践行碳达峰、碳中和战略，能源是主战场，电力是主力军。2021至2022年间，中国与能源相关的二氧化碳排放总量121亿吨，占全世界总量的32.88%，其中电力部门是重要的碳排放部门，约占能源碳排放的40%。大力发展新能源已成为全球应对气候变化、推动能源转型的一致共识。截至2022年年底，中国风电、光伏装机分别达到3.65亿千瓦、3.93亿千瓦，风电、光伏发电量1.2 万亿千瓦时，约占总发电量的14%。未来，随着风电、光伏技术经济性进一步提高，新能源的度电成本将全面低于传统电源，发展势头持续强劲。然而，风电、光伏发电固有资源属性和并网特性与常规可控电源存在巨大差异，面临诸多挑战。从发电功率看，新能源基本属于“靠天吃饭”，具有随机性、波动性和不可控性，难以实现传统电源“以用定发”的基本功能。从系统支撑看，新能源采用电力电子装置并网，对传统交流同步电网电压、频率、惯量等支撑作用十分有限。围绕火电、水电等常规电源建立起来的传统电力系统已无法适应规模越来越大的新能源，新型电力系统建设迫在眉睫。鉴于此，本文构建了一个新型电力系统分析框架，通过多学科综合分析的视角，剖析了新型电力系统的结构特征和运行机制。基于该框架，可以初步诊断新型电力系统建设过程中遇到的各种问题，并寻找可能的解决方案。
01构建新型电力系统的必要性
就传统电力系统而言，其采取的生产组织模式是“源随荷动”，即发电跟着用电走。在发电侧，常规发电机组，比如火电，是可以进行精准控制的；在用电侧，用户的用电行为亦可通过经验积累和大数据分析等做出一个比较准确的预测。据测算，双碳目标下，2030年中国风电、光伏装机量可能突破18亿千瓦，发电量占比将超过25%。2060年风光装机量将超过60亿千瓦，发电量占比将超过70%。由于风光新能源发电具有随机性、波动性和间歇性的特征，高比例接入新能源将深刻改变传统电力系统的形态、特征和机理，从根本上改变了“源随荷动”的运行模式。首先，在发电侧，新能源的间歇性和波动性使得其发电出力无法按需控制。其次，在用电侧，大量分布式新能源接入后，用电负荷预测准确性下降。这意味着，无论是发电侧还是用户侧都正在变得不可控。再者，新能源本质上是电力电子设备，不具备传统发电机的机械转动惯量，本身抗扰动性能就差，而整个系统转动惯量下降后，全系统抗故障冲击的能力也大大降低。由于传统电力系统无法应对高比例新能源、高比例电力电子设备和低系统转动惯量带来的挑战，为了确保双碳目标的实现，必须构建新型电力系统。对此，中央财经委员会在于2021年3月15日召开的第九次会议上也指出，实现碳达峰、碳中和是一场广泛而深刻的经济社会系统性变革，“十四五”是碳达峰的关键期、窗口期；要构建清洁低碳安全高效的能源体系，控制化石能源总量，着力提高利用效能，实施可再生能源替代行动，深化电力体制改革，构建以新能源为主体的新型电力系统。
02不同学科对新型电力系统的解读
围绕“如何构建新型电力系统？”这一问题，不同领域的专家开展了深入讨论。经济社会领域的专家强调新型电力系统要纳入经济社会发展全面绿色低碳转型的全局来分析，并关注转型的成本及其带来的公平和效率问题。气候、生态和环境领域的专家关心风能、太阳能等可再生能源如何更好地接入电网，以及大规模风能、太阳能开发带来的气候、生态和环境效应。能源电力领域的专家强调应加快关键核心技术研发，以更好支撑新型电力系统建设。这些技术包括高效率高安全大容量储能、氢能及燃料电池，高效率光伏发电材料，新型绝缘材料、超导材料，宽禁带电力电子器件，碳捕获、利用与封存（CCUS），高效率低成本新能源发电，大规模海上风电，虚拟电厂，源网荷储协调运行，主动需求响应，综合能源系统等。管理领域的专家认为现有能源体制机制与新型电力系统建设的目标不相符，应加快能源体制的市场化改革，使市场机制成为能源领域的主要资源配置方式。金融领域的专家建议完善绿色金融体系，建立更加强有力的绿色金融激励机制，以更好服务新型电力系统建设。
03新型电力系统的多学科分析框架
新型电力系统的内核是能源—经济系统，但其外延又涉及社会系统和生态系统的诸多方面。从这个意义上讲，它属于社会—生态系统的一部分。2009年，美国著名经济学家、诺贝尔经济学奖获得者Elinor Ostrom教授在《Science》上发表《社会—生态系统可持续发展分析框架》一文，为综合多学科理论理解社会—生态系统的复杂性提供了统一的分析平台。Ostrom教授认为一个典型社会—生态系统由资源系统、资源单位、管理系统和用户4个核心子系统组成。社会—生态系统存在于一定的社会、经济和政治背景中，4个子系统之间相互影响，子系统相互作用的结果与关联生态系统之间有反馈关系。目前该框架已广泛应用于解决全球或区域性的森林、草原、渔业、水资源乃至气候等资源和环境管理问题。
新型电力系统建设是一项复杂的系统工程。系统建设过程中需统筹考虑能源安全、气候安全、生态安全、经济增长、技术进步、社会成本等诸多要素。准确剖析新型电力系统的结构特征难以通过单一学科实现，需要多学科的融合。不同学科的理论和模型侧重于分析新型电力系统的不同侧面，学科之间的交叉有助于更好描绘新型电力系统的全貌。本文借鉴Ostrom教授提出的社会—生态系统可持续发展分析框架，通过多学科综合分析的视角，剖析新型电力系统的结构特征和运行机制。
我们认为，新型电力系统包含资源系统、技术系统、电网系统、管理系统、金融系统和用户6个子系统。资源系统包括风能、太阳能、水能、核能等非化石能源和煤炭、石油、天然气等化石能源，该系统的能源结构以风能、太阳能等新能源为主；技术系统包括风能利用技术、太阳能利用技术、储能等；电网系统包括电网基础设施及其调节控制能力；管理系统指能源电力管理部门及其制定的相关政策；金融系统指金融机构及其提供的金融产品和服务；用户是能源电力消费者。新型电力系统的提出与全球气候危机与气候治理、地缘政治格局、经济发展模式、技术进步趋势等宏观社会、经济、政治背景密切相关。构成新型电力系统的6个子系统之间相互影响，其相互作用的结果与气候系统、交通系统等关联能源—经济系统之间存在反馈关系（图1）。
图1 新型电力系统分析框架
如图1所示，新型电力系统的分析框架为我们提供了一个语言体系，我们可以利用该语言体系对新型电力系统的结构特征和运行机制进行解构分析。表1进一步给出了构成6个子系统的关键二级变量。仔细剖析这些二级变量的结构和功能特征可以帮助我们更好地诊断新型电力系统建设过程中遇到的各种问题，并寻找可能的解决方案。
表1 新型电力系统分析框架下的二级变量
一、社会、经济与政治背景
据世界气象组织发布的《2022年全球气候状况》临时报告，2022年全球平均气温比工业化前（1850—1900年）水平高出了1.15（±0.1）℃，已接近《巴黎协定》寻求避免的升温下限（即1.5℃目标） 。全球温升一旦突破《巴黎协定》温控目标，气候系统将不可逆地加速升温。气候破坏是全球环境危机的放大器和倍增器。由于气候环境与能源资源、健康贫困等问题紧密联系、复杂交织，气候危机很可能引发新的系统风险，并加剧和放大已经存在的各类风险（S1）。
全球气候危机的根源在于人类过度依赖高碳的化石能源。为应对危机，全球低碳转型进程正逐步加快。截至2021年4月底，全球超过130个国家和地区设定了碳中和或“净零排放”有关的目标。中国承诺在2060年前实现碳中和；欧盟承诺到2050年成为首个气候中和大陆；美国重返《巴黎协定》，并承诺2050年实现“净零排放”。这意味着，占全球二氧化碳排放量65%以上和世界经济70%以上的国家都做出了雄心勃勃的碳中和承诺（S1、S5、S6）。对于各国来说，实现碳中和意味发展模式的全方位改变，摆脱工业化时期的资源依赖理念，走向技术依赖的可持续发展道路。作为一项重大的“技术-经济-社会”领域变革，碳中和对全球政治经济已经产生重大影响，势必重塑全球地缘政治格局和经济贸易格局（S2和S3）。
过去十年，全球新能源开发利用的技术成本大幅下降，为能源转型和新型电力系统建设奠定了坚实基础。期间，中国陆上风电和光伏发电项目单位千瓦平均造价分别下降了30%和75%左右。2021年，我国陆上风电和光伏发电已全面实现平价上网，不再依靠国家补贴。根据国际可再生能源署预测，2030年全球光伏发电、光热发电、陆上风电和海上风电的平准化度电成本将比2018年分别下降58%、35%、55%和25% （S4）。
金融市场对新能源发展前景十分看好。2010—2019年，美国市场交易的可再生能源股票总回报率为200.3%，化石燃料股票总回报率为97.2%。2020年，美国金融市场对化石能源的评级继续下调，标准普尔指数中化石-燃料能源份额从10年前的13%跌至如今的3% 以下。相比之下，投资者正将大量资金投向可再生能源类股票，标准普尔清洁能源指数 （S&P clean energy）在年内上涨了138% 。2022年，全球用于能源转型的投资（包括可再生能源发电、储能、碳捕集、氢、运输电气化、可持续材料等）增加了31%，达到了创纪录的1.1万亿美元，首次与用于化石燃料的投资（包括上游、中游、下游和化石能源发电）持平（S7）。
二、资源系统
新型电力系统的核心特征是风光新能源将成为电力供应的主体。那么，中国的风光资源能否支撑能源转型或新型电力系统建设呢？从资源禀赋上看，中国可再生能源尤其是风能、太阳能资源的开发潜力巨大。据国家气候中心评估，中国陆上100米高度风能资源技术开发量为86.9亿千瓦，近海100米高度离岸200km范围内风能资源技术开发量为22.5亿千瓦；陆上光伏发电的技术开发量约456.1亿千瓦。新能源资源储量远大于碳中和目标下的风电、光伏发电装机需求（R1）。然而与传统能源相比，新能源最大的特点就是间歇性和波动性（R2）。其大规模接入电网势必会对电力系统的安全可靠运行带来巨大挑战。针对这一问题，气象和电力领域的专家们经过大量研究发现：连接更大区域的风电场和光伏电站可以有效“平滑”风电、光伏发电的波动性；优化风电和光伏发电的组合方式，可以提高风光耦合发电系统的稳定性7。也就是说，风光资源时空互补（R3）可以在很大程度上解决单一能源在局地尺度上的间歇性和波动性。另一方面，与传统化石能源相比，风能太阳能资源的可预测性低（R4）且不易存储（R5）。这在一定程度上会增加新能源开发利用的系统成本（R6）。在中国，风能太阳能资源的地理分布与电力负荷分布不匹配（R7）。新能源的大规模消纳亟需构建风光资源优化配置平台，加大跨区输送力度。
三、技术系统
当前，世界主要国家和地区均将发展新能源视为引领新一轮能源转型以及科技创新的重要突破口。新能源技术正以前所未有的速度加快迭代，。过去几年，风电产业技术发展呈现机组大型化趋势，风轮直径不断增加，轮毂高度逐渐升高。根据中国可再生能源学会风能专业委员会统计，2022年，中国新增装机的风电机组平均单机容量为4490kW，其中，陆上风电机组平均单机容量为4294kW，海上风电机组平均单机容量为7420kW。当前，陆上最大单机容量达到8兆瓦级别以上，5兆瓦及以上单机容量成为主流机型；海上单机容量达到18兆瓦级别以上，6兆瓦及以上单机容量成为主流机型；大功率齿轮箱和百米级叶片等部件技术持续突破，叶片最长达126米；风电装备制造能力持续进步（T1）。光伏发电方面，中国晶硅电池片转换效率处于世界领先水平。2022 年，中国规模化生产的PERC-P 型单晶电池的平均转换效率达到23.2%，采用PERC-P 的黑硅多晶电池片转换效率达到21.1%，n 型TOPCon 电池平均转换效率达到24.5%，异质结电池平均转换效率达到24.6%。预计2030年钙钛矿技术有望带动组件效率提升到35%（T2）。光热发电作为一种高品质的清洁电力，可实现全天24小时稳定持续发电，具有电力输出稳定可靠、调节灵活等特性，能够承担电网基荷和调峰职能，降低新型电力系统对大储能容量的要求。但光热发电还需进一步降低成本（T3）。风能太阳能是“靠天吃饭”的资源，提高风光预测准确性，有助于更好掌控电源出力（T4）。储能，包括抽水蓄能和电化学储能是解决新能源发电不稳定的最主要工具。预计“十五五”中后期，新能源+储能的成本大概率将低于燃煤标杆成本（T5）。另外，电解水制氢亦可解决困扰风能和太阳能的间歇性问题。预计未来绿氢作为二次能源，将成为长途卡车、货船和飞机的重要燃料（T6）。目前，中国电源结构以煤电为主，灵活调节电源比重仅为6%，而美国、德国、西班牙等国家灵活调节电源比重分别为47%、19%和31%，这意味着“十四五”电源建设需要重点考虑灵活调节电源的配置。另一方面，中国产业结构已逐步由中低端向中高端转换，第三产业和居民生活用电占比稳步提升，高温或严寒天气对电力需求的影响快速加大，负荷峰谷差将随之扩大。上述诸多因素都要求建设更多的灵活调节电源（T7）。
四、电网系统
新能源的间歇性和波动性特征要求电网更好地发挥资源优化配置平台的作用。加大跨区电网通道建设有助于更好地利用风光资源时空互补性，使新能源出力更加“平滑”（G1）。大电网柔性互联可以促进资源互济共享能力进一步提升，“跨省区主干电网﹢中小型区域电网﹢配网及微网”的柔性互联形态和数字化调控技术将使电网更加灵活可控，实现新能源按资源禀赋因地制宜广泛接入电网；配电网将呈现交直流混合柔性电网与有源微电网等多种形式协同发展态势，具备更高的灵活性与主动性，实现多元化源荷的开放接入和双向互动，促进分布式新能源高效就地消纳（G2）。新能源大规模接入后，电力系统将呈现数字与物理系统深度融合的特征。新型电力系统建设将以数据作为核心生产要素，打通源网荷储各环节，发电侧实现“全面可观、精确可测、高度可控”，电网侧形成云边融合的调控体系，用电侧有效聚合海量可调节资源支撑实时动态响应，通过海量信息数据分析和高性能计算技术，使电网具备超强感知能力、智慧决策能力和快速执行能力（G3）。为提升能源的综合利用效率，新型电力系统可在数字电网的基础上，通过多能互补，形成能源互联网，为高比例新能源接入系统的调度控制、运行优化和市场化运作提供有力支撑，并进一步拓展为用户提供综合能源服务的功能（G4）。
五、管理系统
预计，2060年，中国风电、太阳能装机容量将超过60亿千瓦 ，是当前装机容量的约8倍。如此大规模的开发利用，究竟该如何规划布局，管理部门需要从战略高度提前谋划。现阶段，在中国中东南部地区，土地已成为制约新能源发展的大问题。新能源开发利用与“三区三线”（生态空间、农业空间和城镇空间，生态保护红线、永久基本农田保护线、城镇开发边界线）之间的矛盾愈加激烈。统筹协调国土空间规划、生态功能区规划、城市用地规划和能源电力规划，实现“多规合一”，是解决新能源用地的重要途径（M1）。未来新能源的快速增长，需要大幅简化开发审批流程，才能如期实现双碳目标（M2）。在新型电力系统中，由于新能源出力和需求的波动特性，要求建立高时空分辨率的价格体系与调度运行体系。同时，电力部门需进行市场化改革，特别是建立实时市场，使价格能够实时反映供需状况（M3和M4）。另外，必要的监督惩罚机制也不可或缺。一个典型的例子就是严格执行可再生能源电力消纳责任权重引导机制。按照目标导向和责任共担原则，制定发布各省级行政区域可再生能源电力消纳责任权重，引导各省级能源主管部门依据本区域非水电消纳责任权重，积极推动本省（区、市）风电、光伏发电项目建设和跨省区电力交易（M5）。
六、金融系统
在新型电力系统构建过程中，绿色金融可发挥“加速器”的作用。据测算，实现碳中和中国大约需140万亿元的绿色投资。就电力行业而言，在未来40年需要接近70万亿元的投资。绿色金融跟传统金融最大的区别在于需要解决超时空的外部性问题，单纯靠市场力量无法将资源进行有效配置，因此，市场需要监管部门给出指引，比如哪些行业、哪些业务是符合绿色金融标准，是可以进行投资的，绿色标准的制定是绿色金融发展必不可少的前提条件。这要求金融部门加强信息披露，企业的碳排放和碳足迹应成为披露的基本要求（F1）。积极开发支持能源和电力行业绿色低碳转型所需的金融产品和服务，如转型贷款（F2）、绿色债券（F3）、绿色股票市场（F4）、绿色保险（F5）、绿色基金（F6）等。强化碳市场在碳减排和配置绿色金融资源中的作用。引入碳金融衍生品交易机制，推动碳价格充分反映风险，最大化发挥碳价格的激励约束作用（F7）。
七、用户
新型电力系统建设需要用户的积极参与。用户的参与程度受诸多因素影响。这些因素包括：用户自身的社会经济属性（如性别、年龄、教育水平、经济状况等）（U1），用户对气候变化和碳中和的认知（U2），用户所在的机构、团体或社会群体对绿色电力的选择（U3），用户使用绿色电力的便捷程度及可能获得的收益（包括有形收益，如金钱；无形收益，如名誉）（U4和U5）等 。另外，用户还可以通过调整自身的用能行为参与到需求响应之中（U6）。例如，在用电负荷高峰时，减少或者推迟某时段的用能行为以响应电力供应，保障电网安全。
八、相互作用与结果
新型电力系统的不同子系统之间存在相互作用（I），其相互作用的结果是在确保安全性和经济性的前提下使电力系统更加低碳（O）。从低碳的角度讲，为消纳更多的波动性新能源，我们首先要科学认识新能源的时空变化特征，并在发电侧、输电侧、用电侧和储能侧协同发力，提高整个系统的灵活性。从安全性的角度讲，由于风光发电具有“靠天吃饭”的特征，其应对极端天气的能力相对较差。为解决这一问题，我们首先要对新能源供给能力做深入定量分析，以摸清极端天气对不同地区的新能源出力的影响程度和持续时间。在对这一问题充分认识的基础上，再去制定相关的技术或市场的解决方案。比如，究竟要不要发展跨季节的储能，电网通道如何规划建设，互联互通的空间范围到底需要多大等等。从经济性的角度讲，现阶段新能源的大规模接入，会在一定程度上增加系统成本。但是，未来随着技术进步，新能源的开发利用成本将进一步下降。另外，随着碳金融和碳市场的建立和完善，化石能源的使用成本将进一步上升，资本和金融亦会越来越多地投向新能源。“资本—技术”的正反馈效应会加快新能源利用成本下降的速度。这样一来，全社会的用电成本也会下降。
九、关联能源—经济系统
新型电力系统并不是独立存在的，它与关联能源—经济系统之间存在反馈关系。例如，新型电力系统在一定程度上是天气和气候资源依赖型的电力系统。在全球气候变暖背景下，极端天气气候事件频发会增大系统的风险，而新型电力系统的建设会在很大程度上减缓气候变化（EE1）。此外，随着全社会用电成本的下降，电动汽车的渗透率将逐步增加。而电动汽车又可视为“移动的储能”，若成千上万的电动汽车在用电低谷时充电，在用电高峰时放电，将极大促进新能源消纳，并提高电力系统安全等级（EE2）。
04结语
如何构建新型电力系统是一道世界难题，其求解需借助气象学、经济学、社会学、能源和电力等多学科的知识。本文构建了一个新型电力系统分析框架，通过多学科综合分析的视角，初步剖析了新型电力系统的结构特征和运行机制。基于该框架，研究识别了影响新型电力系统建设和安全高效经济运行的几十个二级变量，并逐一分析了这些变量对系统的可能影响和作用方式。依据该框架，我们可以初步诊断新型电力系统建设过程中遇到的各种问题及可能的解决方案。参与新型电力系统构建的不同行为主体亦可在其中找到自身的发力点，为系统安全稳定和经济运行贡献力量。当然该框架并不完美，目前的分析还停留在二级变量层面，对更低一级的变量还未开展深入讨论。另外，框架对各变量的分析以定性为主，未来还需建立一套具体的、可供量化的评估模型和技术指标。
|| “实现碳达峰和碳中和是一场广泛和深入的经济社会系统性变革”——习近平
|| “能源问题是各国国家安全的优先领域，抓住能源就抓住了国家发展和安全的牛鼻子”——习近平
|| “要深化电力体制改革，加快构建清洁低碳、安全充裕、经济高效、供需协同、灵活智能的新型电力系统，更好推动能源生产和消费革命，保障国家能源安全。”
——习近平
