控制工程师在下一个电力市场转型中的角色

《Annual Review of Control, Robotics, and Autonomous Systems》：Control Engineer Roles in the Next Power Market Transition

电力市场与系统操作的协同挑战。本文通过学术界与工业界合作，分析电力市场规则基于有效市场理论的问题，指出固定成本与消费者价值被忽视导致理论脱节。动态竞争均衡模型显示价格信号与实际负荷响应存在非线性关系，且短期优化无法实现长期可靠。案例研究表明需求响应存在 rebound effect 和社会公平问题，需结合虚拟储能（VES）和分布式控制技术。控制理论与经济学交叉提出混合市场模型，强调长期规划与风险共担机制的重要性。

　　电力市场与电力操作中的权力操作（Power Operations）是一个涉及学术界与工业界共同探讨的复杂领域。本文通过系统地分析现有市场机制的理论基础及其在现实电力系统中的局限性，揭示了电力市场设计中存在的一些关键问题。这些挑战主要源于市场理论与实际运营之间的脱节，具体表现为对固定成本的忽视以及对消费者价值的不充分理解。文章强调，传统的高效市场理论虽能解决某些优化问题，但在现实电力系统中，其适用性存在明显局限。

首先，文章指出电力市场的理论基础建立在对价格信号和市场均衡的假设之上，认为市场参与者在价格激励下能够做出最优决策。然而，这种理论假设忽略了电力系统中存在大量的固定成本，如基础设施投资、设备维护等，这些成本在市场定价中往往被低估或忽略。此外，传统市场模型并未充分考虑消费者在不同时间尺度下的实际需求和偏好，例如舒适性、自主性、易用性等非经济因素，这些因素在现实市场中对消费者的决策具有重要影响。

文章进一步指出，传统的电力市场模型基于“风险中性”的假设，即市场参与者仅关注成本和收益，而忽略了风险和不确定性。然而，电力系统本身具有高度的不确定性，例如可再生能源的间歇性、需求波动、设备故障等。这种不确定性使得市场理论所预测的“均衡”在现实中难以实现，且可能导致系统运行的不稳定性。例如，在2021年美国得克萨斯州（ERCOT）的电力危机中，尽管采用了“稀缺定价”（Scarcity Pricing）机制，即在电力供应紧张时提高价格以鼓励消费者减少用电，但这一策略未能有效避免系统崩溃，并导致大量消费者因高昂的电费而面临财务困境。这一事件表明，市场理论在处理实际电力系统的复杂性时存在严重不足。

文章还指出，传统的电力市场模型假设消费者对电力价格的反应是连续的，即随着价格的变化，消费者的用电行为也会相应地调整。然而，现实情况表明，这种假设并不成立。例如，某些电力设备（如水加热器、空调）在价格波动时并不会立即调整其运行状态，而是基于其自身的“服务质量”（QoS）需求进行优化。这种非连续性使得市场理论所依赖的“供需曲线”在实际应用中存在偏差，从而导致价格信号无法有效引导电力系统的运行。

此外，文章讨论了“虚拟电池储能系统”（Virtual Battery Energy Storage System, VES）和“需求调度”（Demand Dispatch）的概念。这些概念旨在利用消费者和工业设备的灵活性，以实现类似储能系统的效果，从而提高电力系统的稳定性。然而，实现这一目标需要对消费者的用电行为进行深入研究，并结合电力系统的实际需求进行优化设计。例如，水加热器和空调等设备在电力供应紧张时可能会提前调整其运行状态，以应对未来的电力需求高峰。然而，这种行为并不总是与市场价格信号相匹配，且可能对消费者的日常生活造成负面影响。

在电力市场设计方面，文章提出了一个基于“可靠性系统运营商”（Reliability System Operator, RSO）的混合市场模型。该模型结合了传统电力系统的集中规划与市场化机制，旨在平衡长期规划与短期市场反应之间的关系。RSO通过市场规划过程确定电力系统所需资源的类型、数量和位置，并通过竞争性拍卖机制选择资源提供者。这种模型的优点在于能够考虑长期成本和风险，同时保留市场机制的灵活性和效率。然而，其实施仍面临诸多挑战，包括如何在市场中引入长期投资激励、如何确保市场参与者在长期规划中的协调、以及如何在市场机制中体现消费者的非经济性需求。

文章还指出，传统的电力市场模型在处理电力系统的复杂性时存在明显的局限性。例如，当前的市场设计往往基于“边际成本定价”（Marginal Cost Pricing），即通过将价格设定为边际成本来实现市场效率。然而，这种定价方式忽视了固定成本的重要性，且在实际运营中可能导致市场失衡。此外，由于电力系统的运营需要考虑多个时间尺度，从分钟级的短期调度到数十年的长期投资，因此，仅依赖短期优化可能无法实现系统的长期稳定和可持续发展。

在应对这些挑战时，文章强调了电力系统与市场设计之间需要更紧密的合作。控制理论与经济学的结合可以为电力市场提供更全面的视角，帮助设计出更有效的市场机制。例如，控制工程师可以利用其对系统动态性和鲁棒性的理解，优化价格信号的设计，使其能够更好地引导消费者的用电行为。同时，经济学家也可以借鉴控制理论中的优化方法，对电力市场的长期规划和资源配置进行更精确的建模。

此外，文章还讨论了“需求响应”（Demand Response）和“需求调度”（Demand Dispatch）在电力市场中的不同角色。需求响应通常通过价格信号激励消费者调整用电行为，而需求调度则涉及对灵活负载的直接控制。这两种机制各有优劣，需求响应在理论上具有较高的灵活性，但在实践中可能因消费者对价格信号的不敏感而失效。相比之下，需求调度通过集中控制，可以更有效地应对电力系统的短期波动，但其实施需要高度的协调和复杂的系统设计。

文章还指出，当前的电力市场设计未能充分考虑消费者在不同时间尺度下的实际需求。例如，在电力供应紧张时，价格信号可能无法有效激励消费者减少用电，因为某些设备的运行无法轻易调整，或者消费者对价格信号的反应存在滞后性。因此，市场设计需要结合消费者行为的复杂性，采用更灵活的激励机制，如基于服务质量的定价、动态价格调整等，以确保电力系统的稳定性。

最后，文章呼吁学术界与工业界加强合作，共同推动电力市场的改革。这包括开发更先进的市场模型，以考虑固定成本和消费者价值；改进价格信号的设计，使其能够更有效地引导电力系统的运行；以及探索混合市场机制，以平衡长期规划与短期市场反应之间的关系。同时，文章还强调了在电力市场中引入风险评估和不确定性处理的重要性，以确保市场机制的鲁棒性和可靠性。

总之，本文揭示了电力市场理论与实际操作之间的脱节，并提出了改进市场设计的新思路。通过结合控制理论与经济学，可以更好地应对电力系统的复杂性，提高市场的效率和稳定性。未来的研究应重点关注如何在市场机制中融入长期规划、风险评估和消费者行为的复杂性，以实现更可靠的电力系统运营。