居民峰谷分時電價_一種新的峰谷分時電價定價模型研究
發(fā)布時間:2020-02-16 來源: 散文精選 點擊:
摘要:針對用戶對電價變化響應(yīng)的滯后性,本文提出了一種新的考慮用戶滯后響應(yīng)的峰谷分時電價模型。首先,本文將發(fā)電側(cè)和需求側(cè)分為不同的類型,構(gòu)建了基本的電力市場網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu);其次,通過引入滯后彈性參數(shù)和非價格影響參數(shù),建立了基于用戶響應(yīng)的單一價格模型和峰谷分時電價模型;最后,在保證發(fā)電企業(yè)收益和用戶需求的前提下,分別求解了兩種模型的電價和各時段負(fù)荷。
關(guān)鍵詞:電力市場;分時電價;用戶響應(yīng);幾何分布滯后
中圖分類號:F407.6文獻標(biāo)識碼:A
1引言
目前,采用分時電價是電力市場競爭中引入需求響應(yīng)重要方法之一,其中峰谷分時電價是分時電價的最主要組成部分。在現(xiàn)有的峰谷分時電價模型中,文獻[1,2]利用對數(shù)電力成本函數(shù)得出需求彈性,以便對用戶響應(yīng)進行量化,并基于電能供應(yīng)成本分析方法來制定峰谷分時電價。文獻[3,4]利用電量電價彈性矩陣來綜合描述需求價格彈性,以達(dá)到用戶對峰谷分時電價的準(zhǔn)確響應(yīng)。文獻[5]在此基礎(chǔ)上,提出了自彈性系數(shù)和交叉彈性系數(shù)的概念,利用它們分別描述本時段和其它時段的用戶響應(yīng)。以上這些研究對我國實行峰谷分時電價起到了一定的推動作用,但是這些研究大多沒有考慮用戶響應(yīng)的滯后性以及滯后彈性,而在實際情況中,用戶對價格變化的響應(yīng)有一個時間過程,特別是在電力市場,用戶對價格的變化作出反應(yīng)往往不是即時的,而是呈現(xiàn)出一定的滯后性,而且隨著滯后時間的增加,電價變化對該用戶的影響越來越小,該用戶的響應(yīng)程度也越來越弱。這使得供電公司很難準(zhǔn)確地預(yù)測用戶對電價的反應(yīng)情況,從而為制定科學(xué)合理的峰谷分時電價帶來了較大的困難。
本文在以往研究的基礎(chǔ)上,考慮了用戶響應(yīng)對電價變化的滯后性,在建模時引入了滯后彈性參數(shù)和非價格影響參數(shù),提出了一種新的基于用戶響應(yīng)的電力市場仿真模型。首先構(gòu)建了基本的電力市場網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),其中發(fā)電側(cè)由四個不同類型的發(fā)電企業(yè)組成,并為各發(fā)電企業(yè)設(shè)置了動態(tài)的邊際成本和固定的裝機容量;然后根據(jù)各時段歷史負(fù)荷數(shù)據(jù)將每天分為高峰時段、平值時段和低谷時段,在此基礎(chǔ)上以月為周期建立了一個可計算的均衡模型,并設(shè)置了一系列的約束條件,在保證發(fā)電企業(yè)收益和用戶需求的前提下求解基于用戶響應(yīng)的最優(yōu)峰谷分時價格。
本文提出的模型基于一個基本的電力市場的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)構(gòu)建,該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)體現(xiàn)了用戶響應(yīng)與電價之間的相互影響。它包含四種不同類型的發(fā)電企業(yè),分別為核電、水電、火電和其它類型(例如天然氣發(fā)電),設(shè)置不同的發(fā)電企業(yè)類型主要是為了考慮現(xiàn)實中不同的發(fā)電企業(yè)擁有不同的可變成本,發(fā)電企業(yè)類型用i表示;將每天分為高峰時段、平值時段和低谷時段,時段類型用j表示。模型可以分為兩個部分:需求側(cè)模型和發(fā)電側(cè)模型。其中發(fā)電側(cè)可以看作一個成本最小化問題,需求側(cè)用一個包含價格和滯后需求變量的需求函數(shù)來表示,需求側(cè)聯(lián)合發(fā)電側(cè)的一階優(yōu)化條件可以看作一個混合互補問題(MCP,mixed complementarity problem)來求解。MCP可以描述由線性方程、非線性方程或不等式構(gòu)成的多種模型,這些模型可以同時包含市場均衡與博弈均衡等行為。
2峰谷分時電價模型
2.1發(fā)電側(cè)模型
在滿足每小時電量需求的條件下,發(fā)電側(cè)模型可以看作一個成本最小化問題。發(fā)電側(cè)模型可以表示為:
其中:表示不同類型的發(fā)電企業(yè); 表示不同的需求時段; 表示不同的月份; 表示不同時段的小時; 表示發(fā)電企業(yè) 在月份 的邊際成本,單位為元/MWh; 為在 月份 時段 時的需求電量,單位為MWh; 為發(fā)電企業(yè) 在月份 的裝機容量,單位為MW; 為 月份 時段 時發(fā)電企業(yè) 的發(fā)電量,單位為MWh。
模型的目標(biāo)函數(shù)是使所有發(fā)電企業(yè)總的生產(chǎn)成本最小化,第一個約束條件是為了確保發(fā)電量能夠滿足需求;第二個約束條件是為了確保每個發(fā)電企業(yè)各時段的發(fā)電量不超過該企業(yè)的裝機容量。對偶變量 表示 月份 時段 時每增加一單位電量需求所產(chǎn)生的邊際成本(也表示 時段 時的電價),因此,在本模型中,每小時的 是不同的。對偶變量 表示 月份 時段 時發(fā)電企業(yè) 減少一單位發(fā)電量所減少的收益,通常被稱為 “稀缺租金”。
2.2需求側(cè)模型
傳統(tǒng)的峰谷分時電價模型通常使用當(dāng)期價格的需求函數(shù),但用戶對價格變化的響應(yīng)有一個時間過程,特別是在電力市場,用戶對價格的變化作出反應(yīng)往往不是即時的,而是呈現(xiàn)出一定的滯后性,即隨著滯后時間的增加,電價變化對該用戶的影響越來越小,該用戶的響應(yīng)程度也越來越弱。幾何分布滯后模型(Geometric Distributed Lag Model)能夠較好的體現(xiàn)用戶反應(yīng)隨滯后時間變化的過程(相關(guān)理論可參考文獻[7]),幾何分布滯后需求函數(shù)通?梢员硎緸椋
其中: 在時間周期 內(nèi)是一個常量, 是外生變量(例如:價格), 是外生變量的彈性(例如:滯后彈性)。
當(dāng)只考慮滯后時間的影響時,通常可以將參數(shù) 簡化。例如,單一商品的滯后需求模型可以表示為:
這個模型也可稱為不變彈性模型,已在計量經(jīng)濟學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用,本文使用該式來計算滯后需求。其中: 表示在時間周期 內(nèi)的需求, 是一個常量,表示非價格因素的影響(例如:天氣狀況、人口因素等), 表示在時間周期 內(nèi)的電價, 表示滯后需求, 表示不變價格彈性, 表示滯后彈性。
對式(3)等式兩邊取自然對數(shù)可得:
如果把三個時段的電量需求看作三種商品(高峰電量需、平值電量和低谷電量)并加入自價格彈性和交叉價格彈性參數(shù),式(4)的多產(chǎn)品形式可表示為:
其中:向量 表示月份 的非價格影響因素;向量 表示 月份 時段的需求電量;向量 表示 月份 時段的電價;方陣 表示自價格彈性和交叉價格彈性;對角方陣 表示不變滯后彈性。
2.3整體模型求解
需求側(cè)聯(lián)合發(fā)電側(cè)的一階KKT條件可被看作一個混合互補問題來求解。如下所示:
式(5)中前3個不等式是發(fā)電側(cè)的約束條件,第4個等式是幾何分布滯后需求函數(shù),第5個等式表示 月份 時段 時的用電量與 月份 時段用電量的關(guān)系;第6個等式表示 月份 時段的加權(quán)平均電價與 月份 時段 時電價的關(guān)系。第5個等式保證了每小時的用電量與 月份 時段持續(xù)負(fù)荷曲線一致。第5和第6個等式一起保證了發(fā)電企業(yè)的電費收入與用戶支付的電費相等,即:參數(shù)表示每小時的用電量占月份時段用電量的權(quán)重, 的值可以根據(jù)相同月份的歷史數(shù)據(jù)估算出來,并滿足以下條件:
在估算參數(shù) 的值時,要求歷史上對應(yīng)月份的持續(xù)負(fù)荷曲線各時段的形狀與待求解月份相似,如果價格與過去不同,計算出來的月持續(xù)負(fù)荷曲線的形狀也會有所不同。
3單一電價模型
在現(xiàn)實生活中,某些用戶可能更喜歡單一電價模式,或是在某些情況下,實施單一電價可能更加合適(例如我國大部分地區(qū)的居民用電都是采用單一電價模式)。通過修改式(5)中第4和第6個等式,可以得到單一價格的數(shù)學(xué)模型其中: 表示單一電價模式下的電價。
第4個等式是單一價格模式下的GDL需求函數(shù);第6個等式保證了發(fā)電企業(yè)的電費收入與用戶各時段支付的總電費相等。實際上 就是每小時的加權(quán)平均電價, 乘以總用電量等于發(fā)電企業(yè)的總電費收入。
一般來說,MCP模型難以采用通常的優(yōu)化求解算法計算,而是根據(jù)MCP算法,借助相關(guān)計算軟件,如GAMS(General Algebraic Modeling System,通用數(shù)學(xué)建模系統(tǒng))來求解 (詳細(xì)信息可查閱http://www.省略/)。
4結(jié)語
在電價制定過程中,需要權(quán)衡的目標(biāo)往往是相互矛盾的,因此,在電力市場設(shè)計過程中,電價制定是一個非常重要的環(huán)節(jié)。經(jīng)濟學(xué)理論認(rèn)為,當(dāng)價格等于生產(chǎn)者的邊際成本時是最有效率的,但是在現(xiàn)實的電力市場中,由于電力商品的特性及用戶對電價反應(yīng)的滯后性,這個要求很難得到滿足。本文重點考慮了用戶響應(yīng)對電價變化的滯后性并在建模時引入了滯后彈性參數(shù)和非價格影響參數(shù),在保證發(fā)電企業(yè)收益和用戶需求的前提下求解基于用戶響應(yīng)的最優(yōu)峰谷分時價格。由于篇幅有限,本文未能詳細(xì)給出相關(guān)仿真案例的分析過程,但通過以上幾種模型,我們也可以看出:
。1)由于非價格影響因素 和滯后彈性 對峰谷分時電價的實施效果影響較大,因此,在實際應(yīng)用中應(yīng)采用較嚴(yán)格的方法來估算 和 的值(如采用社會調(diào)研和歷史數(shù)據(jù)回歸的方法來計算 的值)并作相應(yīng)的調(diào)整,以達(dá)到更好的調(diào)峰效果。
。2)峰谷分時電價能夠引導(dǎo)用戶削峰填谷,增加低谷時段的用電量,是一種較實用的定價方案。與單一電價方案相比,峰谷分時電價方案能夠降低社會平均電價,增加總用電量,此外,峰谷分時電價的實施會減少消費者福利,但會增加社會凈福利。
(3)隨著峰谷分時電價實行的范圍逐步擴大,將有多類用戶參與峰谷分時電價中,由于各類用戶具有不同的特性,因此應(yīng)盡可能的對用戶分類,對不同類型的用戶實施不同的峰谷分時電價方案,從而使得發(fā)電企業(yè)、用戶和社會三方都受益。
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