跨境电力关税削弱北美互联电力系统效率、脱碳与可靠性：基于纽约州2015—2024年电力市场数据与电力系统仿真的实证研究

《Nature Communications》：Cross-border electricity tariffs undermine power system efficiency, decarbonization and reliability in North America

　　

美国（U.S.）和加拿大共享一个互联电力系统，其中跨境贸易可降低成本、支撑低碳发电，并在系统承压时平衡供需。关税争端可能带来进口电力成本上升或进口被削减的风险，但其系统级后果仍不明确。在此，研究人员利用十年纽约电力市场数据和电力系统仿真表明，对加拿大电力征收关税会减少进口、提高价格、降低经济福利，并通过以化石燃料发电替代水电和核电富集的进口电力而增加碳排放。在历史市场条件下，对安大略进口电力征收约55%以上关税，或当关税扩展至魁北克时约90%以上关税，几乎会消除受影响的进口。加拿大电力可及性下降会缩小运行备用（operating reserves），而运行备用在意外短缺期间提供闲置容量；这会增加夏季高峰期间对燃油电厂（oil-fired plants）的依赖，并提高冬季严重扰动期间强制限电（forced power cuts）的风险。因此，开放的跨境电力贸易支撑成本效率、脱碳和电网韧性。

该研究发表于《Nature Communications》。研究背景方面，美国（U.S.）与加拿大的电力网络通过广泛跨境互联线路相连，这种互联可利用资源禀赋和需求曲线地理差异优化发电调度，促进风、光、水、核等清洁能源大规模部署，并在系统承压时共享备用和应急电力。数十年跨境电力合作带来经济和可靠性收益。但自2025年1月以来，贸易争端和关税措施使跨境电力贸易面临中断风险；电力不同于多数贸易品，需通过市场机制瞬时交付，实时跨境潮流受系统条件和价格信号影响。既有先例有限，因此需要量化评估贸易壁垒对北美电力系统运行、经济和气候目标的影响。纽约州（NYS）被作为案例，因为其与加拿大安大略独立电力系统运营商（IESO）和魁北克水电（HQ）以及美国国内PJM互联（PJM）、ISO新英格兰（ISO-NE）互联。研究人员构建集成实证–仿真框架，使用纽约独立系统运营商（NYISO）运行和市场数据，检验三个假设：关税扭曲市场出清降低社会福利；限制低碳加拿大进口增加化石燃料发电和CO₂排放；削弱互联降低备用裕度和运行灵活性，尤其在高峰需求和系统故障时。

关键技术方法（不超过250字）：研究人员基于 NYISO Market Information System 2015—2024年运行与市场数据，样本队列来源包括约1.65亿条日前市场投标记录，覆盖州内发电机、负荷服务实体和跨区交易商；同时使用 Form EIA-860、PUDL、HIFLD、ERA5 和 GODEEEP-Hydro 等公开数据。核心方法包括关税调整的边际供需均衡模型、合成纽约州输电系统模型（1,489个母线、2,099条线路、七个电压等级）、日前机组组合与实时N?1安全校验，以及冬季风暴蒙特卡洛随机停电模拟。

研究结果部分包含以下小标题。第一，加拿大进口供应纽约州总负荷约10%。通过分析2015—2024年月度交换、5分钟和小时级数据，加拿大进口占NYISO负荷9.89%，其中安大略4.25%、魁北克5.64%；总净进口通常供应10%—20%负荷。IESO和HQ分别可向NYISO出口最高2,500 MW和2,100 MW。虽然年度占比不高，但在0.02%的5分钟时段加拿大进口超过NYISO负荷30%，最高达45%；在0.56%的小时（十年492小时）超过20%。2023年末因魁北克水电干旱减产、野火基础设施扰动和气价下降，NYISO曾暂时向HQ净出口，并更多依赖PJM补充进口。

第二，关税提高电价并降低社会福利。研究人员使用约1.65亿条日前市场投标记录和关税调整边际供需均衡模型发现，关税侵蚀加拿大低成本优势，随税率上升减少日进口并推高边际能量价格（MEP），但部分时段因替代供应有限或更贵，加拿大进口仍可出清。仅对安大略进口征收关税时，超过约55%后IESO市场份额降至低位；扩展至魁北克时阈值约90%。福利瀑布分解显示，NYISO负荷和加拿大出口商损失大于NYISO发电机、其他邻区出口商和政府关税收入所得，净福利为负，形成跨境互利贸易减少的无谓损失。气价与MEP增量的相关性随税率升高而增强；气价高时加拿大进口对关税较不敏感，2015年初和2022年即使假设100%关税，约70%基线加拿大进口仍持续。

第三，关税增加排放并影响气候目标进展。纽约州《气候领导与社区保护法》（CLCPA）要求2030年70%电力来自可再生能源、2040年零排放电网。HQ发电约99%可再生，以水电为主；IESO以核、水、风为主，近年化石燃料仅约12%。研究人员基于2018—2023年进口变化估算化石和非化石进口组成，发现关税限制低碳进口，增加州内化石发电以及来自PJM和ISO-NE的净进口；低税率下IESO减少燃气发电并继续利用水电，高税率下出口下降导致IESO剩余水电利用不足。排放量化显示美国系统因化石发电增加而排放上升，IESO因化石输出减少而下降，HQ近零排放组合影响可忽略。关税还提高NYISO购电成本。开放互联还使魁北克水库可作为大规模可调度储能，估计容量175.5 TWh，支持可变可再生能源整合；1,250 MW Champlain Hudson Power Express（CHPE）连接魁北克与纽约市，成本约60亿美元（USD），在无关税跨境贸易融资和合同假设下于2026年5月进入商业运行，关税会带来政策和收入不确定性，可能抑制跨境输电投资并延迟CLCPA目标。

第四，开放电网互联支撑电网可靠性。研究人员用历史NYISO运行数据、合成输电系统、发电资源和空间负荷建模，开展夏季高峰与冬季风暴评估。夏季对100个最严重高峰负荷日（主要在7月和8月）进行日前机组组合和实时N?1安全校验，发现加拿大进口减少后，其他邻区进口受可用输电能力限制只能部分抵消缺口，系统备用裕度下降，纽约市和长岛燃油调峰机组容量因子上升；魁北克高压联络线直接连接下州受限负荷中心，其出口下降造成局部供应缺口。冬季风暴基于2022年12月23—26日Winter Storm Elliott，假设只有燃气机组故障，故障率30%—60%，每水平200次蒙特卡洛模拟，比较加拿大全面实时响应支持、计划固定出口和无出口。结果显示全面实时响应支持可降低预期未供电能量（EUE）、负荷短缺小时（LDH）及备用短缺小时（RDH）；在极端风暴情景下，加拿大进口将发生切负荷前可容忍的燃气机组故障率从40%提高至55%。此外，人工智能（AI）数据中心需求增长可能提高纽约州用电、降低备用裕度并增加爬坡需求。

讨论部分总结：该研究对地缘政治干预形式的电力关税如何直接影响北美电力系统运行进行了实证量化评估。基于NYISO日前市场历史投标的仿真表明，加拿大进口的成本优势与区域天然气价格密切相关；关税超过安大略55%或安大略加魁北克90%时，加拿大电力几乎被排除出市场，但气价高企时仍具竞争力。若进口缺失，系统更依赖州内化石发电，边际电价上升、社会福利下降，并因清洁进口被高排放国内发电替代而增加CO₂排放和购电成本。关税还降低夏季备用裕度，增加冬季风暴下未供电能量及负荷和备用短缺小时；魁北克高压联络线对下州受限区域尤为关键。研究人员建议，电力贸易政策应考虑跨境市场协调和系统运行，建立双边能源安全协议，在施加限制前咨询系统运营商；政策框架应支持跨境互联继续运行和应急互助，开展跨境应急规划；长期跨境输电投资需要承诺，政府可通过担保或保险降低贸易政策不确定性风险，并把电力合作作为气候外交平台。政策一致性应依据能源和气候目标评估；对追求脱碳、清洁能源授权和区域可靠性的辖区而言，惩罚低碳灵活加拿大水电和核电富集进口会适得其反。研究局限包括安全与商业敏感性导致真实数据获取受限，NYISO投标数据匿名化使关税影响由历史出清价格附近的边际变化推断，纽约州详细输电网模型非公开，合成网络可能偏离实际网络。

研究结论翻译：综合而言，结果表明，加拿大电力进口降低了模拟成本，并有助于纽约州的运行可靠性和清洁能源目标。随着贸易型干预带来日益增加的政策风险，保持开放且无关税的电力贸易可支持可靠、经济高效和低碳的电网。