电力系统是能源系统的核心,也是社会经济系统发展的重要动力。在中国以燃煤发电为主导的发电结构下,不断增长的电力消费给保障国家能源安全、应对气候变化和治理环境污染带来了严峻挑战。因此,中国需要进行电力系统的低碳转型,以保障经济社会的健康、稳定和可持续发展。本论文面向国家低碳发展的重大战略需求和能源经济系统建模的国际研究前沿,围绕低碳转型过程中的电力系统建模方法及其应用展开研究。综合运用运筹学、计量经济学、蒙特卡诺模拟方法和文献计量方法等多种方法,从电力行业发展的视角出发,对低碳转型中的规划、投资、运行、市场设计和监管机制设计等关键决策问题进行了建模分析,主要研究工作及创新点体现在以下几个方面:(1)从电力系统发展的社会经济影响视角出发,量化了不同发电技术的发电过程对人和动物健康、生态多样性、农作物产出和土壤环境等造成的负面影响,并据此创建了包含发电技术负外部性成本的低碳电力发展规划模型,推动了电力规划理论方法的发展和完善。以2015年至2030年间的中国电力发展规划为实证研究对象,发现规划期内84%的新增装机容量来自于非化石燃料发电技术。燃料成本在电力系统总成本中的份额最大,占总成本的45%。忽略负外部成本将对电力规划的结果产生显著影响,将减少风电和气电的新增装机容量,同时增加煤电的发电份额。(2)将盈亏平衡分析方法引入到节能成本供给曲线模型中,研发了节能低碳技术投资组合的经济性及潜力评估模型,其优势在于可以探究技术组合在燃料价格和碳价不确定性条件下的经济性,为分析技术组合的经济性和潜力提供了新的可视化研究工具。以中国煤电部门在“十三五”期间重点推广的32项节能低碳技术为实证研究对象,发现该技术组合在规划期内的总节能潜力为2.76亿吨原煤,盈亏平衡煤价是866元/吨,技术组合在仅考虑节能收益下的经济性较差。其中,节能潜力最大的为超超临界发电技术,单位节能成本最低的为提高火电厂汽轮机组性能综合技术。另外,考虑技术的碳减排和污染物减排协同效益,会增加技术组合的经济性。碳价每增加为1元/吨,则技术投资组合的盈亏平衡煤价就会降低2.35元/吨。(3)通过将气候政策下的碳价设置为不同的随机变量,来表征气候政策执行时间、执行力度和执行方式的不确定性,并利用随机动态规划方法建立了不确定性条件下的最优投资决策模型,为定量分析气候政策不确定性条件下的低碳电力技术投资决策提供了理论和方法支撑。以CCS技术、IGCC技术和风电技术为实证研究对象,发现在气候政策不确定性条件下,三种技术最优投资时机的先后顺序为风电技术,IGCC技术和CCS技术。气候政策执行力度的不确定性,会影响投资者在CCS技术和IGCC技术之间的投资选择。“前紧后松”的气候政策比“前松后紧”的气候政策更有利于促进低碳电力技术的投资。(4)以发电侧、输电侧和用电侧的电力系统资源为研究对象,基于混合整数线性规划方法,创建了低碳电力系统优化运行的经济调度模型,为评估电力系统调度机制改革的成本收益提供了科学工具。以中国2014年的电力系统运行为实证研究对象,发现经济调度的实施将会节省总成本687亿元。其中,煤炭的节省量为6381万吨,二氧化碳的减排量为1.77亿吨。同时,基于政治经济学框架分析了经济调度实施面临的挑战,如不同所有权性质的电厂在调度机制转换过程中的利益再分配冲突,和省为实体的监管体制在跨区电力交易中的政治经济问题等。最后,针对总结出的政治经济挑战提出了相应的应对方案。(5)采取经济理论结合应用实际的研究思路,在分析了低碳电力市场和监管机制设计的理论依据、国际经验和中国现状的基础上,提出了利于中国电力系统低碳转型的市场机制和监管机制设计方法。实证结果表明,在电力系统的市场机制设计层面,中国需要加大对需求侧响应和储能资源的重视,市场价格信息需要体现不同发电技术的负外部性成本,和建立支持低碳技术中长期发展的市场机制等建议。在电力系统的监管机制设计层面,中国需要成立独立的电力系统监管机构,建立对电网“准入-投资-服务质量-价格-退出”的闭环监管机制,以及加大对低碳电力技术优先调度的监管等建议。