現(xiàn)實電力市場中邊際電價結(jié)算和發(fā)電方報價價格結(jié)算競價機(jī)制_第1頁
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1、現(xiàn)實電力市場中邊際電價結(jié)算機(jī)制和市場競價結(jié)算機(jī)制對比Eric Gue rci and Mohammad Ali Rastegar翻譯:何曄 5130719026【摘要】日前意大利批發(fā)電力市場的會議上一個基于代理計算模型被提出用以模擬對比市場在邊際電價結(jié)算機(jī)制和市場競價結(jié)算機(jī)制下不同的表現(xiàn)。宏計算結(jié)果我們通過檢驗它對過去情形模擬的準(zhǔn)確性來提供理論支持。除了少數(shù)用電高峰時期,模擬得到的電價水平都很準(zhǔn)確。至于考慮市場競價結(jié)算機(jī)制時,數(shù)值實驗表明這樣會模擬得到相對于考慮邊際電價結(jié)算機(jī)制時更高的市場電價。在市場競價結(jié)算機(jī)制中,發(fā)電方為最大化利益所付出的成本更高因此電價更高。12.1 前言設(shè)計電力競價機(jī)制

2、的關(guān)鍵點(diǎn)之一與定價方式有關(guān)。通常我們采用統(tǒng)一價格(按邊際價格結(jié)算SMP)或按報價結(jié)算(PAB)價格。在經(jīng)濟(jì)學(xué)中,那種價格結(jié)算方式更有效并沒有定論,但SM-P(按邊際價格結(jié)算)機(jī)制更加流行。如今所有歐洲主要的電力市場都采用這套機(jī)制。然而,P-AB(按報價價格結(jié)算)和SMP(按邊際價格結(jié)算)各有優(yōu)缺點(diǎn),并且這些優(yōu)勢、劣勢可能會在特定的市場環(huán)境中體現(xiàn)或加強(qiáng)。比如說,電力市場發(fā)展成“無限重復(fù)市場機(jī)制”的本質(zhì)可能誘使競標(biāo)者默契合謀(暗中勾結(jié))。競標(biāo)者之間頻繁重復(fù)的“互動”拓展到了暗號和一套有效的懲罰機(jī)制使他們可以配合協(xié)作。有幾個作者已經(jīng)分析了2001英國由OFGEM執(zhí)行的電力市場改革。OFGEM認(rèn)為SM

3、P機(jī)制更容易受制于策略操縱且可能對某種不良的暗中勾結(jié)無能為力。相反地,OFGEM設(shè)想PAB機(jī)制可以降低暗中勾結(jié)獲得的機(jī)會,因為此時出價將不再是不必付出代價的威脅。這些作者在某些情況下反對OFGEM提出的這項改革。比如,C.D.Wolfram聲稱考慮到英國電力市場結(jié)構(gòu)的高度聚集少數(shù)發(fā)電公司掌控著市場,轉(zhuǎn)換為PAB體制并不能解決電價高的問題。J.Bower and D.W.Bunn甚至認(rèn)為改革事實上會提高市場電價。他們的分析是根據(jù)基于代理模擬模型。主要原理是:市場電價一般不公開,占有很大市場份額的代理商在PAB機(jī)制中可以獲得重要的信息優(yōu)勢,因此他們面對的競爭壓力更小。G.Federico和D.M.

4、Rahman從兩個極端的市場體制的角度(也就是說,完全競爭和壟斷供需)來研究這兩個定價法則,他們的結(jié)論與OFGEM一致,就是,PAB體制更可能減小市場權(quán)勢的影響并且能降低平均電價,導(dǎo)致更低的行業(yè)利潤。本篇論文引出了這個引人關(guān)注的問題并提議使用日前意大利批發(fā)電力市場會議上的一個基于代理模擬模型來驗證這個重組建議的有效性。一些構(gòu)建復(fù)雜市場模型引人注意的角度,比如在電力市場中,一個自下而上的角度促進(jìn)了一個計算方法在經(jīng)濟(jì)學(xué)中,特別是在批發(fā)電力市場研究中的應(yīng)用。再這樣一個人工計算環(huán)境中,自主的、自私的、適應(yīng)的以及多元化的一些市場代理商可能會在彼此間重復(fù)地相互博弈,從而形成了一個現(xiàn)實的經(jīng)濟(jì)動態(tài)系統(tǒng)。A.A

5、zadeh 等人已經(jīng)提出過通過基于代理技術(shù)比較電力市場定價機(jī)制,但是他們是對一個簡化的市場環(huán)境展開這種分析。同時,他們文章中的很多工作都是提出了國家批發(fā)電力市場的詳盡模型,但很少提到實證驗證模型預(yù)測能力的工作。我們的文章設(shè)法完成這兩件工作:比較實證驗證的市場機(jī)制和一個現(xiàn)實的市場模型。為了更好地復(fù)制意大利市場的真實特征,一個數(shù)據(jù)驅(qū)使的的計算模型將被用來在宏觀層面實證驗證考慮SMP機(jī)制而提出的模型。本文結(jié)構(gòu)如下:12.2介紹物理約束市場模型,意大利電網(wǎng)模型,基于代理計算模型和學(xué)習(xí)算法的采用。12.3介紹計算實驗設(shè)定并展示討論結(jié)果。結(jié)論在12.4中給出。12.2 ACE Model12.2.1 Ma

6、rket model在下文中,DAM掃清市場的過程被詳盡給出,它是基于標(biāo)準(zhǔn)直流最優(yōu)功率流(DCOPF)。每個第i(i=1,2,.,N)個發(fā)電廠向DAM分別遞交由一對他愿意支付的限價(歐元/兆瓦時)組成的投標(biāo)價和他同意生產(chǎn)的最大電量(兆瓦)。我們假設(shè)每個發(fā)電單位有生產(chǎn)下限和生產(chǎn)上限,這就確定了該生產(chǎn)單位每小時實際產(chǎn)電量的可行區(qū)間:(兆瓦)。第i個發(fā)電廠的總成本函數(shù)如下: (歐元/小時) (12.1)其中(歐元/吉焦)為第i個發(fā)電廠所用燃料()的價格,系數(shù)(吉焦/兆瓦時)和(吉焦/小時)設(shè)為常數(shù)。這組系數(shù)隨發(fā)電站的技術(shù)和效率而變化。常數(shù)項對應(yīng)空載成本,也就是發(fā)電廠保持產(chǎn)量為零時的固定成本。然而這些

7、成本在電廠關(guān)閉時會消失。第i個發(fā)電廠不變的邊際成本很容易由相應(yīng)的總成本函數(shù)得到: (歐元/兆瓦時) (12.2)在收到所有發(fā)電廠的投標(biāo)價后,DAM在考慮如下約束條件下:區(qū)域能量平衡(the zonal energy balance)(基爾霍夫定律),每個發(fā)電廠的最大最小容量以及區(qū)域間傳輸限制,通過實行社會福利最大化來掃清市場。由于假定無價格彈性的需求,目標(biāo)函數(shù)僅僅考慮了供應(yīng)方面的市場份額。因此。社會福利的最大化可以轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€總報告生產(chǎn)成本的最小化,也就是說,對投標(biāo)價格進(jìn)行估計(見方程12.3)。這個以基于DCOPF的清掃機(jī)制同時決定了每個發(fā)電廠的機(jī)組組合(unit commitment)和每個

8、生產(chǎn)線(bus)節(jié)點(diǎn)邊際價格(LMP)。然而,意大利市場需要引進(jìn)兩處輕微的修正。第一,賣家以區(qū)域價格被支付,也就是LMP,然而買家按市場中通常使用的全國統(tǒng)一價格(PUN)支付,PUN是通過按區(qū)域負(fù)載對區(qū)域價格進(jìn)行加權(quán)平均計算得到的。第二,傳輸功率流約束隨流向改變。準(zhǔn)確的公式在下面給出: (歐元/小時) (12.3)受限于下面的約束條件:l 有功功率限制(Active power generation constraints): (兆瓦) l 對于每個區(qū)域的有功功率方程: (兆瓦) :在區(qū)域的負(fù)載需求 :在區(qū)域凈功率輸入 通過標(biāo)準(zhǔn)直流最優(yōu)功率流(DCOPF)模型計算得到 l 線路實際功率流限:

9、(兆瓦) (兆瓦) 是線路上從區(qū)域流到區(qū)域的功率流,是線路在同一方向上,也就是從區(qū)域流到區(qū)域,最大的傳輸能力。通過標(biāo)準(zhǔn)直流最優(yōu)功率流(DCOPF)模型計算得到。問題的解由每個發(fā)電廠產(chǎn)生的有功功率的集合和每個區(qū)域的區(qū)域價格(LMPs)集合組成。SMP清掃機(jī)制中區(qū)域內(nèi)第i個發(fā)電廠每小時的利潤通過如下方式得到: (歐元/小時) (12.4)然而市場競價結(jié)算機(jī)制中每小時收益為: (歐元/小時) (12.5)12.2.2 網(wǎng)絡(luò)模型(前面)采用的市場清掃機(jī)制需要定義一個傳輸網(wǎng)絡(luò)。本文考慮的網(wǎng)絡(luò)模型(圖12.1)展現(xiàn)了一個準(zhǔn)確的區(qū)域市場結(jié)構(gòu)和意大利電網(wǎng)模型中與這種結(jié)構(gòu)對應(yīng)的相鄰區(qū)域間的最大傳輸能力。它相當(dāng)于

10、意大利輸電系統(tǒng)運(yùn)營商所定義的網(wǎng)絡(luò)模型,即2006年末提出的被市場運(yùn)營機(jī)構(gòu)采用的TERNA S.p.A.。這個網(wǎng)絡(luò)包含11個區(qū)域(BRNN(BR),Central North(CN),Central South(SR),F(xiàn)OGN(FG),MFTV,North(NO),PRGP(PR),ROSN(RS),Sardinia(SA),Sicily(SI),South(SO)和10條形成鏈狀結(jié)構(gòu)的,將意大利南北連接起來的傳輸線路。每天傳輸線路兩個方向上不同的最大傳輸能力值也(在模型中)給出了。最后,輸電損耗在模型中忽略不計。 圖12.1 被計算實驗所采納的意大利輸電網(wǎng)絡(luò)模型 包含11個區(qū)域和10條傳輸線

11、;圓圈表示位于區(qū)域內(nèi)的發(fā)電廠;三角表示每個區(qū)域內(nèi)服務(wù)實體的總負(fù)載(LSE);線上和線下的數(shù)字分別表示下午三點(diǎn)線路上兩個方向的傳輸能限值;箭頭表示每個傳輸能限值對應(yīng)的功率流向。12.2.3 代理模型對兩種類型的代理進(jìn)行建模:買家和賣家。買家可以看成是區(qū)域?qū)用娴姆?wù)實體總負(fù)載。買家的數(shù)量投標(biāo)可假設(shè)是沒有價格彈性的并且就是2006.12.20歷史負(fù)載曲線的重現(xiàn),因此他們是沒有任何協(xié)商余地的。市場的供應(yīng)方由向他們的每個電廠投標(biāo)的發(fā)電公司組成的。只有熱電廠被考慮,因為它們代表了幾乎四分之三的全國總發(fā)電能力,此外剩余的全國產(chǎn)電(水電、地?zé)?、核電、風(fēng)電)以及進(jìn)口電能很容易以零價格數(shù)量投標(biāo)建模。進(jìn)口電通常是在

12、海外,主要是法國和瑞士,通過廉價的技術(shù)生產(chǎn)的,比如水力或者核能發(fā)電。在任何情形下,精確的歷史數(shù)值被設(shè)定為能夠決定所以這些后者(進(jìn)口電)的貢獻(xiàn)值。我們考慮的熱電站的集合由158個發(fā)電機(jī)組和5種不同技術(shù),燒煤的(CF),燒油的(OF),聯(lián)合循環(huán)(CC),渦輪氣(TG)和能源重利用(RP),構(gòu)成。這些電廠在2006年或獨(dú)立或合營,由16家不同的發(fā)電企業(yè)管理。然而,在我們的模擬中,我們設(shè)定每個電廠的所有權(quán)公司唯一并將其定為占有該店廠最大份額的發(fā)電公司。為了縮減代理的數(shù)量,我們已經(jīng)根據(jù)熱電廠接電的區(qū)域,產(chǎn)電的技術(shù)和所有權(quán)發(fā)電公司將代理設(shè)定為53個。特別地,第個發(fā)電公司占有的位于區(qū)域通過技術(shù)發(fā)電的熱電廠數(shù)

13、量記作。我們將所有的這樣的的熱電廠分為53個自治的,自利的,自適應(yīng)的異構(gòu)代理。每第個向DAM呈遞一組每個下屬發(fā)電廠樂意接受的限定價格(歐元/兆瓦時)對應(yīng)的值和產(chǎn)電量(兆瓦)的值(規(guī)定呈遞他們電廠的最大產(chǎn)電能力)。為代理所占有的發(fā)電廠數(shù)量,若代理被第個發(fā)電公司占有且位于區(qū)域、使用技術(shù),則。此外,其中(代理行為空間)是一個對所有代理占有的發(fā)電廠相同的標(biāo)記值,為代理占有的第個發(fā)電廠的邊際成本。最后表示被代理占有的第個發(fā)電廠的最大產(chǎn)電能力值。因此,代理被設(shè)定為每次投標(biāo)他們發(fā)電廠最大產(chǎn)電能力值和統(tǒng)一的標(biāo)記值。在計算實驗中,我們已經(jīng)假定對應(yīng)百分之五的標(biāo)記增長值和一個500%邊際成本的最大標(biāo)記值。因此,代理

14、行為空間的基數(shù)相同,也就是對于所有:。于是,我們定義每個代理的利潤如下: (歐元/小時) (12.6)12.2.4 學(xué)習(xí)模型代理/賣家每小時一個同時呈交24個報價給DAM 。他們根據(jù)每小時的市場情況獨(dú)立學(xué)習(xí)報價策略,也就是說在這種市場中沒有相互聯(lián)系合作。在意大利,每小時的報價同時呈交并且不允許分段競價。A.E.Roth和I.Erev提出通過實現(xiàn)最初的一個經(jīng)典強(qiáng)化算法,代理可以被模擬為自適應(yīng)的代理。在這個學(xué)習(xí)模型中,考慮了人類學(xué)習(xí)的三個心理學(xué)層面:練習(xí)的冪指數(shù)定律(也就是:學(xué)習(xí)曲線剛開始很陡,之后越來越趨于平緩),近因效應(yīng)(也就是:遺忘效應(yīng))和一個實驗效應(yīng)(也就是:不僅是實驗操作,而且類似的策略

15、也會增強(qiáng))。J.Nicolaisen和其他人就解決將回報范圍拓展到零回報和負(fù)回報的問題的提出了一些對原始算法的修正。這篇文章只考慮修正后的公式。對于每個策略,定義一個傾向值。每一輪,傾向值根據(jù)與傾向值相聯(lián)系的一個新向量來更新: (12.7)其中是近因參數(shù),有助于以指數(shù)規(guī)律降低過去結(jié)果的效應(yīng)。方程(12.7)中的第二項被稱為實驗功能,由下式給出其中是實驗參數(shù)(用來在發(fā)揮作用動作和非發(fā)揮作用動作間分配權(quán)重),是動作數(shù)量,是在第輪通過發(fā)揮作用動作獲得的獎勵(增強(qiáng))。獎勵可以當(dāng)做每個功率單位(兆瓦)的利潤來計算: (12.8) 其中為代理可獲得的最大利潤,也就是當(dāng)和價格上限相等且方程(12.6)中時。

16、由于發(fā)電廠能力和技術(shù)效率的差異性,基本原理是基于代理間的同一收斂時間。然后傾向被標(biāo)準(zhǔn)化來為下一輪拍賣決定概率行為選擇策略,也就是 (12.9) 其中 (12.10) 隨時間變化的參數(shù)是冷卻參數(shù),影響代理利用概率行為選擇策略的程度。表明概率行為選擇策略在具有最高傾向值下選擇特殊動作的操作逐漸到達(dá)頂峰,從而增加這些動作將被選擇的概率. 12.3 結(jié)論 前面部分我們說描述的基于代理的計算模型幫助我們研究意大利批發(fā)電力市場在邊際電價結(jié)算(SMP)和市場競價結(jié)算(PAB)兩種機(jī)制下的的相應(yīng)表現(xiàn)。此外,這些模擬結(jié)果會與真實市場表現(xiàn)和一個模擬情景下的成本進(jìn)行對比。實證驗證只有在考慮國家價格,PUNs,的總水

17、平下才能實現(xiàn)。為了進(jìn)行實證驗證和對比兩種報價機(jī)制下的市場表現(xiàn),我們運(yùn)行了了三個仿真模擬的設(shè)定。第一個基于成本的模型中所有代理被設(shè)定為按照他們占有的發(fā)電廠的標(biāo)記成本報價。然后,實行SMP和PAB兩種機(jī)制下要考慮兩種策略模型,在這些模型中,代理們需要通過考慮生產(chǎn)總成本來學(xué)會用最佳方式最大化他們的利潤(見等式12.4和12.5)。對于這兩個策略模型,已經(jīng)獨(dú)立開展100個計算實驗并且已經(jīng)計算出總體平均值來估計市場結(jié)果。逐利代理運(yùn)用前一部分介紹的強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法學(xué)習(xí)如何隨時間變化向IPEX提交報價。為確保每個實驗長度內(nèi)所有53個代理針對峰值分布的行為選擇策略收斂,也就是關(guān)聯(lián)到一個行為的概率大于99.9%,每

18、個試驗中學(xué)習(xí)參數(shù)和(見等式12.10) 已經(jīng)被標(biāo)準(zhǔn)化。每個計算實驗包含10000次迭代,大量的迭代是由于在學(xué)習(xí)過程中一個代理每一次迭代只能更新行為空間中67個行為中的一個。如果一個代理能夠再一次迭代中推斷67個行為的潛在利潤,那么就只需10000/67次迭代,也就是說,幾乎150次等效的迭代就足夠了,因此相應(yīng)地少于5個月。事實上,現(xiàn)實中的賣家可以從很多的替代行為中推斷出潛在利潤。例如所有低于公認(rèn)報價的報價利潤可測。 表12.1 所有模擬中使用過的參數(shù)值。特別地,在學(xué)習(xí)模型中代理是齊次的。 圖12.2將24個PUNs與2個仿真框架中的歷史數(shù)據(jù)和基于成本模型進(jìn)行了對比。SMP機(jī)制下的結(jié)果和歷史數(shù)據(jù)

19、有很好的對應(yīng),特別是在非高峰需求時間段。在少數(shù)高峰需求時間,17、18、19點(diǎn),結(jié)果不能準(zhǔn)確地再現(xiàn)價格水平,模擬的PUNs遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于真實數(shù)據(jù)。此外,在12點(diǎn),表現(xiàn)似乎與真實動態(tài)相反。模擬的價格有一個上升而真實的價格呈下降趨勢。然而,在這種情形下模擬結(jié)果的波動中還有一個上升可能證明這種差異的合理性。值得注意的是發(fā)電廠在整個計算實 表12.1:學(xué)習(xí)模型中的參數(shù)數(shù)值圖12.2:2006年12月20日24小時PUN的真實值和模擬值。紅色虛線對應(yīng)歷史表現(xiàn)情況。點(diǎn)虛線表示基于成本模型的模擬結(jié)果。連續(xù)實線和連續(xù)點(diǎn)線分別對應(yīng)策略模型在SMP和PAB機(jī)制下的模擬結(jié)果。實圈線和空心方框線分別表示UA策略模型和DA策

20、略模型模擬下的兩個標(biāo)準(zhǔn)差區(qū)間。 驗中持續(xù)提出報價,但現(xiàn)實中計劃的或突發(fā)的發(fā)電廠斷電是正常的。在這個模擬中,發(fā)電廠很可能在關(guān)閉的情況下被考慮成仍運(yùn)行。在這些時間中,因為邊際發(fā)電廠不那么集中,PUN會對工廠斷電更加敏感。這方面被兩條標(biāo)準(zhǔn)差曲線的走勢突出表現(xiàn)出來。在選擇長期均衡的解決方案中高峰時間段相較于非高峰時間段有更大、更明顯的變化。而且,提出的模型并不足以表現(xiàn)代理間的串通合謀行為或能力扣繳報價行為(發(fā)電站通常按它們的最大能力報價)。后一種行為可以通過在相鄰區(qū)域間傳輸限制滿足時提高區(qū)域市場價格來增加PUN。從這個角度看,我們值得考慮供應(yīng)商代理的定義方式(見段落12.2.3),也就是通過熱電站接電

21、的區(qū)域、生產(chǎn)所使用的技術(shù)和它們的占有方(發(fā)電公司)來將他們分組。每個代理間,即使屬于同一個發(fā)電公司,都相互獨(dú)立。很多發(fā)電公司只在某一個區(qū)域擁有發(fā)電廠,那么假定的代理的意圖很可能代表發(fā)電公司的戰(zhàn)略出發(fā)點(diǎn)。因此,操縱區(qū)域間價格的戰(zhàn)略機(jī)遇僅限于有限數(shù)量的競爭者。特別地,主導(dǎo)運(yùn)營商“Enel Produzione”(ENELP)和其他少數(shù)大的市場競爭者可能會基于他們在不同區(qū)域的異質(zhì)性的生產(chǎn)來發(fā)揮戰(zhàn)略優(yōu)勢。在這種情形下,我們所提出的模型足夠再現(xiàn)24小時大部分時間的PUN水平。一個PUN水平在基于成本和基于策略下的值得注意的差異,后者是前者水平的兩倍以上,是由正確的對競爭環(huán)境的建模和正確的對每個發(fā)電廠總成

22、本函數(shù)(包括固定成本,也就是無負(fù)載成本)的估計所決定的。因此結(jié)果強(qiáng) 圖12.3:2010年11月12日到2010年11月19日一周PUN的真實值和模擬值,虛線對應(yīng)歷史表現(xiàn)數(shù)據(jù)。連續(xù)點(diǎn)線表示基于成本模型的模擬結(jié)果。連續(xù)實線表示SMP機(jī)制下的模擬結(jié)果。 調(diào)在發(fā)電公司決策過程中考慮無負(fù)載成本的重要性。為了測試多大程度上我們的模型是穩(wěn)定的,我們已經(jīng)在一個更大的時間區(qū)間上進(jìn)行了模擬,由于數(shù)據(jù)的可用性,也就是,從 2010年11月12日到2010年11月19日的一周的時間。結(jié)果在圖12.3中展現(xiàn)。他們驗證了我們之前的發(fā)現(xiàn)。在所有工作日中(點(diǎn)列的前五個點(diǎn)),由于日常模式高度的相似性,結(jié)果和我們之前討論的單日

23、水平一致。最大的不符出現(xiàn)在18時左右的少數(shù)高峰時段。當(dāng)考慮周末時,在歷史表現(xiàn)的時間列中未出現(xiàn)大的峰值而我們的估計值較真實值往往較低。圖12.2還能比較在考慮的兩種不同報價機(jī)制下的市場表現(xiàn)。PAB機(jī)制表現(xiàn)出每小時最高的PUNs值。因此,我們所建立的模型的結(jié)果與之前研究中的觀點(diǎn),PAB機(jī)制可能導(dǎo)致更高的價格,所一致。12.4 總結(jié) 這篇文章旨在評定現(xiàn)階段意大利電力市場(IPEX)由SMP機(jī)制轉(zhuǎn)為PAB機(jī)制是否值得提倡。我們采用了一個現(xiàn)實的意大利市場中基于代理的計算模型來研究市場表現(xiàn)的細(xì)節(jié)。計算結(jié)果表明市場模型可以比完全競爭模型在更大的程度上模擬真實的市場表現(xiàn)。在所提出的策略模型中,代理們可以通過學(xué)習(xí)和加強(qiáng)為達(dá)到邊際成本以上價格的報價策略來得到更高的價格。在學(xué)習(xí)程序中,賣方要考慮他們的產(chǎn)品總成本,包括在電力公司決策過程中十分重要的空載成本。這些結(jié)果表明在兩種機(jī)制下的24個總體市場價格(PUNs)比通過基于成本模型的PUNs要高很多。而且,SMP機(jī)制下模擬的PUNs重現(xiàn)了除了少數(shù)高峰時間段外精確的歷史價格動態(tài)。在這些高電量需求時段,一些在當(dāng)前模型中忽略了的建模方面的因素可能是形成這樣價格的決定因素。低功電廠或中功電廠計劃或突發(fā)的斷電可能在我們考慮的天數(shù)中已經(jīng)出現(xiàn),因此導(dǎo)致了價格的上升。相反地,在擬建模型中

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