中国新型电力系统路径分析：碳达峰与碳中和阶段的优化路径探索

《CSEE Journal of Power and Energy Systems》：Pathway analysis of Chinese new type power system

本文针对中国新型电力系统（NTPS）建设过程中面临的“两大科学问题+一大经济问题”（即高比例可再生能源（RES）并网下的电力平衡问题、复杂系统多时间尺度安全稳定运行问题、满足安全环保约束的低成本转型路径选择问题），研究人员开展了分阶段发展路径研究。通过对比国内外碳达峰形势，分析了碳达峰阶段电力系统发展路径；基于不同技术进展情景，探讨了碳中和阶段三种可能发展路径（RES+长时储能（LDES）、煤电+碳捕集利用与封存（CCUS）、RES+多区域互补）及其优化原则。研究成果为“双碳”目标下中国新型电力系统建设提供了阶段性发展路径优化方案和顶层设计参考，对推动能源清洁低碳转型具有重要意义。

　　

在全球应对气候变化的大背景下，中国提出“双碳”目标（碳达峰、碳中和），这对能源电力行业提出了严峻挑战。作为碳排放的主要来源，电力系统的低碳转型成为实现全社会碳中和的关键。然而，构建以新能源为主体的新型电力系统（New-type Power System, NTPS）并非易事，它面临着高比例可再生能源（Renewable Energy Sources, RES）并网带来的随机性、波动性和间歇性挑战，系统安全稳定运行难题，以及高昂转型成本的经济性问题。这些根本问题如何在不同发展阶段有效解决，路径如何选择，成为当前中国电力系统转型的核心议题。

为此，舒印彪（Yinbiao Shu）等研究人员在《CSEE Journal of Power and Energy Systems》上发表论文，对中国新型电力系统的发展路径进行了系统分析。研究创新性地将NTPS建设进程划分为碳达峰（过渡形态）和碳中和（重构形态）两个阶段，针对不同阶段的边界约束和技术经济特征，提出了差异化的解决方案和发展路径。研究不仅对比了国内外碳达峰形势的差异，揭示了我国电力需求刚性增长的独特挑战，还深入剖析了碳达峰阶段电源电网的发展重点，并前瞻性地探讨了碳中和阶段三种可能的技术路径及其优化组合原则，为NTPS的顶层设计和分阶段推进提供了科学依据。

研究人员主要运用了对比分析、预测模型和路径优化等方法。通过对比中国与主要发达国家碳达峰阶段电力消费增长趋势，明确了我国电力需求刚性增长的特殊性；基于经济发展、产业结构、再电气化等因素，预测了碳达峰阶段的电力需求；结合电源发展约束（如水电、核电建设周期长，燃气、生物质资源受限），提出了煤电“增容减碳”和新能源“量-率-价”一体化的发展原则；针对碳中和阶段的高度不确定性，构建了三种典型技术路径（RES+LDES、煤电+CCUS、RES+多区域互补）的分析框架，并综合安全性、经济性和低碳性目标，提出了综合性路径优化原则。

碳达峰阶段电力系统发展路径分析

电力需求预测

与发达国家碳达峰阶段电力消费缓慢增长或进入平台期不同，中国电力需求预计在“十五五”期间（2026-2030年）保持年均4.7%-5.6%的增速，2030年全社会用电量将达到13.0-13.7万亿kW·h。峰值负荷增长略快于用电量增长，年均增速5.3%-6.4%，2030年峰值负荷达20.1-21.1亿kW。这种刚性快速增长使得中国的电力平衡、系统稳定性和经济性问题与发达国家有本质区别。

根本问题分析

1. 1.
   电力平衡问题：核心挑战在于满足用电需求刚性增长的同时，大幅提升可再生能源占比。除煤电和RES外，其他电源发展路径相对确定。煤电发展需遵循“增容减碳”原则，即适度增加煤电装机以维持可靠的调节能力，同时通过CCUS、生物质混燃等技术控制碳排放。
2. 2.
   安全稳定问题：高比例RES并网和极端天气频发导致极端运行场景增多。需重新审视NTPS稳定机制，发展适应高比例电力电子的电网安全控制技术，提升电力电子设备主动支撑能力，扩展传统“三道防线”范畴。

电源发展路径

• •
  常规电源：水电、核电、燃气发电、生物质发电受资源、建设周期等因素制约，装机规模相对固定。煤电作为主力电源，需进行“增容减碳”。
• •
  可再生能源：需满足75%-80%的新增用电需求。开发规模将 increasingly 受市场机制和价格水平影响，需遵循“量-率-价”一体化原则确定合理规模。空间布局主要包括沙漠戈壁大型基地、流域水风光一体化基地、海上风电集群、负荷中心分布式光伏。

• •
  储能发展：抽水蓄能预计迎来建设高峰，2030年装机约2亿kW。电化学储能将广泛应用。需加快发展重力储能、压缩空气储能等大容量物理储能，并探索氢储能、热储能等长时储能（Long-Duration Energy Storage, LDES）技术。

电网发展路径

形成“三源一汇”电网格局（西北沙漠戈壁基地、西南水风光一体化基地、东南沿海海上风电集群三大送端支撑东中部受端）。电网“双高”（高比例新能源、高比例电力电子）特征凸显。跨区输电规模将呈现爆发式增长，主导模式为沙漠戈壁基地送出，并出现“藏电外送”新形态。送端系统重点建设“风-光-热-储-输”一体化基地集群和超大规模水风光一体化外送系统。受端系统需增强电网结构，提升安全控制能力，保障大规模外来电消纳。

碳中和阶段电力系统发展形式与技术路径分析

碳中和阶段电力系统发展边界高度不确定，受CCUS、LDES等技术成熟度、系统安全稳定控制能力、零碳目标下全成本重构等因素影响。电力需求增长逐步趋缓，预计2050年全社会用电量达16-19万亿kW·h，负荷特性呈现峰谷差加大、季节性波动增强、不确定性提升等特点。

三种可能的发展路径

1. 1.
   以可再生能源（RES）结合长时储能（LDES）为主的路径：关键在于中国丰富的风能（技术可开发量超1000亿kW）、太阳能（技术可开发量超4500亿kW）资源，以及LDES技术的成熟度。LDES需满足跨周、跨月尺度的能量存储和支撑，具备能量损失小、寿命长、资源环境约束小、低成本等关键特性。
2. 2.
   以煤电结合碳捕集利用与封存（CCUS）为主的路径：核心在于中国丰富的煤炭资源（探明储量17180亿吨，可采储量2070亿吨）和CCUS技术的发展。CCUS需解决碳捕集、运输、利用和封存各环节的规模化、能耗和成本问题。若CCUS能实现大规模经济高效利用，煤电+CCUS可成为零碳电源。
3. 3.
   以可再生能源（RES）结合多区域互补为主的路径：可行性在于多区域资源出力的互补特性（如西北光伏与东南沿海风电出力相关性系数低至-0.32）和保障超大电网安全稳定运行的技术突破。需克服输电能力约束、电力市场壁垒，并发展融合电力气象的时空耦合预测技术和电网安全稳定综合防御体系。

综合性发展路径建议

研究建议避免单一技术依赖和“非此即彼”的路径设计思维，遵循以下原则进行综合性路径优化：

1. 1.
   存量电源低碳化转型，增强供给韧性：通过提升煤与生物质、绿氨混燃效率，推广CCUS，完善经济性保障政策，尽可能保留煤电容量，克服生态约束，化解煤炭资源与碳中和目标的结构性矛盾。
2. 2.
   增量技术组合动态适配：根据区域资源禀赋，灵活组合煤电+CCUS和RES+LDES。富煤地区优先部署煤电+CCUS，风光资源优越地区优先部署RES+LDES。
3. 3.
   全系统时空优化，释放资源配置潜力：依托电网实现多区域互补，结合电力气象与RES时空出力特性的耦合预测技术，在煤炭资源不富集、LDES无电可充的区域，对冲RES长时间低出力的风险。通过跨省输电权交易等市场机制，优化时空适配，实现技术经济性最大化。

研究结论与意义

本研究系统构建了与中国“双碳”进程相适应的新型电力系统（NTPS）两阶段发展研究框架。研究明确了碳达峰阶段作为过渡形态的发展路径，提出了电源电网发展的具体原则；针对碳中和阶段的高度不确定性，剖析了三种可能路径的特征与限制因素，并提出了综合性路径优化原则。研究成果为中国新型电力系统的科学顶层设计和分阶段有序推进提供了重要参考，对确保能源电力安全、推动绿色低碳转型、实现“双碳”目标具有重要的理论价值和实践指导意义。通过在多维度动态均衡中寻求最优解，有望在不确定性中稳步推进新型电力系统建设，最终建成清洁、零碳、安全、高效的新型能源体系。