评估电力市场在容量扩张背景下对系统韧性的影响：一种综合的仿真-优化方法

《Renewable Energy》：Assessing the impact of electricity markets on resilience in the context of capacity expansion: An integrated simulation-optimization approach

提升电力系统在极端事件中的韧性需平衡可再生能源渗透率与市场机制优化，研究提出13.64%的RE阈值实现最佳韧性，并建立包含技术性能和经济成本的多维度评估框架。

　　

潘伟杰 | 埃克丹约·希图

达特茅斯学院欧文能源与社会研究所，汉诺威，新罕布什尔州，03755，美国

摘要

提高电力系统对高影响、低概率（HILP）突发事件日益增多的抵御能力变得越来越紧迫。随着可再生能源（RE）的整合加速了全球脱碳进程，资源间歇性、巨额资本投资以及不断变化的市场动态等挑战使得构建具有抵御能力的电力系统变得更加复杂。尽管技术有所进步，但由于缺乏综合考虑技术和非技术因素的全面韧性评估，我们在实现更加一体化的能源系统方面仍面临阻碍。本研究评估了电力市场结构对灾后系统运行的影响，旨在确定在可再生能源发电能力扩大情况下的最佳市场机制。研究采用了序贯模拟-优化方法，结合基于Modelica的工具来模拟系统频率，并优化九种市场模式下的灾后运营。提出了一个多维度韧性评估框架。建模结果的主要发现包括：(1) 可再生能源发电能力的扩大可能会使系统频率不稳定，但可以在灾后时期降低能源供应风险；(2) 电力市场模式显著影响从生产消费者处购买太阳能的单位成本，实时市场最初能降低成本，但随着可再生能源能力的增加，日前市场变得更加有效；(3) 确定了一个13.64%的可再生能源容量阈值，超过这一阈值后，系统的韧性表现达到最佳，此时更优选的市场模式从实时市场转变为日前市场。本研究在方法论上做出了贡献，提出了一种综合考虑技术性能和经济成本的系统韧性评估方法。在实际应用中，它为系统规划者和政策制定者提供了关于如何平衡可再生能源扩张与市场动态以增强系统韧性的见解。

引言

扩大可再生能源发电技术的能力一直是电力行业脱碳进程中持续且重要的趋势，对缓解全球气候变化做出了重要贡献[1]。然而，可再生能源的间歇性、巨额资本投资需求以及与市场演变和政策改革相关的不确定性共同对容量扩张计划构成了挑战[2]。再加上近年来由于传统集中式发电厂故障导致的严重电力系统突发事件频发（例如2021年美国的德克萨斯州电力危机[3]和2025年的伊比利亚半岛大停电[4]），本研究旨在评估更高比例可再生能源（RE）接入情况下电力系统的韧性。

本研究的动力来自于越来越多的人将韧性作为评估严重高影响、低概率（HILP）事件后系统性能的指标的兴趣。尽管目前尚未就电力系统中韧性的明确定义或具体量化达成共识[5]，但韧性通常被描述为一个包含四个阶段的动态灾后过程：预防、退化、恢复和适应[6]。值得注意的是，这些阶段是作为独立过程考虑还是同时处理，相应的韧性增强策略也会有所不同。从技术角度来看，系统运营商可以利用备用发电机控制[7]、储能系统[8]和系统重构技术[9]的进步来减轻系统故障对供应侧的连锁影响。从非技术角度来看，通过财政激励措施促进分布式发电（DG）的采用[10]，以及利用负价格机制协调能源[11]，可以在灾后恢复期间提高需求响应参与度，从而提升整体系统韧性。然而，从技术和非技术两个角度评估系统韧性具有挑战性，这突显了需要采取一种多维度的方法，将灾后性能与可持续发展相平衡，这也是本研究的核心重点。

随着推动可再生能源技术能力的扩展，构建具有抵御能力的能源系统变得越来越重要。然而，对于这种高度一体化的系统的投资决策必须谨慎进行。这种必要性不仅源于将可再生能源纳入系统运营所带来的不稳定性（如频率和电压波动），还源于对能源管理的更广泛影响，包括供应商-消费者协调和电价调整以平衡成本和收入[12]。据我们所知，现有文献缺乏同时考虑技术和经济因素的系统韧性综合评估。因此，本研究探讨了以下核心研究问题：(i) 可再生能源发电能力的扩张如何影响集成型生产消费者-消费者混合能源社区在灾后的系统性能？以及(ii) 在什么条件下，电力市场规划能够增强具有增加的可再生能源容量的集成型能源系统的韧性？

鉴于结合技术和非技术韧性评估的挑战，本研究采用了一种模拟-优化模型耦合方法。首先使用Modelica语言在Dymola平台上模拟了在严重发电限制情况下的电力系统运行情况，以电网频率作为主要稳定性指标。模拟输出确定了系统退化后的运行状态，即从频率偏离可接受范围开始到恢复稳定性的时间段。将退化期间的技术运行参数纳入优化模型中，通过调整混合型消费者-生产消费者社区内的电价来最小化运营商的灾后成本。根据电力市场情况（如实时市场或日前市场），主要决策变量包括批发电价和/或购买多余生产者太阳能的单位价格。这种序贯建模方法应用于不同的可再生能源容量，以评估系统性能。通过这种综合建模方法，本研究捕捉了系统的运行复杂性，验证了技术性能，并为韧性能源系统的决策提供了指导。

所提出的方法应用于使用基于Modelica的开源仿真包TransiEnt.EE构建的电力系统[14]。建模结果在传统集中式发电厂故障的情景下揭示了三个关键发现：(1) 扩大可再生能源容量可以缓解灾后供应短缺，但过度扩张会导致频率不稳定和更高的资本成本；(2) 不同可再生能源水平下的电力市场设计和定价对运营商从生产消费者处购买多余能源的成本影响不一，而能源流动的动态是系统韧性的关键决定因素；(3) 一个新的综合韧性指标表明存在一个最佳的可再生能源容量阈值：低于该阈值时，实时市场提供最佳的韧性表现，而超过该阈值时，日前市场则表现出更好的韧性。

本研究在方法论上做出了两项重要贡献。它提出了一种综合系统建模方法，通过灾后的技术和经济评估来评估韧性。所提出的指标涵盖了不同可再生能源容量下的规划和运营阶段。在规划阶段，模型评估了对中断的敏感性，随着可再生能源容量的增加，频率稳定性得到改善。在运营阶段，它同时评估了技术性能和经济影响以增强韧性。在实际应用中，本研究为规划者和政策制定者提供了关于如何平衡可再生能源扩张与市场动态以增强系统韧性的见解。

部分摘录

文献综述

本研究回顾了三个领域：(1) 韧性测量和改进策略，(2) 使用仿真工具进行韧性分析，以及(3) 电力市场运营对系统韧性的影响。

方法论

为了解决研究空白和问题，本研究采用了一种模拟-优化耦合模型。首先使用Modelica语言在Dymola平台上模拟了在严重发电限制情况下的电力系统运行情况，以电网频率作为主要稳定性指标。模拟输出确定了系统退化后的运行状态，即从频率偏离可接受范围开始到恢复稳定性的时间段。退化期间的技术运行参数被纳入优化模型中，通过调整混合型消费者-生产消费者社区内的电价来最小化运营商的灾后成本。根据电力市场情况（如实时市场或日前市场），主要决策变量包括批发电价和/或购买多余生产者太阳能的单位价格。这种序贯建模方法应用于不同的可再生能源容量，以评估系统性能。通过这种综合建模方法，本研究捕捉了系统的运行复杂性，验证了技术性能，并为韧性能源系统的决策提供了指导。

所提出的方法应用于使用基于Modelica的开源仿真包TransiEnt.EE构建的电力系统[14]。建模结果在传统集中式发电厂故障的情景下揭示了三个关键发现：(1) 扩大可再生能源容量可以缓解灾后供应短缺，但过度扩张会导致频率不稳定和更高的资本成本；(2) 不同可再生能源水平下的电力市场设计和定价对运营商从生产消费者处购买多余能源的成本影响不一，而能源流动的动态是系统韧性的关键决定因素；(3) 一个新的综合韧性指标表明存在一个最佳的可再生能源容量阈值：低于该阈值时，实时市场提供最佳的韧性表现，而超过该阈值时，日前市场则表现出更好的韧性。

本研究在方法论上做出了两项主要贡献。它提出了一种综合系统建模方法，通过灾后的技术和经济评估来评估韧性。所提出的指标涵盖了不同可再生能源容量下的规划和运营阶段。在规划阶段，模型评估了对中断的敏感性，随着可再生能源容量的增加，频率稳定性得到改善。在运营阶段，它同时评估了技术性能和经济影响以增强韧性。在实际应用中，本研究为规划者和政策制定者提供了关于电力市场动态对公用事业利润和需求响应影响的见解。它还建议在推动脱碳的同时考虑技术和经济因素，以指导韧性能源系统的发展。

部分摘录

文献综述

本研究回顾了三个领域：(1) 韧性测量和改进策略，(2) 使用仿真工具进行韧性分析，以及(3) 电力市场运营对系统韧性的影响。

方法论

为了解决研究空白和问题，本研究采用了一种模拟-优化耦合模型。总体研究框架如图1所示。

从概念上讲，综合系统评估涵盖了技术和经济性能。从技术角度来看，能源需求是恒定的；灾后性能取决于可再生能源的渗透率和容量扩张，这些因素影响系统的稳定性和持续时间

结果

本研究从三个角度展示了建模结果：(1) 不同可再生能源容量下的模拟频率性能，(2) 不同可再生能源扩张情况下的最优运营成本，以及(3) 不同市场模型下的电价。

讨论

结果的讨论从五个角度进行。首先，考虑到不同的太阳能补贴价格和电价，购买太阳能的单位成本为情景比较提供了一个标准化指标。其次，通过综合评估明确了关键趋势。第三，结合模拟和优化结果，开发了一个涵盖技术和非技术措施的综合性韧性评估框架。

结论

本研究通过整合技术和经济维度，推进了电力系统韧性评估的发展。利用序贯模拟-优化框架，将灾后系统频率性能与不同电力市场模式下的运营成本分析相结合。所提出的多维度韧性指标涵盖了频率稳定性、系统退化持续时间以及从生产消费者处购买太阳能的成本，提供了全面的评估

CRediT作者贡献声明

潘伟杰：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、可视化、验证、软件、方法论、调查、正式分析、数据整理、概念化。埃克丹约·希图：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、验证、监督、软件、资源管理、项目协调、资金筹集、正式分析、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。