电力系统经济学原理第四章资料

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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

4、电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，

5、然后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

6、的电力需求量，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

7、推荐阅读材料,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

8、是价格接受者，那么他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

9、成员行为,13,2. 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

10、，因此边际成本曲线的每一段都是一个常数，那么可以根据电能市场价格对机组进行调度： pMC1,i Pi = Pimin MC1,i pMC2,i Pi = e1,i MC2,i pMC3,i Pi = e2,i MC3,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

11、排机组的生产运营时，生产者还必须计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

12、地变化。 某一时间段内的电能价格通常是固定不变的。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

13、些限制性约束，它往往不能实现利润最大化，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

14、的发电计划，因为它的计算量会非常大。 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

15、状态这一过程所需要的费用。是空载成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

16、寿命。 为了保护昂贵的发电设备，往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