碳达峰碳中和下的配售电重构

1.1 双碳目标：加速构建清洁电力体系

1.1.1 我国应对气候变化的“3060”双碳目标

从《巴黎协定》的自主减排原则到新型冠状病毒肺炎疫情后各国的“碳中和”宣言，碳约束已成为未来几十年全球经济发展的重要影响因素。为彰显我国应对气候变化大国担当，2020年9月，国家主席习近平在第七十五届联合国大会一般性辩论上发表重要讲话，提出中国二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现“碳中和”。

碳中和目标的提出对我国长期高质量发展具有重要意义，有助于我国经济以更加可持续、对社会和环境更加友好的方式实现长期、稳定增长，保证长期目标可实现的同时兼顾短期增长目标。但双碳目标面临的任务仍然艰巨，特别是我国以化石能源为主的能源结构向以绿色能源为主的结构转型中将面临巨大的技术和成本问题。

1.1.1.1 我国碳达峰、碳中和时间紧且任务重

我国碳达峰和碳中和的时间分别为2030年和2060年，相较于其他已碳达峰的国家面临更大的挑战，比如美国、日本等国家已分别在2007年、2013年实现碳达峰，这些国家为实现“碳中和”，更大程度上只是延续以往的减排斜率。而我国碳排放总量仍在增加，需要经历2030年前“碳达峰”，然后走向2060年前“碳中和”。从实现“碳中和”的年限来看，比发达国家时间更紧迫，任务更重。

1.1.1.2 能源转型面临严峻挑战

根据公开数据资料显示，2020年我国全社会碳排放约106亿吨，其中电力行业碳排放约46亿吨，工业领域碳排放约43亿吨。从能源消费结构来看，2020年全国一次能源消费总量达50亿吨标准煤，其中碳强度最大的煤炭消费占能源消费总量的57%。由此来看，煤炭仍然是我国的主要能源，尽快推进完成能源转型是实现碳中和必不可少的措施之一。目前，我国仍处于发展时期，能源需求仍处于快速增长阶段，能源转型面临的挑战也异常严峻。

1.1.1.3 “双碳”目标将受经济成本约束

“双碳”目标的提出对能源转型提出了更高要求，根据清华大学发布的《中国长期低碳发展战略与转型路径研究》报告分析，中国要在2060年实现碳中和目标，2020~2050年能源系统需要新增投资约138万亿元。低碳发展资金需求巨大，“双碳”目标的实现受经济成本制约较大。除此以外，在往可再生能源为主的能源结构转型的过程中，全社会用能成本也将面临较大的上升压力。

1.1.2 清洁能源发展是实现双碳目标下的重要措施

为做好碳达峰、碳中和工作，“中发36号文”作为实现双碳目标的顶层设计文件提出了明确目标要求：

到2025年，绿色低碳循环发展的经济体系初步形成，重点行业能源利用效率大幅提升。单位国内生产总值能耗比2020年下降13.5%；单位国内生产总值二氧化碳排放比2020年下降18%；非化石能源消费比重达到20%左右；森林覆盖率达到24.1%，森林蓄积量达到180亿立方米，为实现碳达峰、碳中和奠定坚实基础。

到2030年，经济社会发展全面绿色转型取得显著成效，重点耗能行业能源利用效率达到国际先进水平。单位国内生产总值能耗大幅下降；单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降65%以上；非化石能源消费比重达到25%左右，风电、太阳能发电总装机容量达到12亿千瓦以上；森林覆盖率达到25%左右，森林蓄积量达到190亿立方米，二氧化碳排放量达到峰值并实现稳中有降。

到2060年，绿色低碳循环发展的经济体系和清洁低碳安全高效的能源体系全面建立，能源利用效率达到国际先进水平，非化石能源消费比重达到80%以上，碳中和目标顺利实现，生态文明建设取得丰硕成果，开创人与自然和谐共生新境界。

上述目标涵盖了实现碳中和的三类重点措施：能源替代、节能减排与固碳。这些措施加速了相关产业的发展（见图1-1），其中能源替代作为碳中和一项重要措施将促进清洁能源更大规模的建设。

1）能源替代：用可再生能源替代化石能源，包括新能源产业和新能源汽车产业等。

2）节能减排：采取节能减排措施，提高能源利用效率或减少能源的使用，包括节能产业、绿色建筑产业和ICT（Information and Communications Technology，信息与通信技术）产业等。

3）固碳：通过固碳措施将CO2吸收、捕捉、利用等，包括碳捕获、利用与封存（Carbon Capture，Utilization and Storage，CCUS）和碳汇产业等。

在走向碳达峰碳中和目标的道路上，电力行业既迎来转型发展的重大机遇，也面临艰巨的挑战。欧盟等发达经济体二氧化碳排放已经达峰，从碳达峰到21世纪中叶的碳中和将有50～70年过渡期。我国二氧化碳排放体量大，从碳达峰到碳中和仅有30年时间，任务更为艰巨。能源电力减排是我国实现碳中和目标的主战场，能源燃烧占全部二氧化碳排放的88%左右，电力行业排放占约41%［1］。电力行业不仅要加快清洁能源开发利用，推动行业自身的碳减排，还要助力全社会能源消费方式升级，支撑钢铁、化工、建材等重点行业提高能源利用效率，满足全社会实现更高水平电气化要求。

在积极应对全球气候变化的行动中，我国可再生能源装机容量已经跃居世界第一。据公开资料显示，截至2021年10月底，我国可再生能源发电累计装机容量突破10亿千瓦大关，达到10.02亿千瓦，比2015年年底实现翻番，占全国发电总装机容量的比重达到43.5%，比2015年年底提高10.2个百分点。其中，水电、风电、太阳能发电和生物质能发电装机分别达到3.85亿千瓦、2.99亿千瓦、2.82亿千瓦和3534万千瓦，均持续保持世界第一。

伴随可再生能源发电装机容量快速上升的同时，终端用能电气化水平也在持续提升。2019年，我国电能占终端能源消费比重为26%，高于世界平均水平17%。2016～2019年，电能替代累计新增用电量约5989亿千瓦时，对全社会用电增长的贡献率达到38.5%。

为适应可再生能源的快速发展，市场机制建设也在积极推进。电力市场交易体系初步建立，各类交易方式和交易品种逐渐丰富。发电行业率先开展碳交易。截至2020年8月底，碳交易试点累计成交量约4.06亿吨二氧化碳当量，成交额约92.8亿元。

1.1.3 新型电力系统是消纳清洁能源的必由之路

电力行业既是实现双碳目标的主战场，也是助力其他行业实现双碳目标的重要工具，双碳目标的实现要以电力行业的零碳化为先行［2］。根据中国电力企业联合会公开发布的《电力行业碳达峰碳中和发展路径研究》场景和路径推演，在推荐“核电+新能源”同时加速发展的场景下，2030年前，力争2028年电力行业碳达峰，峰值规模47亿吨左右。具体的装机发展设想为：“十四五”末即2025年水电达到4.7亿千瓦（含抽水蓄能0.8亿千瓦），核电达到0.8亿千瓦，风电达到4.0亿千瓦，太阳能发电达到5.0亿千瓦，煤电装机容量达到12.5亿千瓦（保障电力实时平衡需求）；“十五五”中后期，电力行业实现碳排放达峰，并逐步过渡到稳中有降阶段；“十五五”期间，按照新能源年均新增1.2亿千瓦，核电年均增加8～10台机组，预计2030年左右煤电装机容量达峰，电力行业碳排放于2028年达峰；“十六五”期间，新能源年均新增2.0亿千瓦，核电发展节奏不变，新能源、核电、水电等清洁能源发电低碳贡献率分别为58%、20%、22%，电力行业碳排放进入稳中有降阶段。

传统电力系统很难应对高比例新能源、高比例电力电子设备、低系统转动惯量（“两高一低”）带来的安全、经济运行挑战。为了确保实现“3060”碳达峰碳中和目标，构建新型电力系统的任务已上升为国家战略。2021年3月15日，习近平总书记在中央财经委员会第九次会议上提出构建以新能源为主体的新型电力系统。新型电力系统的建设目的是让更多可再生能源以更高效、更安全、更经济的方式实现生产、消费的闭环，一方面新型电力系统的建设需要鼓励能源信息技术创新，让能源转换、能源存储等关键技术能够不断突破；另一方面除构成电力系统的源、网、荷、储等基本环节的发展外，还需发挥市场机制的作用，进一步推进电力体制改革，让能源交易效率更高、交易成本更低。新型电力系统下，电力用户不再是单纯的、被动的用户，可能同时还是能源的生产者、电力平衡的主动参与者，角色、定位、作用深度调整。电网则是新型电力系统的核心所在，传统电网系统主要基于传统发电，以电源供应端的精准控制实现“源随荷动”的电力平衡。然而双碳目标下随着可再生能源的大规模建设并且高比例接入电网系统后，其发电的间歇性、波动性、随机性特征对电力系统的安全运行带来严峻挑战，很难如传统电源般精准实现“源随荷动”，我们需要更加智能、更加灵活的电网系统。同时随着用户侧分布式电源广泛接入、用户需求侧响应逐步普及，电网运行机理和平衡机制将发生彻底的改变。通过“源、网、荷”互动，在发展高比例可再生能源的同时，以经济、安全的方式消纳可再生能源，满足全社会经济高质量发展的需求，是电力系统适应双碳目标下未来形态的必然发展方向。

从我国电力工业诞生伊始，电力系统发展的传统路线是机组容量越来越大、电源越来越集中、电压等级越来越高、输电距离越来越远，电自远方，电网的“立体化”、集中化程度不断提高。这条路线发展的基础归根结底是源于化石能源发电技术进步导致的装机容量与单机功率的不断加大。双碳目标下电力系统的发展基础发生了根本改变，不仅化石能源发电机组的增量微乎其微，而且以可再生能源为主的新增电源机组单机容量规模也可大可小，并且越来越靠近用户。如果说传统路线是因为电源容量过大、环境限制等因素不得已采取技术、经济、环境方案更合适的高压、远距离输电方式，那么在可再生能源容量、环境友好性发生彻底变化后，新增可再生能源集中升压至输电网、通过电网输送再降压至用户侧的技术必要性已不再充分，电力系统发展的传统路线显然不再完全适用。

因此，以新能源为主体的新型电力系统要兼顾两方面需求。根据可再生能源资源分布特点，一方面对远离负荷中心的基地型可再生能源电站仍然需要通过升压和远距离输送的方式送至负荷中心区域；另一方面，更要重视在负荷中心区域就近发展可再生能源并以合适电压等级直接接入用户消纳。根据可再生能源特性，将海量小型、分散的电源接入配电网或一般高压电网，使得电自身边来，电网趋向扁平化、分布化、局域化。这条路线的实质是遵循电网的“第一性原理”和分区平衡规律，依靠新能源和信息通信技术的创新，实现人类能源的可持续发展。

大规模的可再生能源通过电力电子设备接入电网，电网技术特性也将发生质的变化，主要表现在三个方面：一是转动惯量。传统电网规模扩大时，系统转动惯量会相应增大，两者基本成正比关系；而新型电力系统的情况却相反，太阳能和风电的装机容量越大，火电被替代数量越多，系统的转动惯量则变得越小。二是电网形态。传统电网是以交流同步发电机为主导的交流电网，新型电力系统则是拥有高比例变流器的交直流混联电网。三是电源出力。传统电源出力基本稳定可控，新能源出力则具有波动性和间歇性。这些技术特性的变化，对新型电力系统的安全稳定性带来严峻的挑战。

在上述特性的变化下，配电网的定位也在发生明显改变。有源化和协同化使配电网由原来单纯的供电网，变成可以进行自我平衡的局域电网。从电网全局来看，输电网处于中心枢纽地位，类似一个“大蓄水池”，配电网围绕其四周，像无数个“小蓄水池”。输电网的一个重要功能就是随时吸收或补充配电网的盈余或缺额，为配电网的可靠供电提供保障；配电网则在为用户提供服务的同时，遵循技术规律和运行规程要求，尽其所能为全网的安全稳定做出应有的贡献。输配电网间形成双向互动互助、协调共生的关系［3］。