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直流微電網(wǎng)集群（DC Microgrid Cluster, DCMGC）因其高階、強(qiáng)耦合、非線性及動(dòng)態(tài)變化等復(fù)雜系統(tǒng)特性，在大信號(hào)穩(wěn)定性分析方面面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)集中式建模方法需要獲取系統(tǒng)整體動(dòng)態(tài)模型，隨著直流微電網(wǎng)（DC Microgrid, DCMG）單元個(gè)數(shù)的增加，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定性分析無(wú)法求解且不具備可擴(kuò)展性等問(wèn)題。安徽工業(yè)大學(xué)安徽省電力電子與運(yùn)動(dòng)控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的劉宿城、褚勇智、刁吉祥、張前進(jìn)、劉曉東，在2025年第2期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》上撰文，提出一種基于輸入-狀態(tài)穩(wěn)定條件的分布式大信號(hào)穩(wěn)定性分析方法，旨在解決傳統(tǒng)方法存在求解困難和擴(kuò)展性差等問(wèn)題。

研究背景

隨著直流微電網(wǎng)集群技術(shù)的快速發(fā)展，分布式能源和恒功率負(fù)載的大規(guī)模接入使得系統(tǒng)大信號(hào)穩(wěn)定性分析成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)。然而，傳統(tǒng)集中式大信號(hào)穩(wěn)定性分析方法因求解復(fù)雜度高、可擴(kuò)展性不足等固有局限，難以滿足復(fù)雜系統(tǒng)分析的需求。

論文所解決的問(wèn)題及意義

針對(duì)傳統(tǒng)集中式大信號(hào)穩(wěn)定性分析方法的局限性，本團(tuán)隊(duì)提出了一種基于輸入-狀態(tài)穩(wěn)定（Input-to-State Stability, ISS）條件的分布式大信號(hào)穩(wěn)定性分析方法。該方法突破傳統(tǒng)集中式建模的局限，通過(guò)分布式建模框架結(jié)合ISS理論，構(gòu)建了具有可擴(kuò)展性的穩(wěn)定性判據(jù)。該方法不僅有效解決了傳統(tǒng)方法在復(fù)雜系統(tǒng)下的求解難題，還能夠靈活適應(yīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化下的大信號(hào)穩(wěn)定性評(píng)估。

論文方法及創(chuàng)新點(diǎn)

1、直流微電網(wǎng)集群分布式建模

圖1給出了直流微電網(wǎng)集群的結(jié)構(gòu)。考慮從分布式角度導(dǎo)出系統(tǒng)的大信號(hào)模型，即以本地直流微電網(wǎng)（n個(gè)）的動(dòng)態(tài)特性為基礎(chǔ)，兼顧與鄰網(wǎng)的耦合動(dòng)態(tài)（主要涉及三次控制和聯(lián)絡(luò)線相關(guān)變量），由此進(jìn)行n次分布式建模便可得到整體集群的分布式模型。

圖1 直流微電網(wǎng)集群結(jié)構(gòu)圖

2、基于ISS條件的直流微電網(wǎng)集群分布式大信號(hào)穩(wěn)定性分析

ISS核心思想有機(jī)結(jié)合了狀態(tài)空間法（Lyapunov理論）和算子法（ISS）兩種穩(wěn)定性分析的基本方法，在分析直流微電網(wǎng)集群系統(tǒng)大信號(hào)穩(wěn)定性時(shí)，其核心思路是“分解協(xié)調(diào)”，與分布式建模和控制思路類似，即先將直流微電網(wǎng)集群系統(tǒng)分解為若干子系統(tǒng)（單個(gè)孤島微電網(wǎng)），利用各子系統(tǒng)的ISS特性及其連接（耦合）關(guān)系研究整體系統(tǒng)的穩(wěn)定性。圖2所示為基于ISS條件的直流微電網(wǎng)集群分布式大信號(hào)穩(wěn)定性分析的主要流程。

圖2 直流微電網(wǎng)集群系統(tǒng)大信號(hào)穩(wěn)定性分析流程

3、算例分析

為便于直觀分析，圖3給出了以6個(gè)直流微電網(wǎng)組成的集群算例拓?fù)洹D4展示了互聯(lián)參數(shù)與網(wǎng)間聯(lián)絡(luò)線電阻的關(guān)系曲線。為進(jìn)一步分析集群系統(tǒng)的大信號(hào)穩(wěn)定性判據(jù)及各主要參數(shù)的穩(wěn)定區(qū)間，圖5展示了四種不同情況下網(wǎng)內(nèi)各參數(shù)對(duì)網(wǎng)內(nèi)互聯(lián)參數(shù)影響的三維關(guān)系。

圖3 含6個(gè)微電網(wǎng)的直流微電網(wǎng)集群算例拓?fù)?/p>

圖4 相同負(fù)載功率下6個(gè)網(wǎng)的微電網(wǎng)間互聯(lián)參數(shù)分布

圖5 網(wǎng)內(nèi)各參數(shù)對(duì)互聯(lián)參數(shù)影響的三維圖

4、實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖6給出了包含3個(gè)微電網(wǎng)的集群系統(tǒng)隨光伏單元出力變化的響應(yīng)，與穩(wěn)定性判據(jù)預(yù)測(cè)的功率邊界基本一致。

（a）直流母線電壓

（b）ECPL功率

圖6 光伏發(fā)電單元出力變化的瞬態(tài)響應(yīng)

結(jié)論

本文以直流微電網(wǎng)集群為研究對(duì)象，針對(duì)現(xiàn)有集中式建模大信號(hào)穩(wěn)定性分析中存在求解困難和可擴(kuò)展性差的問(wèn)題，提出了基于輸入-狀態(tài)穩(wěn)定性（ISS）條件的分布式大信號(hào)穩(wěn)定性分析方法。該方法通過(guò)“化整為零”的分布式建模思路，將傳統(tǒng)集中式建模轉(zhuǎn)化為分布式分析框架，顯著簡(jiǎn)化了計(jì)算過(guò)程，并具備良好的可擴(kuò)展性。

特別地，在微電網(wǎng)單元?jiǎng)討B(tài)切入切出的場(chǎng)景下，該方法無(wú)需重新進(jìn)行整體建模與計(jì)算，提升了分析效率。此外，輸入-狀態(tài)穩(wěn)定性理論通過(guò)結(jié)合子系統(tǒng)的外部增益與內(nèi)部動(dòng)態(tài)特性，為直流微電網(wǎng)集群的大信號(hào)穩(wěn)定性提供了清晰的判定條件，便于確定系統(tǒng)可承受擾動(dòng)的幅值范圍，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了算例分析具有良好的準(zhǔn)確度。

團(tuán)隊(duì)介紹

研究人員隸屬于安徽省電力電子與運(yùn)動(dòng)控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室下設(shè)的電力電子與控制研究所。該重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室于2004年獲批成立，依托電力電子與電力傳動(dòng)省級(jí)重點(diǎn)學(xué)科。電力電子與控制研究所團(tuán)隊(duì)共有教授3人，副教授1人，研究生40余名。

研究所聚焦行業(yè)產(chǎn)業(yè)與區(qū)域發(fā)展需求，重點(diǎn)開(kāi)展“高性能功率變換技術(shù)”、“電力電子系統(tǒng)建模與控制”與“新能源發(fā)電與控制技術(shù)”等方向前瞻性應(yīng)用基礎(chǔ)研究，推動(dòng)電力電子學(xué)科特色發(fā)展和相應(yīng)成果轉(zhuǎn)化。研究所已獲批國(guó)家基金6項(xiàng)和省部級(jí)項(xiàng)目10余項(xiàng)，承擔(dān)企業(yè)課題10余項(xiàng)，發(fā)表論文160余篇，授權(quán)發(fā)明專利28件，已實(shí)現(xiàn)專利成果轉(zhuǎn)化8項(xiàng)。

劉宿城

博士，教授，研究方向?yàn)橹绷魑㈦娋W(wǎng)、開(kāi)關(guān)功率變換技術(shù)。

褚勇智

碩士研究生，研究方向?yàn)橹绷魑㈦娋W(wǎng)的穩(wěn)定性分析與控制。

劉曉東

博士，教授，研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)、電機(jī)設(shè)計(jì)。

本工作成果發(fā)表在2025年第2期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“基于輸入-狀態(tài)穩(wěn)定條件的直流微電網(wǎng)集群分布式大信號(hào)穩(wěn)定性“。本課題為國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目。

引用本文

劉宿城, 褚勇智, 刁吉祥, 張前進(jìn), 劉曉東. 基于輸入-狀態(tài)穩(wěn)定條件的直流微電網(wǎng)集群分布式大信號(hào)穩(wěn)定性[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2025, 40(2): 544-558. Liu Sucheng, Chu Yongzhi, Diao Jixiang, Zhang Qianjin, Liu Xiaodong. Distributed Large Signal Stability Based on Input-to-State Stability Conditions for DC Microgrid Clusters. Transactions of China Electrotechnical Society, 2025, 40(2): 544-558.

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