基于系统价值的区位价格信号在可再生能源拍卖中的优化设计研究

《IEEE Transactions on Emerging Topics in Computing》：Introducing Locational Criteria to Renewable Auctions

本文推荐一项针对欧洲电力市场拥堵问题的创新研究。为解决电网拥堵导致的巨额再调度成本，研究人员开发了一种将区位价格信号引入可再生能源拍卖的新方法。通过优化理论推导出反映项目系统价值的影子价格(τg,h)，该研究证明：与传统拍卖相比，区位拍卖可将系统最优容量占比从50-80%提升至92-100%，每MW系统成本降低高达20,000欧元。这项工作为《净零工业法案》下的多标准拍卖提供了技术基础，对实现欧洲能源转型目标具有重要意义。

　　

随着风电、光伏等可再生能源在欧洲电力系统中的占比持续攀升，电网拥堵已成为制约能源转型的瓶颈问题。2023年，欧洲为缓解电网瓶颈采取的再调度措施高达50太瓦时，相当于600万个家庭一年的用电量。这种“交通堵塞”现象在德国尤为突出——北部风电资源丰富但负荷中心远在南部，导致电力需长途跋涉，电网不堪重负。尽管欧洲输电系统运营商建议将德国 bidding zone（竞价区）拆分为五个区域以优化电力流向，该方案却因政治因素被否决。面对短期内难以改善区位运营价格信号的困境，如何通过投资信号引导可再生能源“在正确的时间出现在正确的地点”，成为欧洲电力市场设计的核心挑战。

在此背景下，欧盟委员会联合研究中心的Georg Thoma?en创新性地提出将区位价格信号融入可再生能源拍卖机制。该研究发表于《IEEE Transactions on Energy Markets, Policy and Regulation》，其核心突破在于首次系统性地推导出反映项目全系统价值的定价方法，并给出符合《净零工业法案》多标准拍卖框架的实施方案。与墨西哥曾采用的基于平均节点边际电价方法不同，该方法通过计算容量约束的影子价格，精准捕捉新增可再生能源在不同时段对系统的贡献，避免了高渗透率下传统方法可能导致的信号失真问题。

研究团队采用开源的PyPSA-Eur模型构建欧洲电力系统数字孪生，包含1024个节点的输电网络和各地可再生能源发电时序数据。关键技术方法包括：通过对比区域市场模型与全系统优化模型的调度运行，计算各区位风电容量的市场价值与系统价值差异；设计多轮次拍卖仿真实验，评估区位价格信号对系统最优容量配置的促进效果；建立误差传播模型，分析影子价格近似计算对长期拍卖效率的影响。所有分析均基于德国陆上风电案例，通过随机生成投标项目模拟真实拍卖场景。

研究结果揭示出显著的区位价值差异。如图1所示，德国北部风电项目因电网饱和度高，其系统价值较市场价值低约20欧元/兆瓦时，而南部项目因可替代高成本化石能源发电，系统价值与市场价值基本持平甚至为正。这种空间分异特征印证了“区位重要性”的基本假设——在电网拥堵区域新增可再生能源可能加剧拥堵，而在负荷中心附近建设则能最大化系统效益。

独立拍卖轮次仿真结果表明（图2），区位拍卖机制对系统最优容量的识别准确率高达92%-100%，远超传统拍卖50%-80%的表现。更关键的是，区位拍卖将每兆瓦新增容量的系统额外成本从传统拍卖的1,000-20,000欧元降至0-300欧元（图3）。这种成本节约主要源于区位优选的风电项目更有效地替代了高碳排的褐煤发电，而非低边际成本的核电或生物质发电。

针对方法学近似可能带来的误差积累问题，连续十轮拍卖仿真显示（图4），即使考虑误差传播，区位拍卖产生的最大额外系统成本仅为140欧元/兆瓦，不足传统拍卖最低值的15%。这表明尽管大规模部署会略微降低影子价格的准确性，但区位信号的整体优势依然显著。

为推进政策落地，研究还演示了如何将区位价格信号转化为《净零工业法案》认可的点数系统（图5）。例如将20欧元/兆瓦时的价值差划分为4个点数区间，每个点数对应5.6欧元/兆瓦时的权重，确保点数分配与系统价值严格匹配。

研究结论强调，区位价格信号是实现欧洲电力系统脱碳目标的关键政策工具。其重要意义体现在三个维度：技术层面，通过全欧洲电网协同建模可精准量化各地可再生能源的系统价值；政策层面，定期更新的区位信号可为各成员国提供统一的投资引导标准；市场层面，该方法可拓展至氢能拍卖、容量市场等机制，形成完整的区位投资信号体系。作者建议由欧盟层面协调建模工作，采用开源工具增强透明度，并建立年度更新机制以适应能源系统演进。这项研究不仅为可再生能源拍卖设计提供了新范式，更对建设高效、低碳的未来电力市场具有深远影响。