促进能源低碳转型的市场机制-从机制设计角度看如何避免“反直觉”问题（2023）

促进能源低碳转型的市场机制 莘南理工大学 SouthChinaUniversityofTechnology 从机制设计角度看如何避免 反直觉”问题 华南理工大学荆朝霞 2023年3月17日，武汉 莘南理工大学 目录 CONTENTS SouthChinaUniversityofTechnology 1促进能源低碳转型的市场机制 电力市场机制设计与反直觉问题 机制设计中反直觉问题的研究方法 4分区定价方法中的反直觉问题分析运行补偿费中的反直觉问题分析 6总结 莘南理工大学 SouthChinaUniversityofTechnology 01 促进能源低碳转型 的市场机制 电力市场机制面临的挑战 莘南理工大学 SouthChinaUniversityofTechnology 传统市场：基于火电为主电力系统，未充分考虑大量新能源用户/储能等参与 低碳等政策目标 波动随机 次能源 体制创新 传统市场未考虑 储能的广泛参与 大量主动负荷参与多零边际成本机组 机制设计 技术设计 适应新型电力系统的电力市场机制的探索 莘南理工大学 SouthChinaUniversityofTechnology 特点面临挑战解决方案研究进度 低碳等政策目标 走进 波动随机次能源力市场 储能的广泛参与 大量分布资源参与 多零边际成本机组 适应新型电力系统的电力市场机制的探索 特点面临挑战 低碳等政策目标计划市场协调 波动随机次能源量价不确定增加力市场 储能的广泛参与多元技术特性 大量分布资源参与海量异质主体 多零边际成本机组多元经济特性 莘南理工大学 SouthChinaUniversityofTechnology 适应新型电力系统的电力市场机制的探索 莘南理工大学 SouthChinaUniversityofTechnology 特点面临挑战解决方案研究进度 低碳等政策目标计划市场协调混合市场体系 基于收益容量机制 波动随机次能源量价不确定增加调节需求产品体系 储能的广泛参与多元技术特性能量约束报价机制 大量分布资源参与海量异质主体 时钟代理拍卖机制 责权对等输电服务 多零边际成本机组 多元经济特性激励相容结算机制 机制设计理论2007诺贝尔 莘南理工大学 SouthChinaUniversityofTechnology 研究在自由选择、自愿交换、信息不完全及决策分散化的条件下，能否设 计一套机制（规则或制度）来达到既定目标的理论 博奔论和社会选择理论的综合运用：假设人们的行为是按照博奔论所刻画 计就是考虑构造什么样的博奔形式，使得这人博奔的解最接近人社会目标 博奔、决策分散信息不完全社会目标博奔形式：机制 机制设计基本要求 参与约束 预算平衡 莘南理工大学 SouthChinaUniversityofTechnology 参与比不参与好√市场运营者收支平衡 市场收益< 报价成本不平衡资金 激励相容 √个体利益与整体利益一致 最优|有效 V个体最优策略与整体最优一致√拍卖成本最小收益最大 市场报价=真实成本 社会福利最大 荆朝霞,容语霞,王一凡,谢文,周琳,叶文圣,季天瑶.电力市场不平衡资金综述： 成因、对策与展望[J/0L.电网技术:1-15[2023-03-17].D0I:10.13335/j.1000- 3673.pst.2022.2033. 最优机制设计-维克瑞拍卖（VickreyAuction） 莘南理工大学 SouthChinaUniversityofTechnology 1996年诺贝尔奖 出价最高的买主赢得，支付价格：第二高出价 出价最低的卖主赢得，获得价格：第二低出价 机制设计难点 莘南理工大学 SouthChinaUniversityofTechnology 参与约束 预算平衡 √参与比不参与好√市场运营者收支平衡 对双边报价的交易， 市场收益〉报价成本 激励相容 不平衡资金 最优有效 不存在可以同时满足激 励相容、参与约束、有 √个体利益与整体利益一致效以及预算平衡四个性 √个体最优策略与整体最优一致拍卖成本最小收益最大 市场报价=真实成本 社会福利最大质的机制。 机制可能无法实现设计者的预期自标 反直觉 華南理工大学 SouthChinaUniversityofTechnology 02 电力市场机制设计 与反直觉问题 电力市场设计1电力市场设计中的反直觉问题走进电力市场，2018.7.29 电力市场设计从矛盾论、机制设计等角度看电价机制中的“反直觉”问题，走进电力市场，2022.6.30 ，龙苏岩1，宋瑜辉2，刘宇明3，张天宝3，荆朝霞2电力现货市场分区定价方法的“反直觉”现象及其代理 模拟分析，电力科学与技术学报2023 直觉与反直觉 莘南理工大学 SouthChinaUniversityofTechnology 直觉反直觉问题 反直觉 依据对事物现象及其看起来有一个明显、简单 变化的直接感觉、接的结论，但正确推论却与触而作出的判断人们的直觉所想相反 物体运动是力的作用 与直觉相对应，与先前知识相冲突或相的知识或新信息 静止的例子具有能量和动量 光是直线传播的 相关政策、机制无法黑洞辐射 达到预期的目标，甚 至导致相反的结果 不同介质中光速不同 不同领域的反直觉问题 莘南理工大学 SouthChinaUniversityofTechnology 经济学数学 卢卡斯批判（LucasCritique）贝叶斯悖论，非欧几里得 几何学，超限数 社会学 非理性决策，群体极化， 反直觉问题 555学术分析 物理学 相对论时间膨胀，量子纠缠， 自证预言效应引力透镜效应 教育学 哲学 giuie 混淆练习，分散效应，生成效应资本主义的“假象自由”(False 交错效应Consciousness），悖论，矛盾 机制设计基本要求 参与约束 预算平衡 莘南理工大学 SouthChinaUniversityofTechnology 参与比不参与好V市场运营者收支平衡 市场收益 报价成本不平衡资金 激励相容 √个体利益与整体利益一致 最优|有效 V个体最优策略与整体最优一致√拍卖成本最小收益最大 市场报价=真实成本社会福利最大 荆朝霞,容语霞,王一凡,谢文,周琳,叶文圣,季天瑶.电力市场不平衡资金综述： 成因、对策与展望[J/0L.电网技术:1-15[2023-03-17].D0I:10.13335/j.1000- 3673.pst.2022.2033. 参与约束的重要性 莘南理工大学 SouthChinaUniversityofTechnology 参与约束 预算平衡 √参与比不参与好市场运营者收支平衡 市场收益〉报价成本不平衡资金 激励相容 最优|有效 √个体利益与整体利益一致 如果机制不满足 √个体最优策略与整体最优一致 市场报价=真实成本 拍卖成本最小收益最大 社会福利最大 参与约束，无法实 现最优。 参与约束 激励相容最优 必要条件必要条件 PAB机制与MCP机制中的反直觉问题 华南理工大学 直观结果 800 PAB结算：总购电成本=100×2+200×1+400×1=800元 MCP结算：总购电成本=400×4=1600元700 PAB与MCP机制对比 SouthChinaUniversityofTechnology 结论：MCP结算能降低购电成本，降低电价 成立不同市场机制中市场主体报价策略一致 600 500 400 300 条件200 100 实际结果 考虑PAB下交易成 本增加 123456 报价（￥/MW)需求（MW)MCP(￥/MW) 市场主体策略 PAB下购电成本与 PAB下总成本可能会高于MCP 调整MCP趋同 17 机制设计中反直觉现象产生原因 華南理工大学 SouthChinaUniversityofTechnology 市场主体在市场中的策略或报价不是静止不变的 动态性在机制研究中未考虑主体的策略型报价行为，以固定的报价参与市场电力市场出清模型中目标函数对市场主体之间的互动行为未考虑 电力市场设计的目标包括效率、公平、环保等多个方面 系统性具体某个机制的设计中未考虑其他主体、其他环节、其他目标的影响 电能量市场与辅助服务市场耦合机制 长期性 主要考虑长期目标与短期目标、长期效果与短期效果之间的矛盾短期企业运营决策的依据是价格大于可变成本 长期：企业运营决策的依据是价格大于总平均成本 长期来看必须有一定的短期利润（不考虑固定成本计算的利润），累积起来可以补偿固定成本 电力市场中的反直觉问题举例 莘南理工大学 SouthChinaUniversityofTechnology PAB与MCP 分区定价机制 运行补偿费机制 发电变动成本补偿机制 价格上限的设定 可再生能源全额消纳政策 如何证明？ 莘南理工大学 SouthChinaUniversityofTechnology 03 机制设计中反直觉 问题的研究方法 反直觉问题的研究方法 不考虑市场主体的策略行为，对 静态不同市场机制的均衡结果的分析缺乏对相关机制 的动态性的考虑 验证机制设计 莘南理工大学 SouthChinaUniversityofTechnology 验证 静态均衡分析 直观的结论小系统算例大系统算例 建模建模 人工启发式迭代方法实际机组的报价与其技 简单市场主体目标的设置 术特性、成本特性、风支撑 险偏好、掌握的信息情 算例设置(场算例设置(场 系统报价调整的方式况等多种因素有关景、参数) 动态带均衡约束的数学规划模型多个非凸规划问题 建立双层优化模型，通过KKT条难以建模成为双层 简化景、参数) 件转化 规划的下层问题 仿真仿真 动态均衡分析 MPEC、EPEC模型1 复杂基于主体的多代理仿真模型 收敛性 结论结论 系统自下而上建模，分析不同市场机 稳定性 动态 制下的交易结果和报价策略可解释性 算法如何选择 较好地捕捉市场微观动态且易于 解释市场成员行为及激励响应 21 反直觉问题的研究方法 莘南理工大学 SouthChinaUniversityofTechnology 不考虑市场主体的策略行为，对 静态不同市场机制的均衡结果的分析缺乏对相关机制 的动态性的考虑 直观的结论 市场主体目标设定 市场主体报价 静态均衡分析 人工启发式选代方法实际机组的报价与其技 市场出清 重新报价 简单系统 问题 系统简化 市场主体目标的设置 报价调整的方式 术特性、成本特性、风 险偏好、掌握的信息情 况等多种因素有关主体目标否 动态简化 带均衡约束的数学规划模型 建立双层优化模型，通过KKT条 多个非凸规划问题 达成？ 调整报价策略 动态均衡分析 件转化 MPEC、EPEC模型 难以建模成为双层是 规划的下层问题 复杂基于主体的多代理仿真模型收敛性 结束送代 系统自下而上建模，分析不同市场机 稳定性 动态 制下的交易结果和报价策略可解释性 较好地捕捉市场微观动态且易于算法如何选择 解释市场成员行为及激励响应22 反直觉问题的研究方法 莘南理工大学 SouthChinaUniversityofTechnology 不考虑市场主体的策略行为，对 静态不同市场机制的均衡结果的分析缺乏对相关机制的动态性的考虑 上层模型 直观的结论 静态均衡分析 人工启发式迭代方法实际机组的报价与其技 机组竞价策略模型 目标函数：通过改变机组的报价行为最大化其收益 收益：发电收入－发电成本 简单 系统 系统简化 动态 市场主体目标的设置 动报价调整的方式 带均衡约束的数学规划模型 术特性、成本特性、风险偏好、掌握的信息情况等多种因素有关 多个非凸规划问题 报价行为：电力市场中的报价 态均衡分析 建立双层优化模型，通过KKT难以建模成为双层 条件转化规划的下层问题 MPEC、EPEC模型 分段报价和最大出力 下层模型 出清电价和出力 复杂基于主体的多代理仿真模型 自下而上建模，分析不同市场 收敛性 电力市场出清模型 系统机制下的交易结果和报价策略 稳定性目标函数：使电力市场社会利益最大化 动态较好地捕捉市场微观动态且易 于解释市场成员行为及激励响 可解释性 算法如何选择