碳中和背景下中国电力系统研究现状、挑战与发展方向

林伯强，杨梦琦

厦门大学 管理学院，福建 厦门 361005

2020年9月，在第七十五届联合国大会一般性辩论上，中国向世界宣布了2060年前实现碳中和的目标，充分体现了大国的责任与担当，也进一步强调了生态文明建设在国家战略中的重要地位。在碳中和的大背景下，中国为应对气候变化不断做出努力与贡献，低碳减排正在成为中国社会发展的主旋律。作为实现碳中和目标的关键行业，电力行业正在成为碳减排的主战场。据测算，目前中国年碳排放约100亿吨，其中电力行业产生的碳排放超过总排放量的40%，是碳排放的第一大户[1]。同时，电力行业清洁化也与钢铁、化工、建材等其他“碳大户”的节能减排息息相关，是支撑全社会低碳发展的决定性因素。因此，推动电力系统转型升级是电力行业的工作重点，也是实现碳中和目标的关键路径。然而，电力系统转型需要一个过程，不可能一蹴而就，各个环节都需要做出相应的调整。2021年12月在北京举行的中央经济工作会议也指出，能源结构的低碳转型是一个复杂的长期任务，转型调整需要通盘谋划，不能脱离实际。因此，本文的第一个研究目的是基于中国电力系统转型现状与未来规划，分析电力系统转型过程中面临的困难及潜在的问题，为未来相关政策的制定提供参考。发电侧的电源结构面临大幅度调整，电力系统主力电源将从传统化石能源转向新能源电力[2]。考虑到中国庞大的煤电体量，煤电机组的处置与改造亟需落实推进。同时，新能源电力的快速发展也会造成电力供给不稳定的潜在问题。在用电侧，目前中国大量电力消费用于工业生产，电力需求与国内生产总值(GDP)高度相关[3]。在保障社会经济发展的前提下，未来用电量若仍然保持快速增长，会拖慢发电结构清洁化的转型进程。在电网侧，由于中国风光资源主要集中于西北部地区，未来大规模新能源电力装机的区域很可能与用电中心错位，电网面临来自大规模直流外送及分布式风电、光伏并网消纳的双重压力。

解决上述电力系统转型所面临的困境和问题，不仅需要政府政策的引导和企业实践的支持，学术研究同样是不可或缺的重要条件。有关电力系统构建、转型和升级的学术探讨对于政府政策制定和指导企业实践具有重要的启示意义。因此，本文的第二个研究目的是通过对现有电力系统低碳转型的相关研究进行分析，识别相关研究的侧重点，并结合中国在转型过程中面临的问题寻找具有现实意义的研究方向。通过对现有研究进行文献计量和聚类分析可以发现，低碳电力系统转型的相关研究近年来逐渐受到关注，目前的研究热点主要包括电力系统去碳、微生物燃料电池、水溶液、非金属催化剂、石墨阳极表面改性、电力市场、可再生能源系统、可持续电力供应、碳捕获、页岩气、复合电极和电动客车等。相关研究对于解决中国电力系统在发电侧、用电侧和电网侧所面临的现实问题有不同程度的参考价值，但关于未来发电侧电力体系建设、产业结构调整背景下用电侧的电力与经济发展模式、电网侧的智能电网技术和电力市场建设等方向的讨论尚显不足，仍需要继续探索。对此，相关学术研究在与国际接轨的同时，更应当立足中国现状，积极配合国家政策的引导与号召，致力于解决中国现实问题，为中国电力系统的低碳化转型指明方向。

一、中国电力系统现状分析

碳中和目标向中国电力系统提出了低碳转型的要求，建设以清洁能源为主体的电力系统成为重要任务。电力系统转型主要包括以下几个方面：首先，发电侧电源结构由高稳定性的煤电装机占主导向低稳定性的新能源发电装机占主导转变；其次，用电侧电力消费结构由用于资本形成为主的“生产型”向直接消费为主的“消费型”转变；最后，电网侧由“源随荷动”的实时平衡模式向“源网荷储”协同互动的非完全实时平衡模式转变。这也意味着电力系统发电侧、用电侧和电网侧都将迎来结构性调整。本部分通过分析中国电力系统的转型现状，从发电侧、用电侧和电网侧三个视角厘清目前电力系统转型的阶段、现实境遇和未来规划。

(一)发电侧：火电占据发电主力，风电、光伏发展空间广阔

从发电侧来看，目前中国电力结构仍以火电为主。2021年中国电力装机容量及发电量结构情况如图1和图2所示，其中煤电是最主要电源，占全部装机容量的46.7%，贡献了全国60%的发电量。水电以16.4%的装机量贡献了全国16%的电力。风电、光伏装机的比例合计达到26.7%，但电量贡献仅为12%。核电则以2.2%的装机贡献了5%的电力。根据碳中和相关目标任务，2060年非化石能源将占据能源供应80%以上，这也意味着中国电力能源结构未来面临着一个“倒过来”的过程——以化石能源为燃料的火电将逐渐为风电、光伏等清洁能源让路[2，4]。但从目前的情况来看，非化石能源电力供应仅占全口径总发电量的34.6%，与预期目标相比仍有较大的进步空间。对于这一现状，国家已着手布局清洁能源，对未来能源电力发展进行规划。根据国务院新闻办公室于2020年12月发布的《新时代的中国能源发展》白皮书，未来中国西北地区将大力推动煤炭基地绿色化，推进煤电清洁化和技术升级，同时，沙漠、戈壁、荒漠地区依托风光资源优势构建大型风电、光伏清洁电力外送基地；东南沿海地区稳妥发展海上风电，结合储能技术提高供电稳定性及调峰性能，优化电力用户侧需求响应；西南地区依托河流，积极开发水力资源，推进大型水电基地项目落地，兼顾生态建设与地方经济发展；中部地区积极开发分散风能资源，推动分散式新能源布局并网，同时加快抽水蓄能电站建设，开发辅助服务市场价值。

(二)用电侧：电力消费持续攀升，第二产业用电量占比较高

从用电侧来看，中国电力需求持续攀升，第二产业用电占据较大比重。改革开放以来，中国出口快速增长，工业生产持续发展，成为国民经济的命脉。2020和2021年，中国工业对GDP增长贡献率均超过36%。与此同时，工业也是电力需求的主要来源。2011—2021年中国电力消费增长情况及第二产业占比如图3所示。

近十年中国电力消费持续增长，第二产业占比常年超过67%。2021年详细的电力消费结构情况如图4所示。2021年，全国用电量为8.31万亿千瓦时，同比增长10.3%。其中，第一产业用电量1 023亿千瓦时，占比1.23%；第二产业用电量56 131亿千瓦时，占比67.52%；第三产业用电量14 231亿千瓦时，占比17.12%；城乡居民生活用电量11 743亿千瓦时，占比14.13%。第二产业用电量占比相对较高也意味着大量能源电力用于资本形成而非直接消费，中国电力消费结构仍然是“生产型”而非“消费型”。对于这一现状，国家也出台了相应政策，促进电力消费结构改善。2021年10月12日，国家发展和改革委员会印发《关于进一步深化燃煤发电上网电价市场化改革的通知》，重点明确与其他行业市场电价上下浮动的范围不超过20%相比，用电多的高耗能行业市场电价不受上浮20%限制。这有利于更好地发挥市场机制作用，充分传导发电成本上升压力，倒逼高耗能企业加大技术改造投入、提高能源利用效率、推动产业结构转型升级。

(三)电网侧：电力市场化改革持续推进，电网数字化、智能化转型稳步进行

从电网侧来看，一方面，电力市场化改革的推进已持续多年，并初见成效。2002年，国务院颁布《电力体制改革方案》，计划通过厂网分离、主辅分离、输配分离、竞价上网四步改革措施逐步构建起竞争性的电力市场。2015年，新一轮电力体制改革遵循《关于进一步深化电力体制改革的若干意见》，架构起“管住中间、放开两头”的电力市场体制，沿着“三放开、一独立、三加强”的基本路径持续发展。电力市场竞争机制的引入为后续开展市场化交易提供了体制基础，放开用户选择权推动了多买多卖市场格局的形成，市场资源配置作用得以发挥。在2021年煤价上涨造成“缺电”事件后，国家发展和改革委员会印发了《关于进一步深化燃煤发电上网电价市场化改革的通知》，明确提出了燃煤发电电量全部投入电力市场交易，同时市场交易电价浮动范围进一步放开，工商业用户也将逐步进入电力市场，标志着电力市场用户范围、交易规模和价格范围的进一步扩大。同年11月，国家能源局发布《关于加快建设全国统一电力市场体系的指导意见》，标志着中国新一轮电力体制改革进阶到一个全新的历史阶段，预示着未来一段时期内中国将稳步有序推进构建多层次协同、基础功能健全、组织运行规范、政府有效有为的全国统一电力市场。另一方面，新能源电力的迅速发展也为电网带来新挑战。在碳中和目标推动下，新能源将逐步实现大规模并网且发电量占比将逐渐增加。由于风电、光伏等新能源电力的随机性和波动性较大，对电网的安全、持续与平稳运行提出了更高的要求。电网数字化和智能化转型将成为构建新型电力系统的重要支撑。2022年《政府工作报告》提出促进数字经济发展，加强数字中国建设整体布局。同年3月，《南方电网公司“十四五”数字化规划》发布，明确到2025年全面建成数字电网。数字化、智能化的电网建设将是未来电网侧的重点工作之一。

二、电力系统转型面临的挑战

综合电力系统转型现状可以发现，尽管低碳转型正在稳步推进，但仍然存在着一些问题需要解决。发电侧将受到煤电机组改造的经济性问题和新能源电力对供电稳定性冲击的双重挑战，用电侧面临电力消费随经济增长迅速攀升带来的碳减排压力，而电网侧则需要从经济上和技术上解决新能源电力的消纳问题。为厘清中国电力系统转型过程中正在面临或将要面临的困难和阻碍，下面从发电侧、用电侧和电网侧三个角度进一步分析。

(一)发电侧：发电结构面临大幅调整，供电稳定性将受冲击

从发电侧来看，电源结构需要进行大幅度调整，传统化石能源电力与新能源电力面临角色转换。一方面，在发展清洁电力的大趋势下，煤电将逐步退出。根据国家发展和改革委员会、国家能源局发布的《关于开展全国煤电机组改造升级的通知》，煤电机组将通过灵活性改造从发电主力逐步过渡到服务电源，在参与用电调峰的同时作为备份电源保证电力供给安全稳定运行。截至2021年，中国煤电装机容量已达11.1亿千瓦，占全部电力装机容量的46.7%。面对全国大批量、大范围的灵活性改造，科学合理评估机组的改造潜力，选择合适的技术路线并配合政策引导是推进改造实施的关键。然而，部分煤电机组升级改造方案“一型一策”难以简单复制，补偿机制激励不足也导致煤电企业缺乏改造动力，机组改造升级流程慢于预期。另一方面，稳定性较差的风电、光伏逐渐成为供电主力。未来，风电、光伏在能源系统中的占比将逐步提升为60%～65%，这也意味着风电、光伏所带来的间歇性电力输入冲击问题可能会愈发明显[2]。在以往的电网结构中，发电侧是相对可控的一方，因此通常会利用发电侧匹配用电侧的负荷变化。由于风电、光伏发电稳定性较差，一旦风电、光伏占比过高，发电侧将不再稳定而成为不可控因素，进而增加输配电及调峰的成本，也提高了电力现货市场建设的难度。

(二)用电侧：电力需求GDP高度相关，经济增长将伴随碳排放持续提高

从用电侧来看，目前中国电力需求与GDP的相关性颇高，GDP增长的同时电力需求很可能保持同步持续增长。2019年世界主要国家(地区)的电力消费结构见表1。与发达国家相比，目前中国电力消费集中于工业，第二产业用电量占比远超第一产业、第三产业及居民用电。大量能源电力用于资本形成和基础设施建设，这也意味着中国的电力需求与GDP高度相关。1981—2020年中国电力消费与GDP相关系数高达0.91[3]。参考多数已达成碳达峰目标的发达国家，第三产业对GDP的贡献率大都超过65%，依靠能耗较低的高技术行业和服务业支撑GDP增长，电力消费与GDP的相关性也相对较低[5]。从目前情况来看，具有良好发展前景的风电、光伏发电量在中国社会电力消费总额的占比仅为12%，尽管装机量增长较为迅速，但发电量贡献仍然有限。如果中国的经济增长无法摆脱对电力消费和能源消费的依赖，未来一段时间内可能仍然需要增加化石能源的使用，这将对碳达峰及碳中和目标的实现造成更大的压力[3]。此外，中国人均电力消费量尚处于碳达峰前的上升阶段。从表2可以看出，目前中国人均居民电力消费与发达国家相比还存在较大差距。随着居民收入水平的提高和终端用能电气化的推动，居民用电消费水平可能会有明显提升[6]。因此，居民人均电力消费的增长也是导致电力消费快速增长的潜在因素，如何处理好电力需求和经济发展的矛盾是当前亟需思考的关键问题。

表1 2019年世界主要国家(地区)电力消费结构 %

表2 2019年世界主要国家(地区)人均GDP及居民电力消费

(三)电网侧：风光禀赋与电力需求错配，新能源消纳成为新挑战

从电网侧来看，风电、光伏的快速发展也加大了电网侧的压力。一方面，中国的风电、光伏能源供应与电力需求分布错配，陆上风能资源主要分布于西北、华北和东北地区，西部和北部地区的光照资源较为丰富，但电力需求在东部和中部地区更为密集[7-8]。从装机情况来看，西北、华北和东北地区近年来迎来爆发式增长，目前已集中了全国75%的新能源装机。然而在需求端，75%以上的能源需求集中在东部及中部地区。资源与负荷的区域错位导致西部和北部地区大规模的风电、光伏项目发展需要配合大规模的直流电外送作为保障，而用电负荷中心附近的分散式风电、分布式光伏同样面临落实并网的压力。另一方面，新能源电力的发展也对电力消纳、现货及辅助服务市场的建设提出了更高的要求。中国幅员辽阔，各地区风光资源与用电负荷异质性较大，如何因地制宜制定政策和机制，让新能源电力顺利并网消纳是中国电力市场建设需要考量的关键问题[9]。同时，部分新能源发展迅速的地区受风电、光伏波动性影响较大，可能需要协调区域内调峰电源参与调峰，甚至需要跨区域调峰，因此辅助服务市场的建设也至关重要。此外，新能源发电的波动性也使得新能源企业在中长期市场和现货市场的衔接中承担较高的风险。当实际发电曲线与中长期合约曲线出现偏离时，新能源企业需要以现货价格购买电量。此时，由于新能源电力不足，市场价格往往偏高，导致新能源企业陷入“高买低卖”的困境。从目前情况来看，新能源消纳、现货及辅助服务市场机制并不完善，构建全国统一的电力市场尚需时日，各类政策仍需推进落实。

三、碳中和背景下的电力系统相关研究现状

面对上述电力系统转型问题，仅依靠政府或企业的单方面力量解决比较困难，需要政府、企业和科研机构通力协作配合。政府制定相应政策制度对企业发展进行规范与引导，企业依托政策资源和自身优势深度参与低碳转型。科研机构则通过学术研究进行理论构建和技术探索，为政策制定和企业实践提供指导和借鉴。事实上，低碳电力系统转型的相关研究已逐渐受到国内外学者关注。本部分运用文献计量法，分析电力系统低碳转型的相关研究热点。文献计量法是指运用数学和统计学方法，对某一研究领域的文献进行定量分析，通过统计相关论文的年度发文量，揭示该领域的研究现状及未来的研究前景与发展趋势[10]。

本文以Web of Science核心数据库(SSCI、SCI-E)为数据源进行主题检索，在参考低碳电力系统转型相关文献后，最终选定主题检索词TS=(carbon neutral OR decarbonization OR net zero emission OR zero carbon footprint OR low carbon)AND(electric system OR power generation OR electricity OR electric energy OR zero carbon power)。这组检索词涵盖了低碳电力系统的相关表述，能够较为全面地获取该领域的研究数据。随后，进一步对检索所得文献的题目、关键词、摘要等内容进行筛查，剔除了重复、与研究主题不符和缺失参考文献信息的文献，最终得到1990年1月1日—2021年11月18日发表的共计2 774 篇文献。进而利用文献计量法对文献的规模演化规律进行分析，结果如图5所示。整体上看，电力系统低碳转型相关文献的发表量逐年递增且呈指数增长趋势。具体来看，该领域的学术研究在2010年以前发文量较少且增长缓慢，之后发文量开始明显上升且增速较快，逐步受到更为广泛的关注。可以预见的是，随着全球性的碳中和进程加快，相关领域的研究将越来越丰富。相关文献量在2010年前较少可能有两个方面的原因：其一，低碳化的全球性行动相对较少，减少碳排放并没有成为经济发展过程中的重点考虑因素，较少的资源支持使相关研究热度不足；其二，低碳电力系统的相关研究由于整体起步较晚，随着与低碳电力系统建设相关的底层知识框架逐步完善，突破性的科研成果才呈现出爆发式增长的趋势。考虑到相关文献和技术进步主要集中于2010年之后，并且为了避免对过时研究热点的关注，本文选取2010年之后的文献进一步聚类分析。

在利用Histecite软件对文献关键词进行词频统计后发现，电力系统低碳转型相关研究的侧重点主要包括绩效(performance)、系统(system)、能源(energy)、优化(optimization)、可再生能源(renewable energy)、技术(technology)、发电(generation)、电力(power)、设计(design)和储存(storage)等。这些关键词反映了目前学术界所认为的低碳转型背景下电力系统的关键要求与研究重点。由于电力系统承担了保障社会发展与居民生活能源供应的关键任务，电力系统的绩效和效率毫无疑问是需要关注的重点。如何保障持续高效的供电绩效水平是低碳电力系统需要考虑的核心问题。同时，低碳转型对电力供应提出了系统性的转型要求，既包括发电系统本身的优化发展，也包括对电力系统提出的清洁化要求，如发电燃料的清洁化、发电不稳定引发的储电问题等。随后，本文利用CiteSpace构建共被引网络进行聚类汇总，得到12个关键热点聚类。电力系统低碳转型相关研究的研究热点包括电力系统去碳(power system decarbonization)、微生物燃料电池(microbial fuel cell)、碳捕获(CO2capture)、页岩气(shale gas)、水溶液(aqueous solution)、复合电极(composite electrode)、电力市场(electricity market)、可再生能源系统(renewable energy system)、非金属催化剂(metal-free catalyst)、电动客车(electric buses)、石墨阳极表面改性(graphite anode surface modification)和可持续电力供应(sustainable power supply)等。其中，微生物燃料电池、石墨阳极表面改性相关研究开始时间最早且持续时间最长，体现出材料科学对电力系统转型的基础性支撑作用；其次为碳捕获、水溶液和复合电极，虽然热点出现时间略晚，但目前仍然是该领域技术突破的重要方向。由此可见，材料科学方面关键技术的突破是电力系统转型顺利推进的重点和关键。而有关经济管理领域涌现出的研究热点的持续时间则相对较短，电力市场这一研究热点迄今为止仍旧是学术研究的重点关注领域，但热点形成时间普遍晚于其他热点，反映出与低碳电力系统构建相关的市场安排、体制建设等研究均需立足于相关技术水平的提升。因此，科学技术的突破是构建低碳电力系统的基础，而保证系统的完备化则需要基于技术水平形成完善且高效的制度安排。

综合上述研究热点可以发现，与发电侧相关的研究热点包括微生物燃料电池、水溶液、非金属催化剂、石墨阳极表面改性、复合电极、碳捕获、页岩气、可持续电力供应等，主要与材料科学和能源技术相关。具体而言，发电侧相关的研究聚焦于可再生能源发电、二氧化碳处理和能源储存等低碳经济下电力系统转型的关键技术。大部分研究从电力系统设备的各个组件和材料入手，通过升级组件或研发新材料改善电力设备的性能、提高电力设备效率、降低电力设备成本。同时，部分研究也探索了电力设备在不同应用场景中的资源利用和系统规划，以及成熟技术商业化应用的相关政策法规等。相关研究对于中国电力系统技术进步具有重要意义，对中国国情下电力供给清洁化转型具有现实贡献，对于探索发电侧储能配置、加速推动储能设备商业化、提高供电稳定性也具有重要价值。

与用电侧相关的研究热点主要是电动客车，相关研究包括电动汽车技术、市场机制、调度方案等[11]。随着低碳电力系统的转型升级，未来的能源应用场景也将发生重大变化，终端用能电气化水平也会逐渐提高。交通运输行业高度依赖化石燃料，相对其他行业更加难以实现低碳转型。化石燃料利用的减少将对交通业带来冲击，而电动汽车取代燃油汽车将成为解决这一问题的重要手段，使得交通业的深度脱碳成为可能。2021年，全球全电动和插电式混合动力汽车总销售量达650万辆，占轿车销售量的9%，同比增长109%。其中，中国市场销量达到320万辆，占据了全球销量份额的近50%，与2020年相比增长了200万辆。伴随着电动汽车市场的扩大和成熟，电动汽车相关领域的学术研究也逐渐丰富[12]。作为新兴电能系统的重要消费终端，电动汽车的发展能够从需求侧引导电力系统的低碳转型，对于中国低碳消费的普及具有重要的现实意义。电动汽车在使用阶段不排放污染物，是空气污染治理的有力手段，同时，电动汽车的普及可以有效降低石油对外依赖程度，保障能源供应安全。目前，尽管电动汽车全产业链的碳排放以及电动汽车对碳减排的贡献相当有限，但在未来电力系统完成清洁转型后，电动汽车势必发挥重要的减排作用。

电网侧的相关研究主要集中于电力市场。有关电力市场的研究讨论包括现货市场、辅助服务、需求响应及电价预测等。电力市场是电力生产者和用户通过谈判和竞价交易电力及其相关产品，并通过市场竞争确定价格和数量的机制[13]。建立电力市场旨在通过开放、竞争等市场手段实现电力能源资源的优化配置[14]。电力生产者和使用者本着公平竞争、自愿互利的原则，通过协商、竞价等方式，就电能及其相关产品进行交易。高效完备的电力市场能够为电力系统的电源调整提供充足的市场化资金支持，并通过区别定价推动可再生能源电力的发展，是电力系统完成转型的重要助力[15]。国内电力市场发展并不完善，具有一定的特殊性，因此国内外电力市场相关研究具有差异。聚焦国内电力市场的研究对中国电力体制改革和可再生能源电力的发展具有实践意义，而针对国外相对成熟电力市场的研究则可以为中国电力市场建设提供理论参考。

四、未来电力系统研究的发展方向

总体来看，目前电力系统低碳转型的相关研究热点对于中国电力系统转型面临的现实问题有一定的借鉴意义，但仍有部分问题未得到足够关注，有待继续探究。具体而言，目前的发电侧研究更多侧重于从技术路线解决碳排放过高和供电稳定性问题：通过储能技术的进步缓解风电、光伏对电网的间歇性冲击；碳捕获与碳封存技术的发展为化石能源的退场提供了新思路；页岩气则是潜在的过渡选项和调峰手段。然而，从电力系统发电侧的现实问题出发可以发现，现有研究缺乏发电侧碳中和策略的横向经济性比较。与世界绝大多数国家不同，中国拥有体量庞大且技术先进的煤电机组。在中国发电侧清洁化的转型策略中，煤电机组的处置是需要着重考虑的关键点。除了常规的可再生能源搭配储能的思路，利用现有煤电机组搭配碳捕获与碳封存技术同样是一条符合中国电力系统特点的碳中和道路。因此，如何评价策略的经济性，选择成本更低、更切合中国电力系统现实状况的碳中和策略，是未来发电侧研究可以补足的方向。而在用电侧，目前研究集中于电动客车。电动客车是带动消费侧能源低碳化的重要产业，也是消费侧倒逼生产侧清洁化的重要途径。尽管消费侧的研究值得继续深入，然而这并不能直接改变目前工业用电占主体的电力消费现状。想要从根本上降低经济增长和碳排放之间的关联，实现GDP与化石能源脱钩、与能源电力需求增长脱钩，围绕产业结构调整进行探索可能更具有现实意义。在电网侧，目前的研究主要集中于电力市场中的现货市场、辅助服务、需求响应及电价预测等。从国家规划和现实问题出发，针对符合中国国情的全国统一电力市场探索具有较高的实践参考价值，电网智能化技术也是未来的重要发展方向。结合目前研究现状及国家发展需要，未来电力系统研究可以侧重于以下几个方面。

(一)发电侧：基于碳捕获与碳封存技术对电力建设的再判断与再思考

就发电侧而言，结合中国发电装机特点和现实国情，针对碳捕获与碳封存技术对发电侧电力体系建设进行再判断与再思考具有重要现实意义。尽管未来风电、光伏等新能源要挑起发电侧的大梁，但考虑到风电、光伏输出电能的间歇性特点，其大规模并网将会给能源电力供给带来不稳定冲击。随着风电、光伏占比的不断增加，其对于电力系统的冲击强度将不断攀升。要保证电力系统安全稳定运行必须要以对冲可再生能源风险为目标进行相应的电源配置。“储能+可再生能源”或是解决能源供应系统稳定性的一个潜在方案，但储能技术中最具可行性的锂离子电池储能目前的成本水平距离大规模商业化布局仍然有较大差距，即使在政府补贴政策的帮助下，其经济性表现也并不乐观。因此，考虑到中国的现实情况，另一种电力系统配置方案同样值得讨论关注，即保留煤电并配合碳捕获、利用与封存技术(CCUS)的“煤电+CCUS”配置，为新能源储能减轻压力。中国拥有世界上体量最庞大、技术最先进且最年轻的煤电机组，整体来看机组平均服役年限不超过12年，超临界、超超临界等先进机组占比超过55%[16]。在发电侧清洁化的转型过程中，煤电机组的处置既是一种挑战也是一种优势。煤电机组通过灵活性改造、减少利用小时数逐渐退出似乎是未来的必然趋势，然而CCUS的引入能够给煤电在碳中和进程中的作用带来新的思路，中国现有的煤电资源和煤炭禀赋也能够为CCUS的布局提供更合理的考虑。目前，业界与学界对于“煤电+CCUS”模式的看法不一，其中一个关键因素是对于CCUS的经济性评估陷入误区。对于CCUS的成本评估多是将当前的煤电成本加上CCUS成本，并没有将未来煤炭必须退役的预期考虑在内[3]。煤电的全面退出意味着设备建设和配置等固定成本将归零，此时，“煤电+CCUS”配置的成本构成将是煤炭使用成本、少量的设备维护、灵活性改造等煤电运行成本及CCUS成本。这就意味着“煤电+CCUS”配置的成本比预想中的更具有竞争力。纳入煤电退役预期，CCUS的定位可能是未来清洁电力系统实现碳中和不可或缺的角色，而非不得已而用之的托底方案。因此，对于政府而言，认识到CCUS搭配煤电的实际成本和现实优势尤为重要，CCUS相关产业链也需要提前布局，辅以利好政策推动技术进步和成本降低。未来研究可以基于此展开进一步探索，为政府决策和布局投入提供建议和指导。

(二)用电侧：产业结构转型及消费者行为的引导

一方面，对于用电侧而言，针对产业结构转型的相关研究是未来的方向。低碳清洁发展是经济高质量发展的重要内涵，经济高质量发展需要尽可能实现“双脱钩”，即实现GDP尽可能与化石能源脱钩、与能源电力需求增长脱钩[3]。由于经济水平和经济发展阶段的差异，发达国家经济增长对能源消费的依赖程度比较低，而类似于中国的发展中国家的经济增长与能源消费的脱钩进程依然较慢[17]。尽管近年来中国通过技术进步和产业升级使得经济增长与能源需求增长的相关度略有降低，但仍有较大下降空间。以2020年为例，仅钢铁、水泥和有色金属三个行业就消耗了超过21%的总用电量，远远超过风电、光伏的发电量。工业生产用电占比过大意味着国家GDP与能源电力需求高度相关，经济增长对能源需求的依赖也更大[18]。改变这一现状的关键是产业结构调整。通过碳交易市场或其他政策机制，监督引导高耗能行业淘汰落后产能、优化现有产能、严控新增产能，设置行业准入门槛和技术标准，推动行业节能减排和低碳转型。同时，加快发展现代服务业、高新技术产业和先进制造业等高附加值的高新产业，以有利政策支持高新产业的发展，增加相关产业对于GDP增长的贡献率，确保经济的高质量增长。中国经济已进入新的发展阶段，传统的要素驱动、投资驱动的经济增长模式已不再适合当前形势，创新将成为主要驱动力，产业结构调整势在必行。因此，以产业结构调整为背景的针对经济增长与电力需求变化的相关研究具有较强的现实意义和参考价值。另一方面，消费侧消费者行为的研究也需要继续深入。能源电力生产的最终目的是消费，碳排放的根本来源也是消费。通过提升消费者对清洁能源电力的消费意愿，不仅可以引发新的低碳经济增长点，有效引导生产侧加速转型，还能够吸引更多的主体参与其中，提高市场活力。在电力清洁化转型的过程中，需要提高居民对绿色电力和能源的消费意识和知识，采用多渠道、多元化、多媒介的宣传方式，普及绿色环保的消费理念，营造绿色消费的社会氛围。通过相关研究的经验证据引导和改变“重生产、轻需求”的减排政策思路，更多利用市场化的手段激励消费者参与碳中和目标的实现。

(三)电网侧：电网智能化建设与全国统一电力市场构建的思考

在电网侧，值得关注的研究方向首先是电网的智能化建设。风电和光伏是未来能源转型的重点方向，而随着风电、光伏的占比不断提高，能源系统的稳定性将受到挑战。按照国家规划，新能源大基地的建设正在有力推行，而与之匹配的电网设备同样需要加紧建设。智能电网将是匹配发电侧结构变化的关键。智能电网可以简化新能源发电进入电网的过程，通过改进互联标准，降低发电系统和储能系统连接难度，使得各类发电和储能设备可以在各个电压等级上进行连接。智能电网具有可视化的特点，即通过分析调度、输配电、发电和用户信息等数据，实现实时可视化的运行分析，结合人工智能、云计算、区块链等工具为各种复杂问题提供基于智能分析的解决方案，为管理提供决策支持和依据，提高设备利用率，减少电力损耗，使电网运行更加经济高效[19]。与此同时，通过大数据分析电网负荷的历史数据和实时数据，智能电网还可以实时显示全网的负荷状况，预测电网负荷的变化趋势，这对于以风电、光伏为主要供电方式的发电侧具有重要的应用价值[20]。另外，数字化和智能化技术的相关研究对于激发市场需求、带动实业投资同样具有积极作用。

此外，有关全国统一电力市场的相关研究也值得关注。中央全面深化改革委员会第二十二次会议提出了加快建设全国统一电力市场体系的指导意见。基于此，围绕电力市场相关技术能力、市场设计和运行机制的研究具有重要的现实意义和战略价值[21]。随着碳中和目标的明确，中国的能源和电力转型进程将加快，新能源发展已成趋势。建立符合国情的市场机制，确保新能源电力与中长期电力市场、电力现货市场、辅助服务市场等各类市场完成对接，是保障未来高比例新能源电力顺利接入的重要前提。未来研究可以从基本国情和体制现状出发，以全国统一电力市场为背景进行探索。同时，电力辅助市场的相关问题需要着重关注。电力辅助服务市场相关研究的重点包括探究多元化市场主体激励机制，为电力系统提供充裕的灵活性电力资源，应对可再生能源对系统电力平衡和安全稳定运行的影响[22]。2017年，国家能源局发布了《完善电力辅助服务补偿(市场)机制工作方案》，加速推进电力辅助服务市场的建设与完善。从电力辅助服务补偿费用的结构上看，调峰、调频及备用是中国电力辅助服务市场最主要的类型。然而，目前电力调峰调频等辅助服务的真实价值尚未形成市场化定价规则。随着风电、光伏电力的迅猛发展，调峰调频压力将愈发明显，需要尽早完善电力辅助服务市场交易价格体制，体现市场的资源配置效果[23]。因此，围绕电力辅助服务市场建设的讨论具有重要的实践意义，也应当是未来学术研究的重点。

五、结论和建议

对于中国而言，在2060年实现碳中和是一个艰难而伟大的目标。在迈向碳中和的过程中，电力系统低碳转型是必须完成的任务，势必会面临一些困难。首先，发电侧电源结构面临大幅调整，煤电机组大规模灵活性改造带来的技术和经济问题需要解决。风电、光伏比例大幅增加也加剧了电力的间歇性输入冲击，亟须通过储能或其他技术手段确保供电稳定性。其次，用电侧大量电力用于资本形成和基础设施建设，使得中国电力消费与GDP高度相关。在保障GDP增长的同时用电侧电力需求或将继续扩大，导致碳中和目标的实现愈发艰难。最后，由于中国风光资源与用电分布错配，未来风电、光伏基地需要配合电网侧的大规模直流电外送。随着风电、光伏占比的增加，电力系统对于电力储能和运输的要求不断提高，新能源电力的消纳、现货及辅助服务市场机制也有待完善。针对电力系统低碳化转型，国内外学者从不同学科视角进行了深入探索，围绕电力系统去碳、微生物燃料电池、水溶液、非金属催化剂、石墨阳极表面改性、电力市场、可再生能源系统、可持续电力供应、碳捕获、页岩气、复合电极和电动客车等重点议题展开研究，取得了丰富的成果，对于解决上述电力系统转型问题具有一定的参考价值，但仍有部分转型问题没有得到充分探讨。例如，发电侧研究偏重技术，缺乏转型方案经济性的讨论，煤电结合碳捕获与碳封存技术的价值判断值得进一步探索；用电侧需要更多围绕产业结构调整的电力经济研究，消费者行为的相关探索也需要继续深入；电网侧在智能化建设与全国统一电力市场建设方案等方面也需要进一步探讨。为此，本文认为未来电力系统研究的方向应当紧密结合国家的发展政策和国情，以解决国家面临的现实困境为核心要义，为政府决策提出建议，为企业实践提供指导，实现“产学研”深度融合，在各方的共同努力下，促进碳中和目标的顺利达成。