（电力系统及其自动化专业论文）基于期权博弈的电源建设不确定性研究.pdf

a b s t r a c t e l e c t r i cp o w e ri n d u s t r yi sv e r yc o m p l e xi nt e c h n o l o g ya n de c o n o m i cc h a r a c t e r i s t i c s i ti so n eo f t h em o s t i m p o r t a n tb a s i ci n d u s t r i e sw h i c ha f f e c te n o r m o u s l yt on a t i o n a le c o n o m ya n dt h es o c i a ll i f e w j t ht h ep o w e r i n d u s t r yr e f o r m a t i o n , g e n e r a t i o np l a nw h i c ha i m st ot h ep o w e rs y s t e ms e c u r i t yh a sb e e nt r a n s l a t e di n t o g e n e r a t i o ni n v e s t m e n t g e n e r a t i o ne x p l a n s i o nw i l lb es u b j e c tt ot h ee f f e c t so fm a n yf a c t o r ss u c ha se n e r g y s u p p l y , p o l i c y , e l e c t r i cp o w e rd e m a n d ，c o m p e t i t i o na n ds oo n i t sm o r ed i 衔c u l tt om a k ed e c i s i o nw i t ht h e u n c e r t a i nf a c t o r su n d e rp o w e rm a r k e te n v i r o n m e n t i n v e s t m e n to nn e wg e n e r a t i o nc a p a c i t ya d d i t i o n s i sa c o m m e r c i a la n dr i s k ya c t i v i t y , a n dt h eo b j e c t i v eo fg e n e r a t i o ni n v e s t o r si s t om a x i m i z ei n v e s t m e n tp r o f i t s ， r a t h e rt h a nt oe n s u r es u f f i c i e n ts u p p l yo fe l e c t r i c i t yi nn o w a d a y sa n di nt h ef u t u r e t r a d i t i o n a lp r o g r a m m i n g m e t h o d sa n dd e c i s i o nt h e o r i e sc a n ts o l v et h ee x i s t i n gp r o b l e m sw e l la n y m o r e i ti s s i g n i f i c a t i v et od or e s e a r c h o ng e n e r a t i o ne x p l a n s i o nu n d e rm a r k e te n v i r o n m e n t 1n l sp 印e rs i m u l a t e sg e n e r a t i o ni n v e s t m e n td e c i s i o n m a k i n gu n d e re l e c t r i c i t ym a r k e te n v i r o n m e n t , a n d p o l i c yp r o p o s a l sb a s e do na n a l y s i sa r ep r e s e n t e d i nv i e wo ft h eu n c e r t a i np r o b l e mu n d e re l e c t r i c i t ym a r k e t e n v i r o n m e n t , t h eo p t i o ng a m et h e o r yi sa p p l i e di ng e n e r a t i o ni n v e s t m e n td e c i s i o n m a k i n gt oa d a p tt h ec h a n g e s w h i c ha r ea r o u s e db yt h ep o w e ri n d u s t r yr e f o r m a t i o n f i r s t l y , t h eo p t i o ng a m et h e o r yi sp r e s e n t e d t h e nw e a n a l y z eu n c e r t a i nf a c t o r so fg e n e r a t i o ne x p l a n s i o n t w og e n e r a t i o ni n v e s t m e n ts i t u a t i o n sa r ed i s c u s s e di nt h i s p a p e r o n ei sd u o p o l yc o m p e t i o na n dt h eo t h e ri sm u l t i o l i g a r c h sc o m p e t i o n i nv i e wo ft h ed i f f e r e n c e sb e t w e e n t h e s et w os i t u a t i o n s ，w ee s t a b l i s ho p t i o ng a m es i m u l a t i o nm o d e l sr e s p e c t i v e l yb a s e do n a n a l y t i c a lm e t h o da n d d y n a m i cp r o g r a m m i n ga p p r o a c h u n c e r t a i na n dc o m p e t i t i v ef a c t o r sa r ew e l lc o n s i d e r e di nt h eb o t hm o d e l s c o m p a r e dw i t ht h er e s u l t so ft r a d i t i o n a lm e t h o d s ，w ec a nf i n do u tt h ee f f e c t so fu n c e r t a i nf a c t o r st og e n e r a t i o n e x p l a n s i o n t h er e s u l to fa n a l y s i sc a l lp r o v et h a tt h eo p t i o ng a m em o d e l sa r ee f f e c t i v et os i m u l a t em o n o p o l v c o m p e t i o ns i t u a t i o n i t sa l s oc o n s i s t e n tw i t ht h et h e o r e t i c a la n a l y s i s a n a l y z i n gt h es i m u l a t i o n sb a s e do nt h e e s t a b l i s h e dm o d e l s ，s o m e p o l i c yp r o p o s a l sa r ep r e s e n t e d l a s t l y , c o n c l u s i o n sa r em a d eb a s e do nt h er e s e a r c ho u t c o m e s ，a n dd i r e c t i o n sf o rf u t u r er e s e a r c ha r e i n d i c a t e d 1 1 1 er e s e a r c hi nt h i sp a p e rc o n t r i b u t e st of u t u r ee m b e d d e dr e s e a r c ho ng e n e r a t i o ne x p l a n s i o n k e yw o r d s ：e l e c t r i c i t ym a r k e t ；g e n e r a t i o ne x p l a n s i o n ；o p t i o ng a m e i i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知， 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文 档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除 在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括以电子信息形式刊登) 论文的全部 内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布( 包括以电子信息形式刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：么签名：垃日期： 第一章绪论 第一章绪论 随着电力工业改革的深入，传统电力规划已经不能适应电力市场环境下的需要，电源规划转变为分 散决策的发电投资问题。由于电力市场环境下的不确定性及竞争因素的增加，如何选用新的理论和方法， 对新环境下的发电投资问题进行研究成为重要课题。 1 1 研究背景和意义 1 1 1 电力工业改革及问题 全世界电力工业的结构已经开始了一个意义深远的变革。传统的国家所有、政企合一、垂直垄断电 力体制所固有的企业缺乏活力、管理效率低下、电价居高不下和服务质量差等问题日益突出。工业发达 国家先进的电力技术不断完善，而发展中国家电力资金、电能均严重不足，它们从不同的目的出发，以 不同的模式进行改革，但均趋向同一方向：在传统地区垄断的电力工业体制中引入竞争机制。 以英国、新西兰、澳大利亚、美国以及西欧各国为代表的国家进行的电力改革，在一定程度上取得 了很大的成功，大都达到了引入竞争，降低电价，提高效率和为客户提供更多选择的目的。但也存在一 些问题。在电力改革初期，由于市场中大都有较为充裕的发电容量或者市场设计者认为市场本身可以解 决这一问题，发电容量充裕性问题的重要性被忽略，因而导致了部分电力市场出现了不同程度的发电容 量不足以及由此而带来的电价飙升现象1 1 j 。2 0 0 1 年的美国加州电力危机的一个重要原因就是发电容量的 不足【2 j 。2 0 0 3 年，由于旧机组的退役和新机组的建设不足，意大利电力系统在输入6 3 0 0 m w 容量以后， 可用发电容量仍无法满足负荷需求，导致严重停电事故1 3 j 。此外，一些市场管理者也认识到发电容量不 足是导致电价危机以及影响供电可靠性的重要因素。而在与此同时，部分电力市场仍然存在电源投资放 缓，发电容量不足问题卜7 1 。下表显示了几个国外电力市场备用裕度的情况。 表1 1 几个国外电力市场的容量备用裕度( ) 国家年份1 9 8 51 9 9 01 9 9 51 9 9 9 澳大利亚3 62 82 l 比利时3 82 62 l1 8 希腊4 34 23 23 l 冰岛3 43 22 41 4 荷兰4 34 94 l2 6 美国3 02 62 01 6 我国电力市场改革在经历了八十年代缺电形势下的集资办电和九十年代政企分开的改革探索，9 0 年 代末期，中国电力市场的供求关系发生了变化，电力供应不仅不再短缺，而且实现了供需基本平衡，甚 至有些地区出现了阶段性的供大于求。这一变化导致了发电市场开始出现竞争并且竞争程度逐步增强， 逐渐显现出了电力工业产业组织结构垂直垄断的弊端。在发电市场上，国家电力公司拥有电网和调度权， 由于缺少“公平、公正、公开”原则的市场竞争规则，独立发电公司与国家电力公司所属电厂处在不平 等的地位上。同时，电力市场的地方保护主义即省间壁垒逐渐变得异常突出。 2 0 0 2 年，在国务院关于印发 的通知( 国发【2 0 0 2 ) 5 号) 精神和基本原则 指导下，中国的电力体制进行了重大改革。改革的重要举措：一是拆分国家电力公司资产，重新组建为 两大电网公司( 国家电网公司、中国南方电网有限责任公司) 、五大发电集团( 华能、大唐、国电、华电、 中电投集团) 和四个辅业集团( 电力顾问集团、水电顾问集团、水利水电建设集团、葛洲坝集团) ；二是 成立国家电力监管委员会，对电力工业实施监管。2 0 0 3 年3 月，国家电力监管委员会组建成立，按国务 院授权履行全国电力监管职责，国务院有关部门依据相关法律法规履行相关监管职责，中国电力工业新 的管电体制框架逐步形成，由过去的行政管理逐步走向市场监管。 但自2 0 0 2 年以来，我国电力供需矛盾又逐步凸现出来，全国电力供应严重短缺，夏季用电高峰时段 l 东南大学硕士学位论文 拉闸限电损失较为严重。电力供应紧张与电网输电能力有关，但主要原因是电源建设落后，造成整体电 力供应不足和局部短缺。通过积极应对电力供需矛盾，2 0 0 5 年我国电力供应仍然紧张，但是供需矛盾明 显缓和。2 0 0 6 年以来的电力供应形势进一步缓解，全国电力供需形势由缺电向基本平衡过渡，除局部地 区、高峰时段会出现不同程度的缺电外，我国电力供需形势将出现总体平衡。 由于2 0 0 2 年以来的电力供应紧张局面，各大发电集团纷纷抢占电源点，大量电源建设项目上马，全 国新装机容量不断上升。在电力供应逐渐缓和的情形下，电力集团近年大规模跑马罔地之势并没有放缓。 部分地区和企业从局部利益出发，违反国家有关政策和规定，盲目无序建设电站项目，致使电源在建规 模远远超出合理范围。大规模的电源无序建设，其结果必然导致电源布局失衡，电网结构不合理，最终 可能干扰国家电力总体战略和政策的顺利实施。如果这些违规电源项目近期全部建成投产，将在近几年 形成供过于求的局面，使得社会总体经济效益下降；尤其是高耗能小机组的建设和投产，使电力工业技 术水平出现倒退，给今后电力结构调整增加了难度。同时，大量违规项目的突击建设加剧了煤炭运输能 力紧张的矛盾，加重了东部地区的环境污染，加剧了发电设备供不应求的紧张局面，也将埋下设备制造 和工程建设质量隐患，对大电网的安全稳定构成了极大的威胁。 总结国外和国内电力市场改革经验，在改革过程中不同程度上出现了发电投资滞后和电源无序建设 的局面，甚至导致了电源建设周期性波动。这种变化势必导致对电力安全的冲击。为保证电力市场改革 的顺利进行以及电力工业的健康稳定发展，对电力市场环境下的电源建设问题进行研究是有理论和现实 意义的。 1 1 2 电力市场环境下的电源建设 随着电力市场改革的进行，电力工业经受巨大的冲击。体制的重大变革随之带来的是市场环境下， 各市场主体的角色变换和策略变化。市场环境下的电力规划工作将面临着许多新问题，电网公司、发电 公司、政府部门不再是传统环境下作为一体的垂直垄断者，而是相对独立的主体，他们之间存在着市场 竞争与利益冲突，都有自主决策的权利，发电公司不具备保障足够发电容量的义务，厂网分开使得电源 规划和电网规划难以协调等。电源规划问题已经转变为各发电公司自主决策的发电投资问题，各企业层 面的决策问题共同作用构成了电力生产的产业层面问题。 通过对电力市场的研究分析，电源建设与传统电源规划的差异主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 建设激励的不同：在传统体制下，电源建设的目标是为了满足负荷需求，同时还需要执行国家 的产业政策，如发展新能源。企业积极性没有被充分调动，电力公司进行电源建设更多的是执行任务， 激励机制不足。在这种情况下，发电企业在技术和管理方面提高的积极性不足，电源建设是滞后和缺乏 动力的。在市场环境下，发电企业的生产积极性被充分调动。提高企业的竞争力，是每个发电企业的首 要任务。因此而带动的企业在生产技术、企业管理方面的改进使资源利用效率有大幅提高。通过充分竞 争可以获取更多的社会剩余，达到资源有效配置的作用。经济利益的凸显有效的刺激了电源建设的积极 性。 ( 2 ) 投资主体的不同：传统体制下，一体化的电力企业通常是电网和电厂的唯一投资者。电力体制 改革后，电网公司主要负责电网的投资和建设以及关系到宏观发展的电源建设。电源投资渠道宽广，可 以是国有企业，民营资本，甚至外资注入。同时，电源建设中各发电企业的自负盈亏与过去发电厂靠指 标发电有很大不同，追求企业效益和投资回报是最终目标，提高了企业的生产积极性和竞争力。产权的 明晰对企业利润的分配和自主决策等都带来了很大的影响，是电力市场改革的前提。 ( 3 ) 规划主体的不同：电源规划原由各电力企业的规划部门统一进行。电力体制改革后，这些规划 部门一般划归到电网公司，很难为各地区的电源建设做出详尽的规划方案。有可能造成规划方案的不尽 合理，如电厂规划容量的一再变化，扩建工程占整个电源规划项目的比例过高，使得电网规划很难满足 电厂运行和电力送出的安全可靠，同时也有可能出现发电公司在区域电力市场中的支配力过高从而获得 超额利润。 发电公司作为发电投资决策主体，对于电源与电网的协调规划不能很好把握，同时发电公司之间利 用博弈分析进行竞争，增加了电源规划的难度。在市场环境下，电源和电网的协调规划是难点，需要从 体制和规划方法两方面入手解决。而对于分散自主的电源规划，也需要新的理论和方法进行研究。 2 第一章绪论 ( 4 ) 运营主体的不同：传统体制下，发电厂是按计划指令严格发电，企业不用担心市场问题。而指 令的发布与市场的调度规则有关。以我国为例，现阶段大部分电量的交易都是通过基于成本的合同来确 定的，制定电价时一厂一价甚至一机一价，这样的做法在特定的历史时期可以极大的促进电源建设。但 是，在新时期这样的运营体制不利于资源的有效配置，有可能造成高耗能发电的后果；另一方面，通过 行政手段以“指标”为核心的分配体系使得各发电企业更多的关心指标的分配问题，而且指标的分配本身 缺乏严格的经济学意义，不能充分起到合理配置资源的效果，另一方面对发电企业技术革新和提高管理 水平也起不到正确的引导和激励作用。 电力体制改革后，在市场环境下，发电企业通过电力市场投标竞价，发电量的多少完全取决于竟价 的结果。降低发电成本，提高市场竞争力，这是发电企业的生存之路。在市场信号的指导和利润的刺激 下，改变企业观念，提高生产水平，达到促进资源的优化配置的目的。 总结电力市场环境下的电源建设，从企业层面上，发电公司具有自主决策和自负盈亏的特点，影响 收益的不确定性因素比较复杂；从产业层面上，电源建设主要具有以下几点重要特点： ( 1 ) 寡头垄断竞争性：发电投资市场是不完全竞争的。各投资者以利润最大化为准则做出发电投资 决策，同时受到其他投资者投资决策的相互作用和影响。 ( 2 ) 高不确定性：在自主决策、自负盈亏的市场机制下，投资者的决策行为主要受市场风险制约， 加之电源建设具有时间跨度长、投资规模大的特点，投资决策受不确定性因素的影响比较明显。可以说 不确定性贯穿发电投资活动从决策、实施、建设到并网运行的全过程。在不确定的投资环境下，投资者 不仅有选择投资于何种发电容量及类型的权利，还有选择在什么时机及地点进行投资的权利。 ( 3 ) 分散决策：市场赋予了发电投资者自主决策的权利，发电环节整体表现为分散决策，传统体制 下的统一规划和集中决策不复存在，取而代之的是建立完善合理的激励机制，利用市场手段和交易规则 来约束和引导发电投资行为。 1 1 3 研究的意义 有关能源产品投资的传统文献多基于规划及优化的范例【8 l ，然而随着市场的逐步开放，这些文献的 适用性将减少。从发电企业角度，企业迫切需要理论指导其投资决策，客观上需要能够处理市场环境下 的不确定性因素，正确评价项目收益，同时还要计及竞争对手的策略对自身收益的影响；从发电产业角 度，新的行业组织管理者并不是致力于容量扩张的优化，而是市场规则的优化设计，通过市场规则影响 企业的投资决策，从而达到发电环节的健康协调发展，维护电网的安全稳定。 在市场环境下，无论是从发电企业所处的企业角度，还是从市场管理者所处的产业角度，为了达到 长期目标，就应该对市场参与者利润最大化的投资行为有正确的理解，甚至能够预见市场参与者的行为。 因此，建立电源建设的期权博弈模型对企业的投资决策和市场管理者的组织管理都有指导意义。而本文 在此拟从市场管理者的产业角度，运用期权博弈的思想，对企业的发电投资决策行为进行模拟分析，从 而为政策建议的提出做理论分析基础。 1 2 国内外研究现状 电力工业的改革使传统的电源规划问题转变为发电投资问题，在投资决策目标和方法发生了重大的 改变。在选择投资决策方法时要注意以下几点：( 1 ) 目标函数由全局费用最小( 或者其他全局指标) 转 变为发电投资项目的利益最大化；( 2 ) 考虑市场竞争性因素；( 3 ) 考虑市场环境下的不确定性因素的影 响。 针对电力市场环境下的发电投资决策问题，国内外研究主要分为三大类：( 1 ) 基于传统优化算法的 方法；( 2 ) 基于实物期权理论( r e a lo p t i o n a p p r o a c h ，r o a ) 的方法：( 3 ) 基于博弈论的( g a m et h e o r y ) 方法。而作为融合了实物期权和博弈理论优势的期权博弈理论( o p t i o ng a m e ，o g ) ，理所当然的成为新 一轮的研究热点，由于其理论发展是近几年的成果，在发电投资中的应该也是方兴未艾，但仍然取得了 一定的成果。 1 2 1 基于传统优化算法的发电投资决策方法 基于传统优化算法的发电投资决策方法与传统体制下的电源规划方法相似，基本思路是以投资者项 3 东南大学硕士学位论文 目收益最大化为目标，将发电投资问题转化为优化问题，并用传统的优化算法进行求解。与传统电源规 划方法不同的是：( 1 ) 模型中不再计及传统体制喜爱电源规划模型中的一些约束条件，如电力平衡约束 和可靠性约束等；( 2 ) 必须计及市场环境下各种不确定性因素的影响。但是这种方法存在难以考虑竞争 对手投资情况对本项目收益影响的缺点1 9 j 。 文献 1 0 ，1 1 】构造了以最大化自己的收益为目标的电力公司投资决策框架，计及了可靠性约束、c 0 2 排放限制和i p p 运行据测等因素的影响，并分别采用动态规划方法和遗传算法进行求解。文献【1 2 】假设 所有发电投资者必须将自己的电源投资方案提交给监管机构，而监管机构以公告的形式将这些信息综合 分析以后反馈给各个发电公司以便于它们调整自己的投资计划。在上述体制基础上建立了最优化整个系 统的电源规划，并采用遗传算法进行求解。然而，在实际运营电力市场中，发电投资决策属于各个发电 公司的商业秘密，不能强制其向监管机构提交，因此上述体制是与现实情况有差异的。以发电投资者的 装机进度和规模以及融资结构作为决策变量，以最合理地使用资金为目标，文献【1 3 ，1 4 建立了电力市场 环境下包含装机进度、融资结构等决策变量的火电厂投资决策的数学模型，计及了决策者风险洗好程度 的影响，并提出了一种基于分解协调思想的启发式算法进行求解，但对竞争因素的处理尚欠深入。文献 【1 5 针对以水电为主的智利电力市场，假定投资者在制定投资决策时所面临的不确定性因素主要来自于 未来可用水资源的变化，以最大化投资者的收益为目标构造了发电投资决策模型，并采用动态规划方法 求解。 1 2 2 基于r o a 的发电投资决策方法 传统的投资决策多是以净现值( n p v , n e tp r e s e n tv a l u e ) 作为衡量项目优劣的判据，不能很好的处 理不确定性因素和考虑灵活决策的价值。然而电源项目不确定性增加和发电企业自主决策两方面正是电 力市场环境下电源投资问题的新特点。针对这个问题，国内外许多学者提出了将实物期权理论的应用在 发电投资决策中。 许多学者将r o a 应用于长期发电投资规划问题。由于电力投资的回收期长，一般具有多个相机决 策点，且电力工业市场化以后引入了很多不确定性因素，因而用r o a 解决问题时首先要识别投资决策 过程中需要面对的不确定性因素，并构造相应的期权模型。r o a 在电力系统投资决策中有多种类型的应 用：如延迟投资期权【1 6 之0 1 、分阶段投资期权【2 1 1 、差价期权2 2 , 2 3 】。此外还有扩张期权、起停期权、转换期 权等，期权类型不同，其定价方法一般也不同。当项目所含的期权结构比较单一，或期权之间的相关性 较弱时，可直接利用解析方法的b s 期权定价模型求解。否则，可利用动态规划方法或m o n t e c a r l o 仿 真方法求解。 文献【2 4 】分别采用几何布朗运动和均值回复运动模拟市场电价的变化过程，在此基础上采用实物期 权理论求得了实施投资的最优电价阈值，但没有就采用两种电价模型所得到的电价阈值差异过大的问题 给出合理的解释。针对计划经济环境下发电规划方法难以处理对决策灵活性要求的问题，文献 2 5 1 以实 物期权价值表示发电投资项目的灵活性价值，运用b s ( b l a c k - s c h o l e s ) 期权定价模型对发电项目的延 迟投资决策进行估价，其在相当程度上避免了计划经济环境下的发电投资决策方法依赖项目的净现值而 对诸多实物期权价值只能凭主观判断的缺点，从而可以做出更合理的投资决策。文献【2 6 】考虑了市场的 不确定性，建立电力市场环境下的动态投资模型，研究了投资者如何利用投资选择权规避不确定性带来 的风险。通过算例仿真，文献研究了投资者面对市场不确定性获取等待期权的动态决策，分析了价格上 限和投资许可证有效期对投资决策的影响。 1 2 3 基于博弈论的发电投资决策方法 从传统的电源规划转变为市场体制下的多主体分散决策，是电力改革由垂直垄断转向竞争的关键。 发电投资问题不能回避竞争因素对投资决策的影响，也是电力改革后国内外学者研究最热门的内容，取 得了很多有意义的成果。但同时也应该看到，由于博弈数学模型的种类繁多，且各种模型的假设前提差 别很大，现实中也很难达到要求，所以分析应用有比较大的局限性。同时，博弈求解比较困难，一些比 较详尽数学模型的求解更是没有有效的算法实现，为博弈理论的应用增添了难度。 文献【2 7 】将电力市场短期发电决策和长期投资决策统一到一个模型框架中，基于样本路径依赖的开 环信息结构建立了一个旨在描述自由竞争市场发电商长期行为的随机动态博弈模型，试图给出需求不确 4 第一章绪论 定条件下发电投资时机、类型及数量的动态均衡。对算例基础的分析表明了初始发电容量大小和不确定 程度变动对参与人容量扩展路径的定量影响。 文献 2 8 ，2 9 】以芬兰电力市场作为研究对象，以最大化发电公司在整个规划期内的投资收益为目标， 基于n a s h c o u r n o t 均衡构造了电力市场环境下的发电投资决策模型，并在此基础上分析了市场竞争程度 对发电投资的影响以及发电投资水平对电价的影响。在分别将发电公司的投资决策问题和其每年的生产 决策问题表示为离散和连续的n a s h c o u r n o t 均衡问题的情况下，文献 3 0 】构造了一个两层优化模型来进 行发电投资决策分析，并给出了相应的求解算法。基于c o u m o t 均衡模型，文献 3 l 】以最大化发电公司的 投资收益为目标，从全局意义上给出了一个考虑类型机组差异的电源扩展规划库诺特模型，但其静态假 定难以描绘发电容量扩展的动态路径。 文献 3 2 】基于社会福利最大化理论给出了电力产业放松管制后，进入发电市场的最优厂商及其数量 的优化方法。给出用于长期优化的非合作动态博弈模型和用于短期优化的非合作静态博弈模型：基于非 合作博弈模型求解短期内不同厂商规模竞争下的均衡解，求出各均衡解对应的社会总福利；依据福利最 大化的选择原则求解优化模型，确定最优进入市场的厂商及其数量。优化结果既增加了消费者剩余，提 高了电力生产效率，又维持了电力企业的正常利润和生产的规模经济性，避免了资源浪费。文中还给出 了这一优化问题的实用求解方法，并以算例验证。研究结果可供放松管制后的电源建设规划参考。 文献 3 3 3 5 虽然是电网投资问题，但将博弈理论很好的应用在了投资决策之中，对发电投资决策也 有一定的借鉴意义，特别是在博弈模型的建立和求解方面有突出贡献。 1 2 4 基于期权博弈理论的发电投资决策方法 期权博弈理论是近几年刚刚发展起来的新理论，它融合了r o a 和博弈理论的优势，在投资决策应 用方面获得了很很高的评价，在发电投资决策研究中取得了一定的成果，具有巨大的发展前景。 实物期权与金融期权不同，一般不具备独占性。只有当投资机会对于竞争对手来说存在很高的进入 壁垒时，才可以忽略竞争对手的反应，近似认为具有独占性。在很多场合，一个投资机会可能同时被多 个竞争者所拥有，此时实物期权的执行价值不再仅仅是项目价值与投资成本之差，而与竞争对手的反应 也有关系。这正是期权博弈理论所要解决的问题。期权博弈理论是在采用期权定价理论对项目价值进行 评估的同时，利用博弈论的思想和方法，对项目投资进行科学管理与决策的理论与方法。文献【4 0 】认为： 在完全竞争的行业中使用期权博弈方法所取得的结果一般与n p v 法相差不大：而在完全垄断行业中就更 没有必要应用期权博弈理论，此时应用实物期权理论更为合适；期权博弈理论最适合应用于寡头垄断行 业。而发电行业是典型的寡头垄断行业，因此期权博弈理的应用是可行的。 文献 3 6 】兼顾了发电商进行发电投资决策时面临着其他发电商的竞争和项目投资价值的不确定性等 因素，运用b s ( b l a c k s c h o l e s ) 期权定价模型，并采用非合作博弈理论对多发电商的发电项目延迟投 资决策进行评估，从而便于发电商做出更合理的投资决策。实际系统算例说明了该模型和决策方法的合 理性和有效性。文献 3 7 】在此基础上，将期权博弈理论应用在发电与输电的协调规划中。采用非合作博 弈理论对多投资主体的发电和输电项目延迟投资决策进行评估，从而使电力企业( 发电公司或电网公司) 做出更合理的投资决策，也便于电力监管机构了解市场信息，制定合理政策协调厂网规划。实际系统算 例表明，当某种类型电力企业数量较少时，其投资决策对于市场各方影响较大。 文献【3 8 】中指出，】电力工业的市场化改革为发电投资决策带来了更多的不确定因素，也引起了风险。 另一方面，其他发电公司的投资策略也会对所研究的发电公司投资收益产生影响。因此，发电公司在制 定将来的投资决策时，除了要考虑不确定性因素外，还需要分析其他发电公司的投资行为。基于期权博 弈理论，构造了电力市场环境下发电投资决策的一种新的方法框架。在假定发电投资者进行投资决策时 所面对的不确定性因素主要来自于负荷增长、同时考虑了其他发电投资者的投资行为的情况下，发展了 基于期权博弈理论的发电投资的数学模型和求解方法。最后，用仿真算例说明了所提出的方法的基本特 征，并在此基础上，分析了允许的发电公司报价上限对发电投资决策的影响。 文献 3 9 】首先建立了市场环境下的电价计算模型及投资商的收益计算模型，并在此基础上构建了基 于实物期权理论的电源投资动态模型，该模型考虑了投资项目未来收益的不确定性以及投资决定的不可 逆性对最佳投资时机的影响；然后将博弈理论引入模型中以考虑投资商之间的相互竞争对投资决策的影 5 一 东南大学硕士学位论文 响；最后以我国南方区域电力市场为背景，构建了发电容量投资算例，实证研究了投资者面对市场不确 定性和竞争时的动态决策过程。仿真结果说明该模型起到了规避投资风险，获得投资机会的作用。 1 3 本论文主要工作 本文主要研究的课题是针对电力市场环境下电源建设不确定性问题，提出将期权博弈理论应用在发 电投资决策中，以适应电力改革带来的变化。文章首先介绍期权博弈理论，然后从电源建设不确定性因 素分析入手，针对双寡头市场和多寡头市场情形，分别建立基于解析方法和基于动态规划方法的电源建 设期权博弈模型并求解，通过算例分析寻求不确定性因素对电源建设的影响，为在产业层面上提出政策 建议提供分析基础。具体包括以下内容： ( 1 ) 分析电力市场环境下电源建设，指出在建设激励、投资主体、规划主体和运营主体等方面与传 统电源规划的差异。从企业层面上，分析发电公司具有自主决策和自负盈亏的特点；从产业层面上，电 源建设具有寡头垄断竞争性、高不确定性和分散决策的特点。 ( 2 ) 对期权博弈理论进行论述。从分析传统电源投资决策的缺陷入手，详细讨论1 、沪v 方法在处理 不确定性因素和灵活执行方面固有的缺陷，指出传统投资决策模型和评价方法的不足，引出实物期权博 弈和期权博弈的概念。从金融期权、实物期权到期权博弈理论由浅入深详细进行介绍，最后给出期权博 弈理论的应用框架。 ( 3 ) 分析电源建设不确定性因素，从定性的角度分析电源建设不确定性的原因，并对各种原因如何 对电源建设造成影响进行了具体分析。其中包括对电力市场体制、宏观政策、中长期电力需求预测偏差、 能源市场价格波动、电力市场监管不严和其他因素的讨论。 ( 4 ) 针对双寡头竞争和多方竞争的电源建设情况，本文第四章和第五章将分别建立基于解析方法的 期权博弈模型和基于动态规划方法的期权博弈模型。针对算例进行随机市场冲击变量投资阈值计算、市 场均衡分析和灵敏度分析，并对发电投资行为做定性分析。算例分析结果与实际情况对比表明期权博弈 理论在发电投资中的应用是有合理和有效的。 ( 5 ) 论文最后给出总结和展望，总结两种期权博弈模型在进行发电投资决策模拟应用中的作用和局 限性，并给出基于上述模型得出的结论，提出政策建议。最后对本文存在的问题和进一步研究的方向给 出说明。 6 第二章期权博弈理论 第二章期权博弈理论 随着电力工业改革的深入，传统的电源投资决策方法已经不能适应市场环境下的项目评价决策体系。 本章将从分析传统电源投资决策的缺陷入手，指出传统投资决策模型和评价方法的不足，引出实物期权 博弈和期权博弈的概念。鉴于实物期权理论和期权博弈理论在电力系统中的应用尚不广泛，论文在后续 章节进行深入分析之前，对实物期权的概念及定价方法和期权博弈理论的概念及应用框架进行阐述。 2 1 传统的电源投资决策 传统的投资决策方法可以理解为两个层面：一、传统的电源规划模型是统一规划和集中决策的，是 根据电力系统规划的目标进行整体最优决策的结果，不考虑个体的利益最大化以及个体竞争因素：二、 传统的投资决策多是以净现值( n p v ) 作为衡量项目优劣的判据，不能很好地处理不确定性因素和考虑 灵活决策的价值。 2 1 1 传统电源规划模型综述 传统的电源规划是整个电力系统规划的一部分， 靠性水平的条件下寻求一个最经济的电源开发方案。 ( 1 ) 何时投建新发电机组? ( 2 ) 在何处投建新发电机组 目的是根据一时期的负荷需求预测，在满足一定可 主要回答以下问题： ( 3 ) 投建何种类型的发电机组 ( 4 ) 投建多大容量的发电机组 传统的电源规划模型为了寻求和论证最优电源开发方案，应对以下问题作出定量的分析： ( 1 ) 电源结构的合理性 ( 2 ) 规划方案所需一次能源及燃料费用 ( 3 ) 规划方案的投资流和年运行费用 ( 4 ) 供电的可靠性指标 ( 5 ) 规划方案与负荷增长，燃料价格和机组投资等的灵敏度 ( 6 ) 推迟某些关键项目的影响等等。 综上所述，电源规划工作非常复杂。从数学上来说，电源规划模型具有高维数、非线性及随机性的 特点。首先，电源规划需要处理各种类型的发电机组，并要考虑相当常的时期系统电源的过渡问题。这 样在规划中所涉及的决策变量数是十分惊人的。这种维数障碍使往往难以直接应用运筹学中的典型算法。 其次，发电机组的投资限现值和年运行费用都不是有关决策变量的线性函数。另外，一些约束条件，例 如可靠性约束条件，也是非线性的。因而电源规划的数学模型实质上是非线性模型，给求解带来很大困 难。最后，电源规划所需的基础数据，如负荷预测数据、燃料和设备的价格、贴现率等都使包含不确定 因素，从而是电源规划问题具有明显的随机性质。这样不仅要寻求最优电源开发方案，还要对该方案进 行一系列的灵敏度分析，增加了电源规划问题的复杂度。 对于这样复杂的问题，即使实用现代大型电子计算机要在合理的运算时间里严格的求出最优解也是 几乎不可能的。另一方面，原始资料和参数的误差以及很多难以用数学式表达的因素都会影响最终方案 的决策。因此，数学上严格的最优解对实际工程问题而言也未必真正最优。所以传统电源规划算法都在 数学的严格性和计算量之间做了适当的折衷，求取了一些简化方法。这些方法大致可以归纳为以下三种： ( 1 ) 把电源规划问题分解为若干子问题，进行分解协调。典型的做法是把电源规划分解为电源投资 决策和生产优化决策问题两部分。这样不仅可以减少各子问题的维数，而且使各子问题的模型具有便于 处理的性质。 ( 2 ) 以启发式算法代替严格的运筹学优化方法。由于维数障碍，运筹学上典型的算法在处理电源规 划问题时往往需要占用很长的机时。因此在处理实际问题时，可以针对具体问题对严格的算法做一些简 化，或者设计一些能够获得接近最优解的实用算法。这种算法称为启发式算法。在具体的方法中所实用 7 东南大学硕士学位论文 的线性规划法，非线性规划法，动态规划法等等，都是对算法经过一定简化加工的。 ( 3 ) 采用简化假定。例如把机组投资线性化，把煤耗区行线性化或分段线性化是最常用的简化假定。 在传统电源规划中，有个普遍采用的假定：电力系统的全部负荷和所有发电机组都认为集中在一个节点 上。采用这个假定的模型称为单节点模型。国际原子能机构( i a e a ) 的电源规划程序w a s p ，美国西屋 电气公司的w i g p l a n 和法国电力公司的m n i 都属于单节点电源规划模型。由于采用了上述假定，在 进行电源规划时就不需要考虑电源和电力负荷的地理分布，因而可以把同类发电机组合并在一起，使模 型和算法大为简化。这种电源规划模型是按发电机组类型进行优化的，显然不可能回答在何处投建新发 电机组的问题，也不可能计及输电费用对电源投资的影响。但是在电源规划中，电力系统的投资和运行 费用与新发电厂的建造地址有密切的关系。所以，这种模型只有当系统跨越地区较小的和已存在很强的 输电系统，并且所有发电厂本身的特点可以忽略不计的情况下才是合理的。 在能源分布不均匀，原有输电系统薄弱的情况下，如果不考虑输电费用对电源投资决策的影响将很 可能导致决策上的失败。针对以上问题，提出考虑地理位置因素的电源规划模型，有代表性的是j a s p 。 j a s p 采用按发电厂优化的电源规划模型，在w a s p 的基础上考虑各发电厂具体的特点，能很好地处理 这些问题。 w a s p 和j a s p 都是将电源规划问题分解为电源投资决策和生产优化决策2 个部分，采用随机生产 模拟的方法来进行生产优化并计算系统可靠性指标。在电源投资决策部分，w a s p 采用动态规划法，而 j a s p 采用了启发式算法。该算法虽然解决了决策变量多时造成的维数障碍，可以在较少的计算时间内取 得接近最优解的结果，但缺乏严格的理论基础，爬山和排序过程容易陷入局部最优，水火电不能很好地 协调，而且难以处理抽水蓄能电厂的优化。电源规划j a s p 的改进算法采用拉格朗日松弛法进行电源投 资决策。拉格朗日松弛法同样能避免“维数灾”，具有严格的理论基础，算法在理论上是全局最优的，并 能以统一的方式处理火电、水电和抽水蓄能电厂的优化。 如上分析所见，传统电源规划模型的目标是全局最优，但是最优目标有可能是运行和投资费用最小， 同时也有可能考虑可靠性、环保问题和电源电网协调规划等方面，成为一个包含多变量、多制约因素、 多目标的优化问题。新环境下的电源建设问题，各发电公司投资决策的目标是利润最大化，以上问题不 再是发电投资决策者需要考虑的问题，而是电力系统管理者所关心的问题。电源建设的健康稳定发展需 要建立良好的激励机制，而不只是完善电源规划模型和方法。但需要注意的是，传统电源规划需要回答 的问题在新环境下并没有改变，转变的方面已在1 1 2 节中描述。传统的电源规划模型不考虑个体利益最 大化以及个体竞争因素影响。显然上述模型是无法适应电力市场环境下的发电投资问题，应该由符合分 散决策机制的模型来描述这一问题。博弈理论被广泛应用于市场分析，应用于寡头垄断下的电力市场分 析是有效合理的。国内外对此有大量的研究成果，取得了很好的效果，也证明了博弈理论的应用是必要 和合理的。 2 1 2 传统基于净现值的评价方法 传统电源项目价值评估中，常用的方法主要是净现值( n - p v ) 法，通过预测未来各个规划期内的期 望现金流c f ，估算风险折现率l ，比较折现现金流矿与初始投资厶如果胗则投资项目，如果附， 则放弃投资，可用公示表示如下： v n e v = v - i = 言南小 v n e v 。0 ，, 裹罢羹霎 由于n p v 法考虑了资金的时间价值，因而成为包括电力系统在内的各种投资决策评价中广泛使用的 方法。但是n p v 法假设投资是可逆的，或者当投资是不可逆时，投资决策是刚性的，即要么立即投资， 要么永远失去投资机会。然而发电项目是不满足上述两种情况的，由于发电设备的专用性，投资是不可 逆的，在使用寿命结束后也不存在残值，但是可