本文發表於《大眾科學》的前部落格網路，反映了作者的觀點，不一定反映《大眾科學》的觀點
關於我們正在轉型的電力系統的許多爭論都圍繞著電力生產的經濟性。太陽能倡導者不斷提醒我們，太陽能電池板的價格突破即將到來，而行業倡導者堅持認為，如果我們對碳汙染施加任何有意義的限制，經濟將遭受損失。我發現建設性地辯論這些立場通常很困難。與其親自參與辯論，不如透過這篇文章解釋電力市場的基本原理，以說明電力是如何定價的，以及增加或移除電力資源可能會如何影響電價和排放。
智利於1987年成為第一個引入電力競爭的國家。不久之後，英國、威爾士和其他發達國家也紛紛效仿。在美國，1992年的《能源政策法案》正式鼓勵向批發電力競爭轉型。
競爭性電力市場將傳統的垂直整合公用事業公司分割開來，將發電業主與負責電力輸送、配電和零售的實體分離。發電業主不再僅僅為了滿足其電力客戶的需求而發電，而是將其電力投入集中式市場，在那裡透過拍賣過程出售。這種電力拍賣過程的獨特運作方式是我對電力市場產生興趣的根源。
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每天，發電業主都會向當地電網運營商提交“能源報價曲線”。能源報價曲線傳達了發電機出售電能（以美元/兆瓦時為單位）的意願，作為其發電量（以兆瓦為單位）的函式。該曲線的形狀反映了各個電廠的燃料成本、效率、最小發電量、最大發電量和其他執行特性。例如，核電站的能源報價會低於燃煤電廠，因為核燃料比煤炭便宜。
在每個發電機提交報價曲線後，電網運營商會執行“經濟排程”演算法，以決定在第二天的每個小時內應由哪些發電機供電。該演算法結合了所有能源報價曲線，並解決一個非常大的最佳化問題，以找出哪些發電機應該線上，以及它們的功率輸出應該是多少，以便在不使任何電網輸電線路過載的情況下，最大限度地降低總體電力成本。此外，該演算法還考慮了意外情況。它安排發電，使系統能夠承受至少一條輸電線路的突然故障，甚至安排一些發電機隨時待命，以應對意外的電力供應短缺。如果沒有突破性的CPLEX演算法，這種經濟排程過程是不可能實現的，而CPLEX演算法的商業化並非巧合地與首批電力市場的開放同時發生。
經濟排程演算法的結果是電力網每個節點上顯式時變的“邊際節點電價” (LMP)。電力生產商因其出售的能源而獲得當地LMP的報酬，這反映了在特定時間和地點提供額外一單位電能的成本。如果電網的某個節點位於輸電線路經常擁堵的區域，則其價格可能高於其鄰居。此外，隨著電力需求水平的提高，LMP通常會增加，因為最昂貴的發電機僅在滿足峰值電力需求時才上線。
透過思考給定的能源技術或政策將如何影響電力市場的經濟排程過程，我們可以預測它將如何影響電價和排放。
例如，碳排放稅將增加燃煤的運營成本，幅度大於天然氣。因此，徵收碳稅將向電網運營商發出明確的價格訊號，促使他們優先考慮天然氣發電而不是燃煤發電，從而減少電力排放。這就是碳稅被譽為減緩氣候變化方法的原因之一。
無論考慮何種能源技術或政策，重要的是要了解它如何融入更廣泛的電力系統。透過建模電網運營商的經濟排程過程，可以預測電網的重大變化將如何影響電價和排放。
參考文獻