直流微电网集群（DC Microgrid Cluster, DCMGC）由多个小型直流微电网（DC Microgrid, DCMG）互联而成，由于分布式能源的高渗透率和间歇性、电力电子设备的大量接入以及系统灵活多变的工作特性，导致直流微电网集群面临严峻的大信号稳定性问题。现有分析方法主要通过模型降阶得到系统整体简化模型，以此借助非线性工具进行大信号稳定性分析，但并未充分考虑互联子网之间的耦合动态及其对稳定性的影响。

 

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、栾李、李龙、洪涛、刘晓东，在2025年第19期《电工技术学报》上撰文，提出一种直流微电网集群的分布式大信号稳定性强度评估及反馈控制设计方法，旨在解决现有方法扩展性差和未充分考虑子网间耦合等问题。

研究背景

直流微电网能够集成光伏、风机、储能等异质分布式能源，具备灵活运行模式，已成为新型电力系统的重要组成部分。然而，分布式能源的间歇性、电力电子设备的高渗透、恒功率负载的广泛存在，导致直流微电网呈现低惯性、高阻抗的弱电网特性；其互联成集群后进一步降低了系统阻尼，在较大扰动下易影响大信号稳定性。现有分析方法扩展性不足，且未能充分计及子网间的耦合效应。因此，结合分布式模型与向量Lyapunov函数来分析直流微电网集群的大信号稳定性，成为突破传统方法局限的重要研究方向。

论文所解决的问题及意义

针对现有大信号稳定性分析方法的局限性，本团队提出了一种直流微电网集群的分布式大信号稳定性强度评估及反馈控制设计方法。该方法通过引入稳定性强度和连接性强度的概念，以分布式建模为基础，充分考虑子网之间的耦合，有效评估系统大信号稳定性强度。这一创新方法不仅有效解决了现有分析方法扩展性不足，且未能充分计及子网间的耦合效应，还能够根据分析结果，设计反馈控制确保系统的稳定运行。

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，其中图1b所示为单个直流微电网的拓扑结构，由分布式发电单元、电池储能系统和各种本地负载构成一个相对独立自主的微型电力系统；图1a为由m个直流微电网通过联络线互联而成的集群一般拓扑，可根据具体应用需求连接成环型、星型或链式等结构。

直流微电网集群的分布式大信号建模将系统原有的集中式全局整体模型划分为“单个子网+耦合动态”的m个分布式模型（以m个直流微电网为例），以有效描述每个直流微电网及其与相邻微电网之间的耦合，且耦合主要包括与联络线相关的主电路和系统级反馈控制两部分。

图1 直流微电网集群结构图

2、基于向量Lyapunov的分布式大信号稳定性分析方法

该方法的核心思想在于将向量Lyapunov函数与分布式建模有机融合：以分布式建模为框架，构建系统的向量Lyapunov函数，进而引入稳定性强度与连接性强度的概念，以此推导出系统稳定性判据。基于上述分析，可进一步设计相应的反馈控制策略，从而保障系统大信号稳定运行。

3、直流微电网集群的分布式大信号稳定性强度评估及反馈控制设计

图2给出了基于向量Lyapunov函数的分布式大信号稳定性分析的流程。首先，根据直流微电网集群列写相应的分布式模型和Lyapunov方程；其次，计算出所需未知量，并且代入到基于向量Lyapunov推导出的性能参数公式中求出其值；最后，检查性能参数是否满足分布式稳定性条件。基于稳定性判据发现，反馈控制输入向量ui和uij与分布式稳定判据直接相关，由此可进一步导出如图3所示满足稳定性判据的反馈控制设计流程。

图2 直流微电网集群的分布式大信号稳定性分析流程

图3 直流微电网集群的反馈控制设计流程

4、算例分析

图4给出了含6个子网的直流微电网集群算例拓扑，其中每个子网均包括两组电池储能单元和一个恒功率负载。重点探究了耦合动态参数（联络线电感电阻和反馈控制）对性能参数（稳定性强度和连接性强度）和稳定性的影响。图5和图6分别给出了联络线参数和反馈系数变化对6个子网的耦合比的影响趋势。

图4 含6个直流微电网的集群算例

图5 联络线参数对耦合比的影响

图6 反馈系数对耦合比的影响

5、实验结果（三个直流微电网网互联）

图7所示为子网3功率从1.2 kW阶跃至2.0 kW和2.2 kW所对应的实验结果。由图可知，当子网3的功率处于稳定边界以内，各子网母线电压稳定运行；而当其超过稳定边界时，各子网母线电压将发生明显振荡，以至于触发过电压保护。相比之下，图8给出了加入反馈控制后的实验结果，验证了所设计的反馈控制的有效性。

图7 反馈控制未参与下的恒功率负载阶跃响应

图8 反馈控制参与后的恒功率负载阶跃响应

结论

本文提出了一种针对直流微电网集群的分布式大信号稳定性强度的评估方法及其反馈控制方案。建立了包括每个直流微电网（子网）的本地动态（孤岛模型）及其耦合动态的分布式模型，利用向量Lyapunov函数导出了稳定性强度、连接性强度及耦合比，并给出了分布式大信号稳定性的判据。通过理论分析与实验验证，得出以下结论：

1）基于分布式建模方法，能够有效评估直流微电网集群中每个子网的稳定性强度，并有助于识别在复杂集群系统中稳定性较弱的微电网。

2）引入稳定性强度和连接性强度揭示了不同耦合动态参数对直流微电网集群稳定性强度的影响，即主电路中，增加联络线电阻和电感均会提高整个集群的稳定性；反馈控制设计中，提高本地子网的反馈系数会提高整体集群的稳定性，而增加针对邻网的反馈系数将降低集群稳定性。

3）通过与标量Lyapunov函数和混合势函数的对比分析发现，所提方法采用的向量Lyapunov函数在稳定性评估方面具有较低的保守性。