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A Bilevel Multi-Market Coupling Optimization Framework for Nuclear Power Integration: Joint Modeling of Energy, Reserve, and Capacity Markets

原子力統合のための二層多市場結合最適化フレームワーク：エネルギー、予備力、容量市場の統合モデリング (AI 翻訳)

Peng Ji, Yiman Liu, Nan Li, Zhongfu Tan

Energies📚 査読済 / ジャーナル2026-03-04#エネルギー転換対象セクター: power
DOI: 10.3390/en19051276
原典: https://www.mdpi.com/1996-1073/19/5/1276/pdf
📄 PDF

🤖 gxceed AI 要約

日本語

本論文は、原子力発電所がエネルギー・予備力・容量市場に戦略的に参加するための二層最適化フレームワークを開発。系統運用者の社会厚生最大化と原子力事業者の利潤最大化を同時に扱い、カーボンキャップ制約の下で原子力の出力調整や予備力提供をモデル化。96時間分解能の12母線系統を用いたケーススタディでは、全市場連携により4万tCO2の排出削減、生産者余剰12%向上、社会的厚生18%向上を実証。原子力の収益性は再生可能エネルギーの変動に大きく依存し、予備力提供能力が第2の影響要因であることを示した。

English

This paper develops a bilevel optimization framework for nuclear power plants participating simultaneously in energy, reserve, and capacity markets. The model captures system operator welfare maximization and nuclear operator profit maximization under carbon caps and technical constraints. A 96-hour, 12-bus case study shows that full coupling reduces CO2 by 40,000 tons, increases producer surplus by 12%, and social welfare by 18% vs. energy-only. Nuclear profitability is highly sensitive to renewable volatility, with reserve deliverability as the second driver.

Unofficial AI-generated summary based on the public title and abstract. Not an official translation.

📝 gxceed 編集解説 — Why this matters

日本のGX文脈において

日本では原子力発電の再稼働と市場統合が重要な政策課題である。本フレームワークは、原子力がベースロード電源としてだけでなく、調整力や容量市場を通じて系統信頼性と脱炭素に貢献できることを示しており、日本における原子力の市場設計や制度改革に示唆を与える。

In the global GX context

Globally, nuclear power is being reconsidered as a low-carbon dispatchable source. This framework provides the first integrated modeling of nuclear participation in energy, reserve, and capacity markets, demonstrating that multi-market strategies can improve both economic efficiency and reliability while supporting decarbonization. The results are relevant for regions with carbon pricing and growing renewable penetration.

👥 読者別の含意

🔬研究者:Provides a novel bilevel optimization model for nuclear bidding in multi-market settings, offering a foundation for further research on low-carbon dispatchable resources.

🏢実務担当者:Utility and nuclear operators can use the framework to evaluate multi-market revenue opportunities and optimize bidding under uncertainty and carbon constraints.

🏛政策担当者:Policymakers can assess how market coupling and carbon caps enhance nuclear's economic viability and reliability contributions, informing capacity market design.

📄 抄録（日本語訳）

本論文は、エネルギー市場、予備力市場、容量市場が同時に清算される現代の電力システムにおける原子力発電所の戦略的参加を分析するための、二層型マルチ市場連成最適化フレームワークを開発するものである。上層問題は、系統制約、予備力制約、炭素上限制約の下でシステム全体の社会的厚生の最大化を目的とする独立系統運用機関の目的を表し、下層問題は、ランプ制限、最小運転時間要件、燃料サイクル減耗、供給可能性制約に従う原子力事業者の利潤最大化を捉える。これらの技術的制約を、扱いやすい相補性条件を通じて再定式化された二層構造に埋め込むことにより、本モデルは、原子力スケジューリング、予備力展開、容量コミットメント、炭素コンプライアンスの相互依存性を単一の最適化環境で捉える。提案されたフレームワークは、96時間の時間分解能、12母線のネットワークトポロジー、風力変動性、需要弾力性、排出上限の詳細な表現を備えた、様式化されているが現実的なケーススタディに適用される。本モデルは、原子力参加が期間全体で40,000 tCO2を削減し、生産者余剰を12パーセント引き上げ、エネルギー専用ベンチマークと比較して3つの市場すべてが連成された場合に総社会的厚生を約18パーセント増加させることを定量化する。原子力の収益性は再生可能エネルギーの変動性に非常に敏感であり、風力不確実性の±20パーセントの変動が利益を0.24百万米ドル変化させることが示される。予備力の供給可能性が2番目に影響力の大きい要因として浮上し、炭素価格シフトなどの政策変数はより小さな役割を果たす。未供給エネルギーの相補累積分布に基づく信頼性分析は、共同市場清算が0.5パーセント閾値での負荷遮断確率を、エネルギー専用市場の8パーセントから完全連成下の2パーセントへ低減することを実証する。全体として、本研究は、二層最適化フレームワーク内でエネルギー、予備力、容量市場にわたる原子力入札の最初の統合モデリング処理を提供する。運用制約と政策目標を共同で考慮することにより、本フレームワークは、原子力が経済効率の向上、系統信頼性の強化、炭素削減の支援を同時に達成できることを明らかにする。結果は、原子力の価値がベースロードエネルギー供給をはるかに超えており、マルチ市場戦略が不確実性と制約の条件下で個々の事業者と社会的厚生の両方に測定可能な利益を提供することを強調する。

AI 翻訳（deepseek-v4-flash）。 正確を期す場合は下の原文を参照してください。

📄 Abstract（原文）

This paper develops a bilevel multi-market coupling optimization framework to analyze the strategic participation of nuclear power plants in modern electricity systems where energy, reserve, and capacity markets are simultaneously cleared. The upper-level problem represents the Independent System Operator’s objective of maximizing system-wide social welfare under network, reserve, and carbon-cap constraints, while the lower-level problem captures the nuclear operator’s profit maximization subject to ramping limits, minimum uptime requirements, fuel-cycle depletion, and deliverability restrictions. By embedding these technical constraints into a bilevel structure reformulated through tractable complementarity conditions, the model captures the interdependence of nuclear scheduling, reserve deployment, capacity commitments, and carbon compliance in a single optimization environment. The proposed framework is applied to a stylized but realistic case study with 96-h time resolution, 12-bus network topology, and detailed representations of wind variability, demand elasticity, and emission caps. The model quantifies how nuclear participation displaces 40,000 tCO2 over the horizon, raises producer surplus by 12 percent, and increases total social welfare by nearly 18 percent when all three markets are coupled, relative to an energy-only benchmark. Nuclear profitability is shown to be highly sensitive to renewable volatility, with ±20 percent swings in wind uncertainty altering profits by 0.24 million USD. Reserve deliverability emerges as the second most influential driver, while policy variables such as carbon price shifts play a smaller role. Reliability analysis based on the complementary cumulative distribution of unserved energy demonstrates that joint market clearing reduces the probability of load shedding at the 0.5 percent threshold from 8 percent in energy-only markets to 2 percent under full coupling. Overall, the study provides the first integrated modeling treatment of nuclear bidding across energy, reserve, and capacity markets within a bilevel optimization framework. By jointly considering operational constraints and policy targets, the framework reveals how nuclear power can simultaneously improve economic efficiency, enhance system reliability, and support carbon mitigation. The results highlight that nuclear’s value extends well beyond baseload energy provision, with multi-market strategies offering measurable gains for both individual operators and social welfare under conditions of uncertainty and constraint.

🔗 Provenance — このレコードを発見したソース

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gxceed は公開メタデータに基づく研究支援データセットです。要約・翻訳・解説は AI 支援で生成されています。 最終的な解釈・検証は利用者が原典資料に基づいて行うことを前提とします。