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电力系统经济学原理习题-全.doc

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电力系统经济学原理 [英] Daniel S.Kirschen, Goran Strbac 著 朱治中 译 课后习题答案 第二章 经济学基础 2-1 解: 1) 边际生产成本表达式: 2)按边际成本出售产品时, 收入: 利润=收入-成本 2—2 解: 1)根据反需求函数:,画出反需求函数曲线: 当价格为零时,最大消费需求:。 2)根据1)所示的反需求函数曲线,最高购买价格: 美元/件 3)由1)的反需求函数曲线可知最大消费者剩余即为反需求函数曲线、价格坐标轴、数量坐标所围三角形的面积. 最大消费者剩余:美元 但是生产者生产了产品,不可能什么都不卖,因此该最大消费者剩余不可能实现。 4)当价格=1000美元/单位产量 反需求函数曲线如下: 消费量: 总消费者剩余:美元 生产者收入:美元 净消费者剩余:净消费者剩余=总消费者剩余-生产者收入 =美元 5)如果价格增加,则美元/单位产量, 消费量: 生产者收入:美元 6)当美元/单位产量时, 需求价格弹性: 7)如下图所示以需求为变量的反需求函数曲线: 知总消费者剩余为一梯形,所以 总消费者剩余为: 总消费者剩余函数为: 净消费者剩余为一三角形,所以 净消费者剩余为: 净消费者剩余函数为: 以4)中当需求为时检验, 总消费者剩余:美元 净消费者剩余:美元 结果一样。 8)需求函数:,以价格为变量的需求函数曲线如下图所示: 知总消费者剩余为一梯形,所以 总消费者剩余为: 总消费者剩余函数为: 净消费者剩余为一三角形,所以 净消费者剩余为: 净消费者剩余函数为: 以4)中当需求为时检验, 总消费者剩余:美元 净消费者剩余:美元 结果一样。 2-3解: 1)供应函数: 需求函数: 在市场均衡点上,生产者愿意提供的商品数量恰好等于消费者愿意购买的商品数量, 令均衡点上的价格为*,数量*, 则: 美元/件 所以,市场均衡点的价格为800美元/件,需求量为120。 2)在1)的均衡条件下, 总消费者剩余:美元 生产者收入:美元 净消费者剩余:美元 生产者利润:美元 总体福利:总体利润=生产者利润+净消费者剩余=美元 2—4解: 1)装饰品的最低限价是900美元/单位产量,高于题2-3中的市场均衡价格800美元/单位产量,则: 市场价格=装饰品的最低价格900美元/单位产量。 此时,商品的需求量:,最低限价使得需求量减少 总消费者剩余:美元,最低限价使其减少 净消费者剩余:美元,最低限价使其减少 生产者收入:美元,最低限价使其增加 生产者利润:美元,最低限价使其减少 总体福利:美元,最低限价使其减少 2)当装饰品的最高限价是600美元/单位产量,低于2—3中的市场均衡价格,则: 市场价格装饰品的最高限价600美元/单位产量 生产者将会消减产量, 生产者收入:美元,最高限价使其减少 总消费者剩余:美元,最高限价使其减少 净消费者剩余:美元,最高限价使其增加 生产者利润:美元,最高限价使其减少 总体福利:美元,最高限价使其减少 3)当每单位产量征税450美元时,假设所有的税收都会转嫁给消费者,设消费者的支付价格为,生产者的销售价格为, 则: 在此情况下,需求量减少到 反需求函数: 供应函数: 联解得: 美元/件 美元/件 所以市场价格为美元/件 净消费者剩余:美元,征税使其减少 生产者利润:美元,征税使其减少 税收收入:美元 总福利:美元,征税使其减少 其中,1)中的无谓损失为:美元 2)中的无谓损失为:美元 3)中的无谓损失为:美元 2-5解: 需求价格弹性 0 200 50 150 200 100 100 100 150 50 66。6 200 0 0 50 2-8解: 1)企业要获利,必须使其平均生产成本低于市场价格 平均成本: 即企业要获利,必须使, 即 得 所以,企业能够获利的生产范围是。 当企业的平均成本边际成本时,恰好实现利润最大化, 边际成本: ∴ 所以,恰好实现利润最大化的生产数量是100。 2)短期成本函数变化,此时的 平均成本函数: ∵ 平均成本市场价格 ∴ 不存在点使得函数,所以企业生产都不会获利。 因为短期成本是由变动成本和固定成本组成,中的200000是固定成本,固定成本太高,因此企业不能获利。 第三章 电能交易市场 3-2 解: 根据题意,分别列出不同价格下双方的电能交易情况: 电力库的价格 (美元/MWh) 魏国北方电力公司 魏国铝业公司 16 生产200MWh电能,从 电力库收入3200美元 消费200MWh电能,向 电力库支付3200美元 18 生产200MWh电能,从电力库收入 3600美元,同时向铝业支400美元 消费200MWh电能,向电力库支3600 美元,同时从电力公司获得400美元 13 生产200MWh电能,从电力库收入 2600美元,同时从铝业获400美元 消费200MWh电能,向电力库支2600 美元,同时向电力公司支付600美元 18 生产50MWh电能,从电力库获得 900美元,向铝业支付400美元 消费200MWh电能,向电力库支3600 美元,从电力公司获得400美元 13 生产200MWh电能,从电力库获得 2600美元,从铝业获得600美元 消费100MWh电能,向电力库支1300 美元,向电力公司支付600美元 【相关原理: ① 如果价差合同价格高于市场价格,买方需向卖方支付一定金额(价差×合同规定的交易数量) ② 如果价差合同价格低于市场价格,卖方需向买方支付一定金额(价差×合同规定的交易数量) 】 3-3解: (1)首先分析【甲】的收支情况: 项目 购买量 销售量 价格 支出 收入 实发电量 800 14 11200 2016年2月20日 200 16 3200 期权费 50 现货购买量 400 15.75 6300 长期合同 600 15 9000 2015年10月20日 200 14。75 2950 2015年12月10日 200 16 3200 2015年12月15日 200 15.5 3100 200MWh按现货卖 200 15。75 3150 合计: 总支出=11200+3200+50+6300=20750(美元) 总收入=9000+2950+3200+3100+3150=21400(美元) 利润=21400-20750= 650(美元) 甲的利润为650美元. (2)分析【乙】的收支情况: 项目 购买量 销售量 价格 支出 收入 实发电量 770 14.25 10972。5 2015年10月30日 250 15.75 3937。5 长期合同(高峰) 500 16 8000 剩20MWh现货 20 15。75 315 合计: 总支出=770×14.25=10972。5(美元) 总收入=3937。5+8000+315=12252.5(美元) 利润=122525.5—10972.5=1280(美元) 乙的利润为1280美元. (3)分析【丙】的收支情况: 项目 购买量 销售量 价格 支出 收入 实际需求(卖) 1250 16。50 20625 期货合同 50 15。5 775 现货市场(买) 50 15.75 787。5 长期合同 700 15.50 10850 期货(10月30日) 250 15.75 3937.5 期货(11月30日) 300 15 4500 合计: 总支出=787.5+10850+3937。5+4500=20075(美元) 总收入=20625+775=21400(美元) 利润=21400-20075=1325(美元) 丙的利润为1325美元。 (4)分析【丁】的收支情况: 项目 购买量 销售量 价格 支出 收入 实际需求 850 16。40 13940 2016年2月28日 100 14 1400 2015年9月30日 200 15 3000 2015年11月30日 200 14.75 2950 2016年2月10日 50 14。5 725 期权 100 15。5 1550 期权费 25 购电合同 550 16。25 8937。5 不平衡电能 150 15。75 2362.5 合计: 总支出=3000+2950+725+1550+8937.5+25=17187.5(美元) 总收入=13940+1400+2362.5=17702.5(美元) 利润=17702。5-(17162。5+25)=515(美元) 丁的利润为515美元。 (5)分析【庚】的收支情况: 项目 购买量 销售量 价格 支出 收入 2015年9月10日 50 14.50 725 2015年10月10日 100 15 1500 2015年11月15日 100 15。25 1525 2016年1月20日 50 14。25 712.5 2016年2月25日 100 17 1700 合计: 总支出=725+1500+712。5=2937.5(美元) 总收入=1525+1700=3225(美元) 利润=3225-2937。5=287.5(美元) 庚的利润为287.5美元。 (6)分析【戊】的收支情况: 合计: 总支出=50×15+250×14=4250(美元) 总收入=100×14.75+200×14.50=4375(美元) 利润=4375—4250=125(美元) 戊的利润为125美元。 3-4解: 1)供应曲线: 2)可以根据图中表示分别求出400MW,600MW,875MW。 400MW价格为13美元/MWh; 600MW价格为14美元/MWh; 875MW价格为18美元/MWh; 负荷预测 价格 甲生产量 甲的收入 乙生产量 乙的收入 丙生产量 丙的收入 400MW 13 100 1300 0 0 300 3900 600MW 14 150 2100 50 700 400 5600 800MW 18 225 4050 150 2700 500 9000 3)假设负荷需求的表达式为D=L-4∏。 在400MW,600MW和875MW时的需求量将发生变化: L=400 D=400-4×13=348 13美元/MWh L=600 D=600-4×14=546 13.5美元/MWh L=800 D=875-4×18=813 15。5美元/MWh 需求 价格 甲生产量 甲的收入 乙生产量 乙的收入 丙生产量 丙的收入 348MW 13 100 1300 0 0 248 3224 546MW 13.5 100 1350 46 621 400 5400 813MW 15.5 200 3100 113 1751.5 500 7750 3-5解: 根据题意,由于现货价格现在为21.50美元/MWh 在签订的价格为24.00美元/MWh的买入期权不执行(24〉21。5) 其余期权要执行(有利润) 具体数据列下表:(高峰) 项目 购买 销售 价格 支出 收入 长期合同 600 20。00 12000 工业用户 50 19.00 950 其它用户 1150 21。75 25012.5 售电期货合同 200 21。00 4200 购电期货合同 100 22.00 2200 买入期权 150 20.50 3075 卖出期权 200 23。50 4700 发电 300 21。25 6375 现货购买 450 21。50 9675 150买入期权费 1 150 200卖出期权费 1 200 300买入期权费 1 300 总利润=(950+25012。5+4200+4700)—(12000+2200+3075+6375+9675+150+200+300) =887.5(美元) 如果要利润减少到零: 现货价格=(887。5+9675)÷450 ≈23.4722(美元/MWh) 此时 20。50 〈 23.47 < 23.50 所以应该放弃300MW的买入期权合同. 3—6解: 根据题意,市场接受了225MW报价 查看曲线图知:此时市场现货价格为21美元/MWh. 项目 购买量 销售量 价格 支出 收入 期货T4 600 20.00 12000。00 核电 400 16。00 6400。00 燃气轮机 200 18.00 3600.00 远期T1 50 21。00 1050。00 长期T3 350 20。00 7000。00 远期T5 100 22。00 2200。00 期权T6 250 25.50 5875。00 现货售点T9 50 21.00 1050.00 家庭用户 300 25。50 7650.00 商业用户 200 25.00 5000。00 平衡市场购 100 21。00 2100.00 T6期权费 2.00 500.00 T7期权费 2.00 400.00 T8期权费 2。00 200。00 利润=4625(美元) 2)如果核电机组突然停运则需要现货市场购电500MWh, 现货价格会从21上涨到28(由曲线可以看出) 所以购电电能的成本将从2000美元上升到140000美元, 此时核电支出由6400下降到0元, 公司将出现利润=—875m美元. 第四章 电能市场成员行为 4—1解: 根据题意所得数据汇总表: 时段 1 2 3 4 5 6 总计 负荷预测值(MWh) 120 230 310 240 135 110 1145 平均成本(美元/ MWh) 22。5 24。5 29.3 25。2 23.1 21。9 — 实际负荷(MWh) 110 225 330 250 125 105 1145 现货价格(美元/ MWh) 21.6 25.1 32 25。9 22。5 21。5 — 合同成本(美元) 2700 5635 9083 6048 3118。5 2409 28993.5 不平衡电能(MWh) ﹣10 ﹣5 20 10 ﹣10 ﹣5 - 平衡成本(美元) ﹣216 ﹣125.5 640 259 ﹣225 ﹣107。5 225 总成本(美元) 2484 5509.5 9723 6307 2893.5 2301.5 29218.5 总收入(美元) 2640 5400 7920 6000 3000 2520 27480 利润(美元) 156 ﹣109.5 ﹣1803 ﹣307 106。5 218。5 ﹣1738.5 由上表可得:益州电子在6h内的损失为1738。5美元, 要想实现收支平衡,应向终端客户收取的电费费率为:美元 4—2解: 燃气发电机组的输入—输出曲线: 将输入—输出曲线乘以天然气的成本美元/MJ,得出机组的小时运行成本曲线: 计算机组的发电极限: 假设机组按最小稳定出力发电,其边际成本: (美元/MWh) 假设机组按最大出力发电,其边际成本: (美元/MWh) 如果市场价格大于等于机组最大出力发电的边际成本,则机组按照最大出力发电。 如果市场价格小于最小稳定出力发电的边际成本,则此时机组发电会亏损,发电商会选择在不能停机的前提下按最小稳定出力发电,不然发电越多越亏损. 介于两者之间时,按边际成本恰好等于市场价格决定的发电量来发电。 所以:在第2、第6个时段内按最小稳定出力发电, 在第5个时段内按最大出力发电, 在第1、第3、第4个时段内按市场价格决定的发电量来发电。 MW MW MW 根据机组的小时运行成本曲线 得出机组各个时段的成本,机组的利润为总收入减去成本, 各数据如下表所示: 时段 1 2 3 4 5 6 总计 价格(美元/MWh) 12.5 10 13 13.5 15 11 发电量(MWh) 223。33 200 306。67 390 500 200 1820 总收入(美元) 2791.63 2000 3986。71 5265 7500 2200 23743.34 成本(美元) 2785。99 2496 3848.58 4952。70 6474 2496 23053.27 利润(美元) 5.64 ﹣496 138.13 312。30 1026 ﹣296 690.07 得出该燃气发电机组在6h的交易区间内其运行利润为690。07美元。 4—4解: 不考虑动态约束的影响,当有数量等于500美元的启动成本,且开始时处于停机状态,因为价格条件与题4—2相同. ①假设机组在第1时段开始发电,制表,表机组在连续时间段内的成本与损益: 时段 1 2 3 4 5 6 价格(美元/MWh) 12.5 10 13 13.5 15 11 发电量(MWh) 223。33 200 306。67 390 500 200 总收入(美元) 2791.63 2000 3986.71 5265 7500 2200 启动成本(美元) 500 0 0 0 0 0 运行成本(美元) 2785。99 2496 3848。58 4952.70 6474 2496 总成本(美元) 3285.99 2496 3848。58 4952。70 6474 2496 利润(美元) ﹣494.36 ﹣496 138。13 312。30 1026 ﹣296 累计利润(美元) ﹣494.36 ﹣990.36 ﹣852。23 ﹣539.93 486。07 190.07 由上表可以看出,当机组再有500美元启动成本的情况下从第1时段开机,只有到第5时段才开始盈利,前4个时段都亏损。 ②假设机组从第2时段开始开机,表机组在连续时间内的成本与损益表为: 时段 1 2 3 4 5 6 价格(美元/MWh) 12.5 10 13 13。5 15 11 发电量(MWh) 0 200 306。67 390 500 200 总收入(美元) 0 2000 3986。71 5265 7500 2200 启动成本(美元) 0 500 0 0 0 0 运行成本(美元) 0 2496 3848.58 4952.70 6474 2496 总成本(美元) 0 2996 3848。58 4952。70 6474 2496 利润(美元) 0 ﹣996 138。13 312.30 1026 ﹣296 累计利润(美元) 0 ﹣996 ﹣857。87 ﹣545.57 480.43 184.43 由上表可以看出,从第2个时段开机的利润更少。 ③假设机组选择在第3时段开机, 时段 1 2 3 4 5 6 价格(美元/MWh) 12。5 10 13 13。5 15 11 发电量(MWh) 0 0 306。67 390 500 200 总收入(美元) 0 0 3986.71 5265 7500 2200 启动成本(美元) 0 0 500 0 0 0 运行成本(美元) 0 0 3848.58 4952。70 6474 2496 总成本(美元) 0 0 4348.58 4952.70 6474 2496 利润(美元) 0 0 ﹣361。87 312。30 1026 ﹣296 累计利润(美元) 0 0 ﹣361.87 ﹣49。57 976.43 680。43 如果选择在第4时段开机,则在第4时段的亏损将增加为美元,会降低最后的总利润,又因为在第6时段内亏损,所以选择在第3时段开机,第5时段的终点停机,此时利润最大为976。43美元。 最终选择的开停机时段内的成本与损益如下表: 时段 1 2 3 4 5 6 价格(美元/MWh) 12.5 10 13 13.5 15 11 发电量(MWh) 0 0 306。67 390 500 0 总收入(美元) 0 0 3986。71 5265 7500 0 启动成本(美元) 0 0 500 0 0 0 运行成本(美元) 0 0 3848.58 4952。70 6474 0 总成本(美元) 0 0 4348。58 4952.70 6474 0 利润(美元) 0 0 ﹣361。87 312.30 1026 0 累计利润(美元) 0 0 ﹣361。87 ﹣49.57 976.43 0 4—5解: 如果机组的最小运行时间是4小时,根据题4—4的解,知道到机组在第3时段开机,运行4小时后,在第6时段结束时能实现利润最大化,此最大化利润是:680。43美元。 4—6解: 要最小化发电成本,原问题的最优问题的拉格朗日函数为: 其中L为350MW的负荷 对此函数求偏导,并令其等于零,可得到存在最优解的必要条件: 求解上述方程得: A的最优出力: MW B的最优出力: MW C的最优出力: MW 电能边际成本值: 美元/MWh 总的负荷供应小时成本为: 4-7解: 因为现货价格为8.20美元/MWh,低于题4-6中解出的电能的影子价格 美元/MWh,所以蜀国发电公司应该选择向市场购买电能,并将自身机组的发电量调低, 使得: MW MW MW 蜀国发电公司自身机组发电总量为: MW 所以,公司应该向市场购买电能: MW 支付费用: 美元 总的小时成本为: 4-8解: 蜀国电力公司可以在现货市场以10。20美元/MWh的价格售电时,其最优解为发电边际成本恰好等于现货市场价格时的解。 即: MW MW MW 机组共发电: MW 机组发的电除了供应350MW的负荷之外,还可以在现货市场上售出MW的电能,得到收益:美元。 4-9解: 由题4—8中得机组的最优发电出力为: MW MW MW 由于题目中给出了机组的发电约束,所以机组的实际发电为: MW MW MW 总发电厂出力为: MW 可以售出电能: 取得收益: 4—10解:古诺模型竞争结果: A B 5 10 15 20 25 30 35 40 45 5 10 370 15 690 20 960 25 1180 30 1350 35 1470 40 1540 45 1560 40 1530 395 110 370 105 345 100 320 95 295 90 270 85 245 80 220 75 195 70 10 15 345 20 640 25 885 30 1080 35 1225 40 1320 45 1365 50 1360 55 1305 740 105 690 100 640 95 590 90 540 85 490 80 440 75 390 70 340 65 15 20 320 25 590 30 810 35 980 40 1100 45 1170 50 1190 55 1160 60 1080 1035 100 960 95 885 90 810 85 735 80 660 75 585 70 510 65 435 60 20 25 295 30 540 35 735 40 880 45 975 50 1020 55 1015 60 960 65 885 1280 95 1180 90 1080 85 980 80 880 75 780 70 680 65 580 60 480 55 25 30 270 35 490 40 660 45 780 50 850 55 870 60 840 65 760 70 630 1475 90 1350 85 1225 80 1100 75 975 70 850 65 725 60 600 55 475 50 30 35 245 40 440 45 585 50 680 55 725 60 720 65 665 70 560 75 405 1620 85 1470 80 1320 75 1170 70 1020 65 870 60 720 55 570 50 420 45 35 40 220 45 390 50 510 55 580 60 600 65 570 70 490 75 360 80 180 1715 80 1540 75 1365 70 1190 65 1015 60 840 55 665 50 490 45 315 40 40 45 195 50 340 55 435 60 480 65 475 70 420 75 315 80 160 85 —45 1760 75 1560 70 1360 65 1160 60 960 55 760 50 560 45 360 40 160 35 45 50 170 55 290 60 360 65 380 70 350 75 270 80 140 85 -40 90 —270 1755 70 1530 65 1305 60 1080 55 855 50 630 45 405 40 180 35 -45 30 4-11解: 采用古诺模型 发电机的利润: 约束条件 联合:成本函数: 反需求函数: 可以求出: 发电公司A的最优化决策:∵ ∴ 发电公司B的最优化决策:∵ ∴ 求解得: MW MW ∴ MW 美元/MWh 美元 美元 4-12解: 在电能价格最低的4h内抽水,为1—4小时, 在电能价格最高的4h内发电,为7-10小时, 抽水蓄能电厂贮存量为1000MWh时,重新发出电能是的转换率约75%, 则1—4小时内每小时抽水点能为: MWh, 7—10小时每小时发电为: MWh 制表如下: 时段 电能价格(美元/MWh) 电能消耗(MWh) 电能释放量(MWh) 收入(美元) 1 40。92 250 0 ﹣10230 2 39.39 250 0 ﹣9847。5 3 39.18 250 0 ﹣9795 4 40。65 250 0 ﹣10162。5 5 45.42 0 0 0 6 56.34 0 0 0 7 58.05 0 187。5 10884。4 8 60.15 0 187。5 11278。1 9 63。39 0 187.5 11885。6 10 59.85 0 187。5 11221.9 11 54.54 0 0 0 12 49。50 0 0 0 总计 1000 750 5235 该厂在循环周期内可实现利润5235美元。 要是利润等于零,设电厂效率为, 抽水时消耗电能和前面一样,发电时发出的电能为每小时 MWh 将上表中7—10小时段内的表重新计算过,为 7 58.05 0 250 14512。5 8 60.15 0 250 15037.5 9 63。39 0 250 15847。5 10 59.85 0 250 14962。5 总计 - 1000 1000 0 因为利润为零,则: ﹣10230﹣9847.5﹣9795﹣10162.5+14512.5+15037.5+15847。5+14962.5=0 =66。333% 即利润为零时的电厂效率为66.33%。 第五章 系统安全与辅助服务 5—1解: 这三台发电机容量: 150 200 250 分别编号为A.B。C 根据题意,只有三种可能:(B和C)(A和C)(A和C)(A和B) 如果A停运剩余 200+250=450MW; 如果B停运剩余 150+250=400MW; 如果C停运剩余 150+200=350MW; 取最小,所以最大负荷350MW。 5—3解: 1)由于必须遵守N-1安全标准 所以在三条输电线路均投运情况下: 最大电力传输:(3—1)×300=600MW. 2)只有两条额定容量为300MW 最大电力传输=(2—1)×300=300MW。 3)有两条线路为容量300MW第三条为200MW 同题5-1的方法可得: 最大电力传输为500MW. 4)如果是有一台机组发生了故障则在后来的20min之内可承受10%的过负荷 两台机组的过负荷:300×10%×2=60MW 同时下游母线以4MW/min速度增加出力,在这20min内增加的总出力为4×20=80MW, 此时为600+80=680MW 由此可见运行时的最小容量为660MW 最大电力传输:660MW。 5)如果下游母线以2MW/min的速度增加出力,则在20min 10%的过负荷消失后,下游母线累计出为:2×20=40MW 所以电力传输:600+40=640MW。 6)低温与强风可以提高导线在空气中的散热速度,假定线路的载荷能力因此提高到超过本题4)中对应的持续,紧急负荷状态15%的水平。 按负荷的15%算可得: 最大电力传输:759MW。 第六章 输电网络与电力市场 6-1解: ①第一组交易: B→X, MW MW A→Z, MW MW C→Y, MW MW 应用叠加定理,各线路上的潮流为: MW MW MW ②第二组交易: B→Z, MW MW A→X时,不经过输电线路 A→Y, MW MW A→Z, MW MW 应用叠加定理,各线路上的潮流为: MW MW MW ③第三组交易: C→X, MW MW X→Y, MW MW B→C, MW MW A→C, MW MW A→Z, MW MW 应用叠加定理,各线路上的潮流为: MW MW MW 根据对第一、二、三组交易的计算,可得结果如下表: 组别 F12 (MW) F23 (MW) F13 (MW) 是否可同时发生 第一组 —120 80 20 是 第二组 0 400 400 否 第三组 80 -220 -180 是 6-2解: 1)A、B之间的线路断开,则A、B两边各自独立运行,此时 MW, MW, MW 所以, 美元/MWh 美元/MWh 2)A、B之间的线路处于投运状态,没有输电容量限制,则A、B两地形成一个统一的市场,其电能价格相等,所以 也即 解得 MW MW 电价为:美元/MWh 线路潮流为: MW 3)A、B之间
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