《Renewable Energy Focus》：Capacity expansion for low-carbon electricity systems with hydropower: a comparison of long-term market designs and unit operations
编辑推荐：
摘要本文采用最低成本容量扩展模型，分析在两种长期电力市场架构下——仅能源市场与能源容量市场——拥有水力发电且正在向低碳系统转型的电网的系统运行状况。我们以纽约电网为案例，该电网包含三种不同类型的水力发电技术：水库式、径流式和抽水蓄能式水力发电。在采用现实的市场参数时，两种市场设计
摘要
本文采用最低成本容量扩展模型，分析在两种长期电力市场架构下——仅能源市场与能源容量市场——拥有水力发电且正在向低碳系统转型的电网的系统运行状况。我们以纽约电网为案例，该电网包含三种不同类型的水力发电技术：水库式、径流式和抽水蓄能式水力发电。在采用现实的市场参数时，两种市场设计导致的系统总成本、平均电价、发电模式以及可靠性水平均较为相似。不过，能源容量市场设计能带来更稳定的电价，同时总容量投资略高，这些投资多用于那些固定成本高且年容量因子低的技术。我们还分析了这三种水力发电技术的运行状况及盈利能力差异。研究结果表明，与水库式或径流式水力发电相比，抽水蓄能式水力发电与可变可再生能源的互补性更强；而在向低碳电力系统转型过程中，这三种水力发电技术都将会出现显著的运行变化。
引言
北美经过重组的电力市场采用了两种主要机制来保障大系统的可靠性：仅能源市场与能源容量市场。在仅能源市场中，发电商仅出售能源和备用容量，当可用发电能力不足时，其价格可能会升至很高水平。尽管定价机制可能是基于一定的资源充足标准设计的（例如，十年内发生一次负荷损失事件），但独立系统运营商并不会直接采购发电容量以满足此类资源充足标准。而在能源容量市场模式下，系统运营商会采购——或要求负责供电的机构采购——一定数量的发电容量，这一数量是根据资源充足标准确定的。来自这些资源充足机制的容量补偿费用可以补充来自能源市场和备用市场的相关收入，而且后者的价格相比仅能源市场要更低。
学术界已通过定性和定量方法广泛探讨了这两种市场设计模式的差异。然而，很少有研究在低碳电力系统的背景下对这两种市场模式进行比较。这类分析非常重要，因为许多拥有重组电力市场的地区都制定了相关政策，旨在减少或彻底消除电力系统中的二氧化碳排放。在本文中，我们运用多期最低成本容量扩展模型，研究了正在向低碳系统转型的简化版纽约独立系统运营商电网中，仅能源市场与能源容量市场的对比结果。我们的建模方法具有以下几个特点：考虑了现有及新资源在多个时间周期内的投资与退役决策，构建了一个“存量系统”模型；详细阐述了包括能量存储、抽水蓄能水力发电和水库式水力发电在内的各种灵活但受能量限制的资源类型；还针对可变可再生能源和能量存储设计了内生计算的容量额度。
我们在学术研究中做出了两项主要贡献。首先，我们研究了在通过清洁能源标准推动系统向低碳电网转型的过程中，仅能源市场与能源容量市场在关键市场结果方面的差异，这些结果包括发电组合、系统成本以及电价等。我们发现，当为每种市场设计应用现实的市场参数时，两者之间的整体差异较小，但能源容量市场带来的装机发电容量总量略高，系统总成本也稍高，同时更倾向于支持那些资本成本高、容量因子低的技术，且电价波动更小。其次，我们分析了三种不同水力发电技术——水库式水力发电、径流式水力发电和抽水蓄能水力发电——在不同时间阶段以及不同市场设计下的运行状况和收益情况。研究结果表明，这三种水力发电技术在调度模式和盈利能力方面都可能随时间发生显著变化。其中，抽水蓄能水力发电是与可变可再生能源最为互补的水力发电技术，而水库式和径流式水力发电则更像是可变可再生能源的直接替代品。我们发现市场设计对盈利能力的影响较小，这也与不同市场设计下系统结果相似这一现象相符。
本文的其余部分结构如下：第2节总结现有相关文献；第3节介绍我们的研究方法，包括建模思路以及所分析的具体案例；第4节概述以纽约独立系统运营商电网为基准的测试系统，附录中提供了更多细节；第5节呈现与上述三个研究领域相关的发现；最后在第6节总结研究发现与政策启示，并探讨未来研究方向。
章节摘录
文献综述
最早的一组相关研究采用定量方法，比较了仅能源市场、能源容量市场以及其他基于容量的资源充足框架。这些研究使用了多种模型，包括基于代理的模型[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]，随机均衡模型[7]、[8]、[9]，系统动力学模型[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]，以及在完全竞争或不完全竞争条件下的结构经济模型[16]、[17]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]、[23]等，用于研究相关问题。
模型概述
我们采用最低成本容量扩展优化模型，在满足系统及机组特定约束的前提下，综合考虑每个时间步的运行、投资和退役决策，从而最小化整个电力系统的总成本。该模型的构建基于我们之前的研究成果[21]、[37]、[38]、[48]，并做了一些调整；详细的模型公式见附录。与之前的研究相比，主要改进在于采用了某种方式来表示水库式水力发电机组。
案例研究数据
测试系统以2021年的纽约独立系统运营商电网为基础。此处列出了关键假设，更多细节见附录。模拟工作是在阿贡国家实验室计算资源中心的Bebop集群上，使用Julia 1.8.2[53]和CPLEX 20.1软件完成的。该集群配备有Intel Xeon E5-2695v4处理器，内存为128GB。文中所有财务数值均以2020年的美元价值为准。
分析局限性
在呈现研究结果之前，我们需要指出该分析存在的一些关键局限性。首先，虽然成本最小化优化模型得出的结果在某些假设条件下对应于完全竞争市场均衡，即一个拥有单一容量扩展年份的“新建系统”[27]、[28]、[29]，但我们所使用的这个拥有现有资源且需要在多个时间周期内分步进行容量扩展的“存量系统”，目前尚未被证明能够对应于这种市场状态。
市场设计比较：系统层面结果
我们的第一组研究结果探讨了在两种不同的市场设计（仅能源市场与能源容量市场）以及两种政策情景（实施清洁能源标准与不实施该标准）下，关键市场结果的差异。本节的结果对于理解第5.2节中将要介绍的各种水力发电技术的运行状况也具有重要意义。
结论
在本文中，我们研究了与电力市场设计及建模方法相关的两个问题。首先，对于正在向低碳系统转型的拥有水力发电的电网，仅能源市场设计下的关键市场结果与能源容量市场设计下的结果有何差异？其次，不同市场设计及政策情景下，三种不同类型水力发电技术的运行状况和盈利能力又存在哪些差异？为回答这两个问题，我们采用了相应的分析方法。
CRediT作者贡献说明
Mark Noll：写作——审稿与编辑，写作——初稿撰写，可视化，方法论，研究分析，形式化分析，概念构建。Jongwhan Kwon：写作——审稿与编辑，指导监督，方法论，研究分析，数据整理，概念构建。Audun Botterud：写作——审稿与编辑，指导监督，项目管理，方法论，资金筹集，概念构建。
利益冲突声明
作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知利益冲突或个人关系。
致谢
资金支持：本研究得到了美国能源部水力发电技术办公室以及西北大学工程可持续性与韧性中心的资助。提交的这份手稿是由UChicago Argonne, LLC制作的，该公司是阿贡国家实验室的运营方。阿贡国家实验室是美国能源部科学办公室下属的实验室，其运营依据为合同编号DE AC02-06CH11357。
Mark Noll|Jongwhan Kwon|Audun Botterud
美国伊利诺伊州埃文斯顿市谢里登路2145号C210室，西北大学工业工程与管理科学系，邮编60208
