本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定反映《大众科学》的观点
关于我们正在转型的电力系统的许多争论都围绕着电力生产的经济性。太阳能倡导者不断提醒我们，太阳能电池板的价格突破即将到来，而行业倡导者坚持认为，如果我们对碳污染施加任何有意义的限制，经济将遭受损失。我发现建设性地辩论这些立场通常很困难。与其亲自参与辩论，不如通过这篇文章解释电力市场的基本原理，以说明电力是如何定价的，以及增加或移除电力资源可能会如何影响电价和排放。
智利于1987年成为第一个引入电力竞争的国家。不久之后，英国、威尔士和其他发达国家也纷纷效仿。在美国，1992年的《能源政策法案》正式鼓励向批发电力竞争转型。
竞争性电力市场将传统的垂直整合公用事业公司分割开来，将发电业主与负责电力输送、配电和零售的实体分离。发电业主不再仅仅为了满足其电力客户的需求而发电，而是将其电力投入集中式市场，在那里通过拍卖过程出售。这种电力拍卖过程的独特运作方式是我对电力市场产生兴趣的根源。
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每天，发电业主都会向当地电网运营商提交“能源报价曲线”。能源报价曲线传达了发电机出售电能（以美元/兆瓦时为单位）的意愿，作为其发电量（以兆瓦为单位）的函数。该曲线的形状反映了各个电厂的燃料成本、效率、最小发电量、最大发电量和其他运行特性。例如，核电站的能源报价会低于燃煤电厂，因为核燃料比煤炭便宜。
在每个发电机提交报价曲线后，电网运营商会执行“经济调度”算法，以决定在第二天的每个小时内应由哪些发电机供电。该算法结合了所有能源报价曲线，并解决一个非常大的优化问题，以找出哪些发电机应该在线，以及它们的功率输出应该是多少，以便在不使任何电网输电线路过载的情况下，最大限度地降低总体电力成本。此外，该算法还考虑了意外情况。它安排发电，使系统能够承受至少一条输电线路的突然故障，甚至安排一些发电机随时待命，以应对意外的电力供应短缺。如果没有突破性的CPLEX算法，这种经济调度过程是不可能实现的，而CPLEX算法的商业化并非巧合地与首批电力市场的开放同时发生。
经济调度算法的结果是电力网每个节点上显式时变的“边际节点电价” (LMP)。电力生产商因其出售的能源而获得当地LMP的报酬，这反映了在特定时间和地点提供额外一单位电能的成本。如果电网的某个节点位于输电线路经常拥堵的区域，则其价格可能高于其邻居。此外，随着电力需求水平的提高，LMP通常会增加，因为最昂贵的发电机仅在满足峰值电力需求时才上线。
通过思考给定的能源技术或政策将如何影响电力市场的经济调度过程，我们可以预测它将如何影响电价和排放。
例如，碳排放税将增加燃煤的运营成本，幅度大于天然气。因此，征收碳税将向电网运营商发出明确的价格信号，促使他们优先考虑天然气发电而不是燃煤发电，从而减少电力排放。这就是碳税被誉为减缓气候变化方法的原因之一。
无论考虑何种能源技术或政策，重要的是要了解它如何融入更广泛的电力系统。通过建模电网运营商的经济调度过程，可以预测电网的重大变化将如何影响电价和排放。
参考文献