A。 1 市场模型 本 文 以燃 料 价格 为纽 带 ， 构造 了上游 燃料 市 场 、 下 游 电力 市场 的博 弈 模 型 。在 实 际 市场 中 ， 电力 集 团 的博 弈 策 略受 到 上 游
11、 市场 中燃 料 价格 、 燃 料 运 输 线 路 及 电力市 场 中 可再 生 能 源 波 动性 、 电力 传 输 线 路 约束 等 多种 因素 影 响 ， 本 模 型 主 要 考 虑 上 游 燃 料 集 团价 格 策 略 的影 响 。 1 1 市场 介 绍 1 1 1 电力 市场 简介 按 照发 电能 源 类 型 ， 将 下 游 电 力机 组 归 为 燃 料 类 电力 集 团 和可再 生 能源 电力集 团 ( RE ) 。其 中 ， 燃 料 类 电力 集 团又 根据 发 电技 术效 率分 为低 效 率 电力 集 团( L E ) 和 高 效 率 电力 集 团 ( HE) 。I E代 表 采
12、 用 燃 料发 电技 术 中高 热 耗 率 的 电力 机 组 集 合 ； HE代 表 采用 燃 料发 电技 术 中低 热 耗 率 的 电力 机 组 集 合 ； RE代 表 采用 可再 生 能 源 发 电技 术 的非 燃 料 电力 机 组 集合 。 在 电力 集 团发 电成 本 中 ， 影 响 电力 集 团应 对 燃 料 价格 变 化策 略 选择 的主要 因素 是 与燃 料价 格有 关 的可 变成 本 ， 燃料 类 电力 集 团与 燃 料 市场 有 关 的可 变 成本 是 燃料 成 本 ， 而 RE没 有 与燃 料 市 场 有 关 的 可变 成本 。从 定 性 角 度 上 看 ， 燃 料 类 电
13、力 机 组 应 对 燃 料 价格 变化 采 取 的策 略趋 势取 决 于改 变发 电成本 的程 度 ， 而发 电成 本 改 变 的程 度 与 热 耗 率 的相 对 大 小 有关 ， 也就 是说 ， 无 论 采 用 何 种 热 耗 率 曲线 模 型 ， 只要 能够 反 映 电力 机 组 热 耗 率 相 对 大 小关 系 ， 就 不 会 影 响本 文 的定 性 分 析结 论 。在 经 济 运 行 范 围 内 ， 影 响 电力 机组 热 耗 率 偏 离 额 定 范 围较 小 ， 且 大 小 关 系相 对稳 定 ( 见文 献 1 5 l 6 中汽 轮机 组 实 际热 耗 率 数 据 ) ， 因此 可认
14、 为 汽 轮机 的热 耗 率 稳 定 。综 上 ， 电 26 学 术 研 究 力 集 团发 电成 本 可简 化为 ： f Pl l 1f I H， Q， HE， I E r 一 ( l ， l 0 RE 式 中 ： F 为 电 力 集 团 i的发 电成 本 ； P 为燃 料 价 格 ； Q 为 电力集 团 的发 电量 ； H 为燃料 类 电力 集 的热 耗率 ， 在 实 际市 场 中 ， I E和 HE 的热 耗 率 1 会 相差 太大 ， 否 则 I E会 因热耗 率 过 高 被 市场 淘 汰 ， 本文设 定 H。 ： Q。 电力集 团 按 照古 诺 博 弈 行 为决 策 各 自发 电量 ，
15、 目标 函数 为 ： 式 中 ： 丌 为 电力 集 的利 润 ； ( 、 发 电容 量 。 1 1 2燃料 市 场简 介 HE， LE RE Q， ( 、 ， ( ： ) 为 电 力集 的 当前 的研 究 中 ， 燃 料 巾场 一 般 采 片 j 垄 断 市场 或 寡 头市 场模 型 ， 文献 1 7 通 过数 据 分 析 发 现美 国 的 煤炭市场集 中度偏高， 属于寡头竞争； 中国煤炭 市场 集 中度不 断 提 高 ， 大 集 团竞 争 的格局 正 加 速形成 ； 义 献 1 1 将燃料运输市场描述为垄断市场 。根据供求 决定 价 格 ， 燃 料 价格 主 要 由下 游 电力 市 场燃 料
16、 需 求 决定 ， 采 用 不 同的模 型 分析 燃料 市场 ， 虽 然会 影 响燃 料 价格对 燃 料需 求 量 的反 应 程 度 ， 但 小 会 改 变燃 料 价格 应对 燃 料 需 求 量 变 化 的 定性 关 系 。 此 ， 本 文 采 用垄 断市 场模 型来 描 述 卜游 燃料 市场 。 垄 断燃 料集 团的成 本 函数 为 ： F l 一 I ( H l E QI F + ， f Q ) ( 4) 式 中 ： F 为燃 料 集 团 的生 产 成 本 ； 为单 位 燃 料 生 产成 本 。 燃 料 集 团 根据 下 游 市 场 燃 料 需求 量 ， 以利 润 最 大 化为 目标 选择 最 优燃 料 价格
