基于复杂系统理论的能源供需模型的理论方法及政策分析

能源供需系统是一个复杂的经济系统，简单的研究方法和局部分析已不能适应能源供需体系的复杂性。本课题基于系统科学的新视角，对能源供需这一复杂巨系统的整体性进行研究。从我国能源供需体系现状和历史演变数据出发，分析我国能源供需的特点、特长及演化规律，提炼各能源品种自身供需问题和他们之间的相互耦合、相互影响及内在互动相关性；基于复杂系统理论构建不同形成机制的能源供需复杂网络模型，寻求兼顾供需体系中各子系统内的平衡及各子系统间的均衡和优化，实现各能源品种、各区域之间的有效互补；研究如何通过政策调控与市场调节的有机结合提升系统中的供应能力、保持我国能源供需平衡及打造低碳能源供应体系；研究如何建立能源供需预警机制，消除突发事件可能带来的不利影响,规避能源价格波动风险、提高应对突发事件的承受能力。建立能源全球战略下的更加安全、低碳的合乎能源自身经济发展规律的我国能源供需体系理论，给出我国能源供需的战略选择。

(1) 综合考虑影响中国能源需求的各个因素，基于改进的BP神经网络对中国能源需求进行预测。 基于复杂系统理论，依据东部能源需求、西部能源供应、东部能源进口及可再生能源发展之间相互耦合、相互影响及内在互动相关性的复杂背景，建立了能源供需系统。根据实际的能源统计数据，应用神经网络方法，辨识了能源供需模型的重要的未知参数，理论分析了供需系统随参数变化而出现稳态到混沌的动力学行为，数值模拟验证了理论分析的结果。该系统能够反映中国一些地区(如上海)的能源供需实际情况。基于反馈控制、脉冲控制、自适应-脉冲控制及模型参考控制理论，针对能源供需系统的不确定性和时变性，研究能源供需系统的稳定性控制策略。(2) 建立了一个普适的能源供需网络模型，不同的模型参数对应的能源供需网络可以刻画化石能源中的煤炭、石油、天然气供需网络及可再生能源中的核电、风力、太阳能、生物质能供需网络特征。模型演化中包含了增长-择优连接-多重连接-断边重连-市场调节等机制，体现了富者更富，大权凝聚的特征，保证了能源供应的稳定性。利用平均场理论，获得了边权不随时间演化情况下的节点点权的SPL分布及“漂移量” 和幂指数 的解析表达式。给出了边权随时间演化情况下的节点点权的SPL分布及“漂移量” 和幂指数 随参数变化的数值模拟结果。实证分析了中国、美国煤炭生产企业1991年至2009年的产量的SPL分布，刻画了中国、美国煤炭企业的内在特征。通过中美两国煤炭网络的实证分析的对比和模型参数的对比，揭示了中美煤炭供需状况内在的本质区别及相同点，中国煤炭网络2010年的状态与美国煤炭网络1995年的状态比较接近，表明中国的煤炭市场也开始向寡占型过渡。最后对中国煤炭供需策略提出了完善煤炭市场竞争机制、提升煤炭企业竞争力、提高铁路运输保障能力及增加坑口电厂建设等建议。模型的理论分析、数值模拟与实证结果相互验证，说明了模型的可行性，表明点权 的权重 和两类节点数目比 是模型的重要参数。 (3) 通过研究具有时滞、脉冲和切换的复杂网络控制、同步理论，研究自然灾害、国际能源环境变化等突发事件对能源供需系统的影响及引起的连锁影响。(4) 通过研究复杂网络相互依赖、相互影响及网络之间耐受攻击的能力，研究能源供需体系中各子系统内的相互耦合、相互影响及内在互动相关性，研究能源供需网络的鲁棒性，研究如何建立能源供需预警机制。