安徽工业大学刘宿城、褚勇智 等：基于输入-状态稳定条件的直流微电网集群分布式大信号稳定性

阅读提示：本文约 2500 字

直流微电网集群（DC Microgrid Cluster, DCMGC）因其高阶、强耦合、非线性及动态变化等复杂系统特性，在大信号稳定性分析方面面临严峻挑战。传统集中式建模方法需要获取系统整体动态模型，随着直流微电网（DC Microgrid, DCMG）单元个数的增加，会导致系统稳定性分析无法求解且不具备可扩展性等问题。安徽工业大学安徽省电力电子与运动控制重点实验室的刘宿城、褚勇智、刁吉祥、张前进、刘晓东，在2025年第2期《电工技术学报》上撰文，提出一种基于输入-状态稳定条件的分布式大信号稳定性分析方法，旨在解决传统方法存在求解困难和扩展性差等问题。

研究背景

随着直流微电网集群技术的快速发展，分布式能源和恒功率负载的大规模接入使得系统大信号稳定性分析成为当前研究热点。然而，传统集中式大信号稳定性分析方法因求解复杂度高、可扩展性不足等固有局限，难以满足复杂系统分析的需求。

论文所解决的问题及意义

针对传统集中式大信号稳定性分析方法的局限性，本团队提出了一种基于输入-状态稳定（Input-to-State Stability, ISS）条件的分布式大信号稳定性分析方法。该方法突破传统集中式建模的局限，通过分布式建模框架结合ISS理论，构建了具有可扩展性的稳定性判据。该方法不仅有效解决了传统方法在复杂系统下的求解难题，还能够灵活适应系统结构动态变化下的大信号稳定性评估。

论文方法及创新点

1、直流微电网集群分布式建模

图1给出了直流微电网集群的结构。考虑从分布式角度导出系统的大信号模型，即以本地直流微电网（n个）的动态特性为基础，兼顾与邻网的耦合动态（主要涉及三次控制和联络线相关变量），由此进行n次分布式建模便可得到整体集群的分布式模型。

图1 直流微电网集群结构图

2、基于ISS条件的直流微电网集群分布式大信号稳定性分析

ISS核心思想有机结合了状态空间法（Lyapunov理论）和算子法（ISS）两种稳定性分析的基本方法，在分析直流微电网集群系统大信号稳定性时，其核心思路是“分解协调”，与分布式建模和控制思路类似，即先将直流微电网集群系统分解为若干子系统（单个孤岛微电网），利用各子系统的ISS特性及其连接（耦合）关系研究整体系统的稳定性。图2所示为基于ISS条件的直流微电网集群分布式大信号稳定性分析的主要流程。

图2 直流微电网集群系统大信号稳定性分析流程

3、算例分析

为便于直观分析，图3给出了以6个直流微电网组成的集群算例拓扑。图4展示了互联参数与网间联络线电阻的关系曲线。为进一步分析集群系统的大信号稳定性判据及各主要参数的稳定区间，图5展示了四种不同情况下网内各参数对网内互联参数影响的三维关系。

图3 含6个微电网的直流微电网集群算例拓扑

图4 相同负载功率下6个网的微电网间互联参数分布

图5 网内各参数对互联参数影响的三维图

4、实验结果

图6给出了包含3个微电网的集群系统随光伏单元出力变化的响应，与稳定性判据预测的功率边界基本一致。

（a）直流母线电压

（b）ECPL功率

图6 光伏发电单元出力变化的瞬态响应

结论

本文以直流微电网集群为研究对象，针对现有集中式建模大信号稳定性分析中存在求解困难和可扩展性差的问题，提出了基于输入-状态稳定性（ISS）条件的分布式大信号稳定性分析方法。该方法通过“化整为零”的分布式建模思路，将传统集中式建模转化为分布式分析框架，显著简化了计算过程，并具备良好的可扩展性。

特别地，在微电网单元动态切入切出的场景下，该方法无需重新进行整体建模与计算，提升了分析效率。此外，输入-状态稳定性理论通过结合子系统的外部增益与内部动态特性，为直流微电网集群的大信号稳定性提供了清晰的判定条件，便于确定系统可承受扰动的幅值范围，实验结果验证了算例分析具有良好的准确度。

团队介绍

研究人员隶属于安徽省电力电子与运动控制重点实验室下设的电力电子与控制研究所。该重点实验室于2004年获批成立，依托电力电子与电力传动省级重点学科。电力电子与控制研究所团队共有教授3人，副教授1人，研究生40余名。

研究所聚焦行业产业与区域发展需求，重点开展“高性能功率变换技术”、“电力电子系统建模与控制”与“新能源发电与控制技术”等方向前瞻性应用基础研究，推动电力电子学科特色发展和相应成果转化。研究所已获批国家基金6项和省部级项目10余项，承担企业课题10余项，发表论文160余篇，授权发明专利28件，已实现专利成果转化8项。

刘宿城

博士，教授，研究方向为直流微电网、开关功率变换技术。

褚勇智

硕士研究生，研究方向为直流微电网的稳定性分析与控制。

刘晓东

博士，教授，研究方向为电力电子技术、电机设计。

本工作成果发表在2025年第2期《电工技术学报》，论文标题为“基于输入-状态稳定条件的直流微电网集群分布式大信号稳定性“。本课题为国家自然科学基金资助项目。

引用本文

刘宿城, 褚勇智, 刁吉祥, 张前进, 刘晓东. 基于输入-状态稳定条件的直流微电网集群分布式大信号稳定性[J]. 电工技术学报, 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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