考虑期权交易的电力市场纳什均衡及发电商竞争策略研究

论文摘要

全球性电力工业结构重组和解除管制的市场化改革,带来了电力系统运行方式的深刻变革,其目的在于通过引入公平竞争的市场机制,达到改善经济效率,实现电力资源的合理分配和社会效益的最大化。然而,由于电力工业存在进入壁垒高、需求弹性小、输电约束、输电损耗、电能不能大规模有效存储等特殊属性,决定了在电力市场中的一个供电区域只能有少数发电厂商提供电力,使得电力市场表现出明显的寡头垄断态势。在寡头竞争的电力市场环境下,市场参与者需要密切关注自己的决策行为及其产生的后果,而市场监管机构更需要研究不同市场模式下的市场特性和效率,因此科学合理的电力市场决策分析模型和方法的研究具有重要的理论和现实意义。而基于博弈论的各种寡头均衡模型是用来定量预测和研究各市场参与者的策略行为以及其对整个市场产生的影响的重要工具。本论文应用金融工程理论和非合作博弈理论结合电力工业的特点,研究电力期权对电力市场均衡和发电厂商竞争策略行为的影响,具体包括以下几个方面:第一,对金融工程理论在电力市场中的应用进行了概述,对电力市场中存在的风险进行了分类,提出了电力金融合约市场的框架和电力市场风险管理的基本步骤,同时运用金融工程的相关理论研究了电力远期合约、电力期货合约和电力期权合约的特点、应用及定价问题,最后介绍了我国的电力资本和电力金融衍生产品市场,提出了我国电力金融市场的组成结构和发展过程中应注意的问题。第二,电力金融期权是指标的物为电力、按照现金方式结算的期权合约。本文采用古诺模型描述发电厂商在金融看涨期权市场和现货市场中的竞争行为,首次建立了考虑负荷波动、目标函数连续可微的金融看涨期权市场与现货市场两阶段联合博弈模型,利用后向推导方法对模型进行了求解,分析了发电厂商参与策略性金融看涨期权交易的激励以及策略性金融看涨期权交易对发电厂商竞争行为的影响。结果表明:金融看涨期权交易可有效地抑制发电厂商的市场力滥用,降低现货市场电价,并且金融看涨期权对电力市场的作用要强于远期合约。第三,电力物理期权的执行涉及到电能的实际交割,物理期权合约的持有者相当于拥有了一个虚拟的发电厂。根据物理期权的执行特点,本文首次建立了考虑发电厂商参与策略性物理看涨期权交易的两阶段古诺博弈模型,研究了策略性物理看涨期权交易对发电厂商现货市场竞争行为的影响。通过一个双寡头算例验证了模型的合理性和算法的有效性,分析了期权敲定价格、负荷波动率、生产成本等因素对发电厂商物理看涨期权交易策略的影响。结果表明:现货市场电价的高波动性会削弱发电厂商参与物理看涨期权交易的积极性,物理看涨期权对电力市场的作用要弱于远期合约。第四,针对期权合约市场按双边/多边模式运作、现货市场按联营体模式运作的电力市场,建立了考虑金融看涨期权合约的期权市场与现货市场两阶段联合古诺博弈模型。该模型首次考虑了风险厌恶的购电商（用户）在金融看涨期权市场交易中的策略行为,分析了购电商（用户）的策略行为和风险厌恶心理对电力市场均衡和发电厂商竞价策略的影响。结果表明:发电厂商会利用购电商（用户）的风险厌恶心理在期权交易中行使市场力,抬高期权价格,以期从期权交易中获利,而且现货市场电价的高波动性进一步强化了发电厂商的市场力滥用行为。第五,电力市场与其它商品市场最重要的区别是电力交易必须通过一个满足基尔霍夫定律的电力网络实时进行,因此要更全面地反映电力市场的实际情况,就必须考虑输电网络约束的影响。本文首次建立了一个考虑输电网络约束的电力金融看涨期权市场与现货市场联合古诺博弈模型,利用非线性互补方法及改进的Levenberg-Marquardt算法对模型进行了求解,分析了输电线路容量约束和环路潮流约束对发电厂商金融看涨期权交易行为的影响,考察了发电厂商在输电网络出现阻塞时行使市场力的行为模式,对于电力监管机构制定有效的市场规则和独立系统运行人（Independent System Operator,ISO）合理调度电力减少网络阻塞均具有重要的现实意义。最后,实际电力市场中参与者之间的信息并不完全,这为市场参与者制定合理的竞争策略带来了很大的困难,也是研究电力市场竞价问题的难点。考虑到各国电力市场已运行多年,积累了一定的历史数据,可利用各种预测方法得到市场状态的概率分布,本文首次建立了一个基于预测等值竞争对手的投标行为概率分布的电力金融看涨期权市场与现货市场联合博弈模型,分析了不完全信息对发电厂商竞争行为的影响,为发电厂商制定合理的投标策略提供了相应的理论依据。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 本论文的研究背景和意义
• 1.2 电力市场的组织模式
• 1.2.1 电力市场的基本任务
• 1.2.2 电力市场中的交易类型
• 1.2.3 电力市场的交易模式
• 1.2.4 电力市场的组织结构
• 1.3 国内外电力市场相关领域的研究现状
• 1.3.1 电力市场中的市场力分析
• 1.3.2 博弈模型及其在电力市场中的应用
• 1.3.3 金融工程理论及其在电力市场中的应用研究
• 1.4 本文的研究内容与主要贡献
• 第二章 金融衍生产品及其在电力市场中的应用研究
• 2.1 引言
• 2.2 金融工程理论概述
• 2.3 电力市场中的风险管理
• 2.3.1 风险的定义与分类
• 2.3.2 电力市场中的风险及其分类
• 2.3.3 电力市场中的风险评估
• 2.3.4 电力市场中的风险管理流程
• 2.4 电力金融衍生产品市场
• 2.4.1 电力远期合约交易
• 2.4.2 电力期货合约交易
• 2.4.3 电力期权合约
• 2.5 我国的电力金融市场
• 2.5.1 我国的电力资本市场
• 2.5.2 我国的电力金融衍生产品市场
• 2.6 本章小结
• 第三章 考虑金融期权的电力市场均衡分析
• 3.1 引言
• 3.2 求解两阶段均衡模型的后向推导方法
• 3.3 金融期权市场与现货市场联合均衡模型
• 3.3.1 模型的基本假设
• 3.3.2 发电厂商现货市场决策模型
• 3.3.3 发电厂商期权市场决策模型
• 3.4 算例分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 考虑物理期权的电力市场均衡分析
• 4.1 引言
• 4.2 物理期权市场与现货市场联合均衡模型
• 4.2.1 模型的基本假设
• 4.2.2 发电厂商现货市场决策模型
• 4.2.3 发电厂商期权市场决策模型
• 4.3 算例分析
• 4.3.1 物理期权对电力市场均衡和发电厂商策略行为的影响
• 4.3.2 金融期权和物理期权对电力市场均衡影响的比较分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 需求侧参与期权市场的电力市场均衡分析
• 5.1 引言
• 5.2 效用决策理论
• 5.2.1 效用的基本概念
• 5.2.2 效用决策的基本类型
• 5.3 需求侧参与期权市场的电力市场均衡模型
• 5.3.1 模型的基本假设
• 5.3.2 购电商期权市场的决策模型
• 5.3.3 发电厂商现货市场决策模型
• 5.3.4 发电厂商期权市场决策模型
• 5.4 算例分析
• 5.4.1 电力期权对市场均衡结果的影响
• 5.4.2 现货市场电价方差对市场均衡结果的影响
• 5.4.3 期权敲定价格对市场均衡结果的影响
• 5.4.4 等值风险规避指数对市场均衡结果的影响
• 5.5 本章小结
• 第六章 考虑输电约束的期权与现货市场联合均衡分析
• 6.1 引言
• 6.2 求解复杂均衡模型的非线性互补方法
• 6.2.1 KKT条件与互补问题
• 6.2.2 非线性互补函数和非线性互补方法
• 6.2.3 求解复杂均衡问题的非线性互补方法
• 6.2.4 改进的Levenberg-Marquardt算法
• 6.3 考虑输电约束的期权市场与现货市场联合均衡模型
• 6.3.1 模型基本假设
• 6.3.2 ISO现货市场决策模型
• 6.3.3 发电厂商现货市场决策模型
• 6.3.4 发电厂商期权市场决策模型
• 6.4 市场均衡问题的求解
• 6.5 算例分析
• 6.5.1 输电阻塞对市场均衡结果的影响
• 6.5.2 不同阻塞程度对市场均衡结果的影响
• 6.6 本章小结
• 第七章 不完全信息下发电厂商的竞争策略研究
• 7.1 引言
• 7.2 不完全信息下期权市场与现货市场决策模型
• 7.2.1 模型基本假设
• 7.2.2 发电厂商现货市场优化决策模型
• 7.2.3 发电厂商期权市场优化决策模型
• 7.3 博弈模型的求解方法
• 7.4 算例分析
• 7.4.1 发电厂商关于虚拟竞争对手竞标策略的估计对其竞标策略的影响
• 7.4.2 发电厂商的猜测变量对其竞标策略的影响
• 7.4.3 发电厂商的风险回避因子对其竞标策略的影响
• 7.5 本章小结
• 第八章 全文总结与展望
• 参考文献
• 作者在攻读博士学位期间公开发表的论文
• 致谢