第1章 緒論

1.1 研究背景

隨著全球人口的持續增長和工業化進程的加速推進，人類生產活動導致二氧化碳等溫室氣體排放量的急劇上升，進而引發了全球氣候變暖及其相關的一系列嚴重環境問題，包括極端天氣事件的頻繁發生、生態系統的破壞以及海平面的上升。為了應對這些挑戰，低碳轉型成為了全球共識，旨在通過減少碳排放和增加可再生能源的使用，緩解氣候變化帶來的影響。我國作為世界上最大的能源生產和消費國，每年約產生100億t的碳排放，占全球總量的三分之一，其中能源領域的排放占比達到85%［1-3］，這一現狀凸顯了我國在調整能源結構和推進能源生產及消費向低碳化轉型方面面臨的重大責任與挑戰。

2020年9月，國家主席習近平在聯合國大會上宣布了“2030年碳達峰與2060年碳中和”的宏偉目標，明確了我國在能源轉型和氣候行動上的決心和方向［4］。2021年10月，國務院印發《2030前碳達峰行動方案》，進一步明確了低碳轉型的具體路徑，提出了構建新型電力系統和提升可再生能源發電比例的戰略重點［5］。圖1.1展示了2023年我國電力裝機的構成情況。根據國家能源局發布的《2023年全國電力工業統計數據》［6］，全國累計發電裝機容量約為29.2億kW，其中可再生能源發電裝機占比達到53%，歷史性地超越火電裝機容量，這一重大進展被寫入《2024年國務院政府工作報告》［7］，標志著我國在能源結構優化和電力綠色低碳轉型方面的歷史性突破。

隨著我國可再生能源裝機比重的歷史性提升，大規模分布式光伏和風電安全、高效并網的技術挑戰越發顯著。這是由于太陽能和風力發電受天氣、溫度等因素影響較大，具有明顯的波動性與間歇性特征，當接入傳統交流系統時，可能引發諸如線路容量過載、電壓越限、節點電壓不平衡等一系列電能質量問題[8-10]。此外，由于交流系統的一次設備在處理潮流雙向流動和能量高效管理方面存在局限[10]，導致“棄光棄風”現象頻發，不但制約了可再生能源的高效利用，還影響了電網的安全穩定運行和能效。

圖1.1 2023年全國電力裝機構成圖

隨著電力電子與直流配用電技術的快速發展，以及電動汽車、照明與通信設備等直流負荷的日益增長，直流配用電系統憑借分布式新能源的靈活接入和大規模直流設備供電的便捷性，在數據中心、低碳建筑、飛機艦載、軌道交通等領域發揮著重要作用[11-17]，如圖1.2所示。與傳統交流系統相比，直流配用電系統不存在無功、相位和頻率問題，有效減少了能量變換環節，提高了供配電效率及供電的質量和可靠性，特別是在新能源高比例接入和直流負荷密集供電的場景中表現卓越[11，19]。因而，直流配用電系統已成為以新能源為主體的新型電力系統的關鍵組成部分，將為我國電力系統的低碳轉型和可持續發展提供重要的技術支持。

圖1.2 直流配用電系統的幾種典型應用領域

圖1.2 直流配用電系統的幾種典型應用領域（續）

盡管直流配用電系統在促進新能源消納、提升能效與增強供電可靠性方面具有諸多優勢，但隨著電力電子化程度的不斷提高，系統運行環境和工況日益復雜，多電力電子設備間復雜的控制環路耦合與阻抗交互作用容易導致直流母線電壓失穩振蕩，嚴重影響了直流配用電系統的安全穩定運行與進一步推廣應用。因此，深入開展直流配用電系統的穩定性研究，闡明多類型直流配用電系統的失穩振蕩機理與共性規律，提出系統級致穩控制策略與穩定設計方法，對于保障新型電力系統的建設與安全高效運行，實現我國能源結構轉型和電力系統低碳發展目標具有深遠的學術價值與社會意義。