随着直流功率变换技术的发展，基于直流技术的电力应用得到了复苏，尤其是在分布式发电领域。在此背景下，直流微电网（DC Microgrids, DCMGs）作为整合可再生能源的有效解决方案应运而生。与交流微电网相比，直流微电网因具有高效率、低成本、控制设计简单等诸多优点而受到越来越多的关注。

为进一步发挥分布式发电系统的优势，地理上毗邻的多个直流微电网可互联构成直流微电网集群（DCMG Clusters, DCMGC），通过网间灵活的功率流动控制实现电源系统高弹性、高可靠性、经济性以及最优负载响应等目标。

然而，由于直流微电网通常由分布式可再生能源（如光伏和风电）、储能系统（如蓄电池和超级电容）以及各类负载等异构单元通过电力电子接口连接至母线，其功率等级为kW级的小规模电源系统，导致系统等效惯量较小、网络阻抗较大，易受各类暂态扰动（如新能源的间歇性、负载投切、工作模式的切换及短路故障等）的影响，为典型的弱电网特性。

从这个意义上讲，直流微电网集群可看作为多个直流微电网的“弱-弱”互联，系统阻尼将因此进一步降低，可能导致振荡或系统崩溃，严重威胁系统的安全稳定运行。同时，直流微电网集群的动态分析涉及众多状态变量及多种非线性因素，如开关行为和恒功率负载（Constant Power Load, CPL）等，其高阶动态非线性特性也对集群系统的稳定性分析带来了巨大挑战。

一方面，目前对于直流微电网集群的关注不够，仅有少量文献研究其稳定性，且重点针对小信号扰动，将系统的非线性问题简化为线性时不变系统。另一方面，与直流微电网及其系统相关的大信号稳定性研究尚集中于单个直流微电网，对于集群层面的大信号研究不足。

目前的研究工作尚欠缺对于由多个直流微电网互联形成的集群系统的建模和分析。仅有个别文献提出了基于T-S多模型法分析直流微电网集群的渐进稳定性区域（Region of Asymptotic Stability, RAS），但由于集群网络的复杂性，对于系统大信号稳定判定条件不易得到其全解析解，而采取部分解析、部分数值的混合分析方式。

为进一步简化直流微电网集群的大信号稳定性解析，安徽工业大学电气与信息工程学院、安徽工业大学电力电子与运动控制安徽省重点实验室的研究人员刘宿城、李响、秦强栋、夏梦宇、刘晓东，在2022年第12期《电工技术学报》上撰文，基于Brayton-Moser混合势理论，提出针对直流微电网集群的大信号稳定性分析方法。

图1 实时仿真测试平台

他们建立集群的大信号降阶模型，详细推导了用于系统大信号稳定性判据的混合势函数，并分析关键参数对稳定区间的影响，最后通过实时仿真结果验证了该分析的正确性。

科研人员总结指出：

1）混合势理论适用于直流微电网集群系统，为通过构造能量函数分析此类复杂网络的大信号稳定性提供了简便且有效的依据；

2）导出的稳定性判据能够有效预测系统的大信号稳定区间，其保守性在可接受范围之内；

3）恒功率负载为影响集群系统稳定性的主要因素；系统大信号稳定性对联络线电感的敏感度相对较低，稳定区域对联络线电感的相对变化量并不显著；

4）环形与链形拓扑切换并未对系统的大信号稳定性产生本质影响，链形拓扑能够保证系统大信号稳定运行；但从组网结构而言，环形拓扑比链形拓扑多一条潮流通道，因此环形拓扑具有更好的冗余性和更高的可靠性。

他们最后表示，后续研究将重点针对直流微电网集群系统的实证，同时考虑分布式通信网络对系统稳定性的影响，进一步深入评估与验证大信号稳定性的分析结果，形成有效的系统控制与设计方法。

本文编自2022年第12期《电工技术学报》，论文标题为“直流微电网集群的大信号稳定性分析”。本课题得到了国家自然科学基金的支持。