电力系统经济学原理第四章

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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。
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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。
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
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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
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生产者行为
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Байду номын сангаас
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。
分段线性成本曲线
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对应的分段常数微增成本曲线
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分段线性成本曲线
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电能价格波动
如果各类工业、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。
• 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
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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。
• 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。
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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。
• 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:
p<MC1,i
MC1,i < p<MC2,i
MC2,i < p<MC3,i
Pi = Pimin
Pi = e1,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
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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。 • 应用动态或混合整数规划技术解决此类优化问题。
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:
dW i d(pPi ) dC i ( Pi ) 0 dPi dPi dPi
MRi = MCi
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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:
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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
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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。
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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 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
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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。
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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
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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。
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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)。
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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。
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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。
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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:
dC i ( Pi ) max pi p dPi
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:
dCi ( Pi ) min pi p dPi
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
第四章 电力市场成员行为
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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
电能市场成员行为 1
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。
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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。
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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。
MRi
• 若发电商是价格接受者,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:
dC i ( Pi ) p dPi
电能市场成员行为 12
d(pPi ) p dPi
1. 完全竞争_基本调度
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