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隨著直流功率變換技術(shù)的發(fā)展，基于直流技術(shù)的電力應(yīng)用得到了復(fù)蘇，尤其是在分布式發(fā)電領(lǐng)域。在此背景下，直流微電網(wǎng)（DC Microgrids, DCMGs）作為整合可再生能源的有效解決方案應(yīng)運而生。與交流微電網(wǎng)相比，直流微電網(wǎng)因具有高效率、低成本、控制設(shè)計簡單等諸多優(yōu)點而受到越來越多的關(guān)注。

為進一步發(fā)揮分布式發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)勢，地理上毗鄰的多個直流微電網(wǎng)可互聯(lián)構(gòu)成直流微電網(wǎng)集群（DCMG Clusters, DCMGC），通過網(wǎng)間靈活的功率流動控制實現(xiàn)電源系統(tǒng)高彈性、高可靠性、經(jīng)濟性以及最優(yōu)負載響應(yīng)等目標。

然而，由于直流微電網(wǎng)通常由分布式可再生能源（如光伏和風(fēng)電）、儲能系統(tǒng)（如蓄電池和超級電容）以及各類負載等異構(gòu)單元通過電力電子接口連接至母線，其功率等級為kW級的小規(guī)模電源系統(tǒng)，導(dǎo)致系統(tǒng)等效慣量較小、網(wǎng)絡(luò)阻抗較大，易受各類暫態(tài)擾動（如新能源的間歇性、負載投切、工作模式的切換及短路故障等）的影響，為典型的弱電網(wǎng)特性。

從這個意義上講，直流微電網(wǎng)集群可看作為多個直流微電網(wǎng)的“弱-弱”互聯(lián)，系統(tǒng)阻尼將因此進一步降低，可能導(dǎo)致振蕩或系統(tǒng)崩潰，嚴重威脅系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。同時，直流微電網(wǎng)集群的動態(tài)分析涉及眾多狀態(tài)變量及多種非線性因素，如開關(guān)行為和恒功率負載（Constant Power Load, CPL）等，其高階動態(tài)非線性特性也對集群系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析帶來了巨大挑戰(zhàn)。

一方面，目前對于直流微電網(wǎng)集群的關(guān)注不夠，僅有少量文獻研究其穩(wěn)定性，且重點針對小信號擾動，將系統(tǒng)的非線性問題簡化為線性時不變系統(tǒng)。另一方面，與直流微電網(wǎng)及其系統(tǒng)相關(guān)的大信號穩(wěn)定性研究尚集中于單個直流微電網(wǎng)，對于集群層面的大信號研究不足。

目前的研究工作尚欠缺對于由多個直流微電網(wǎng)互聯(lián)形成的集群系統(tǒng)的建模和分析。僅有個別文獻提出了基于T-S多模型法分析直流微電網(wǎng)集群的漸進穩(wěn)定性區(qū)域（Region of Asymptotic Stability, RAS），但由于集群網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性，對于系統(tǒng)大信號穩(wěn)定判定條件不易得到其全解析解，而采取部分解析、部分數(shù)值的混合分析方式。

為進一步簡化直流微電網(wǎng)集群的大信號穩(wěn)定性解析，安徽工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院、安徽工業(yè)大學(xué)電力電子與運動控制安徽省重點實驗室的研究人員劉宿城、李響、秦強棟、夏夢宇、劉曉東，在2022年第12期《電工技術(shù)學(xué)報》上撰文，基于Brayton-Moser混合勢理論，提出針對直流微電網(wǎng)集群的大信號穩(wěn)定性分析方法。

圖1 實時仿真測試平臺

他們建立集群的大信號降階模型，詳細推導(dǎo)了用于系統(tǒng)大信號穩(wěn)定性判據(jù)的混合勢函數(shù)，并分析關(guān)鍵參數(shù)對穩(wěn)定區(qū)間的影響，最后通過實時仿真結(jié)果驗證了該分析的正確性。

科研人員總結(jié)指出：

1）混合勢理論適用于直流微電網(wǎng)集群系統(tǒng)，為通過構(gòu)造能量函數(shù)分析此類復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的大信號穩(wěn)定性提供了簡便且有效的依據(jù)；

2）導(dǎo)出的穩(wěn)定性判據(jù)能夠有效預(yù)測系統(tǒng)的大信號穩(wěn)定區(qū)間，其保守性在可接受范圍之內(nèi)；

3）恒功率負載為影響集群系統(tǒng)穩(wěn)定性的主要因素；系統(tǒng)大信號穩(wěn)定性對聯(lián)絡(luò)線電感的敏感度相對較低，穩(wěn)定區(qū)域?qū)β?lián)絡(luò)線電感的相對變化量并不顯著；

4）環(huán)形與鏈形拓撲切換并未對系統(tǒng)的大信號穩(wěn)定性產(chǎn)生本質(zhì)影響，鏈形拓撲能夠保證系統(tǒng)大信號穩(wěn)定運行；但從組網(wǎng)結(jié)構(gòu)而言，環(huán)形拓撲比鏈形拓撲多一條潮流通道，因此環(huán)形拓撲具有更好的冗余性和更高的可靠性。

他們最后表示，后續(xù)研究將重點針對直流微電網(wǎng)集群系統(tǒng)的實證，同時考慮分布式通信網(wǎng)絡(luò)對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，進一步深入評估與驗證大信號穩(wěn)定性的分析結(jié)果，形成有效的系統(tǒng)控制與設(shè)計方法。

本文編自2022年第12期《電工技術(shù)學(xué)報》，論文標題為“直流微電網(wǎng)集群的大信號穩(wěn)定性分析”。本課題得到了國家自然科學(xué)基金的支持。