Decentralized Safety-Critical Control of Resilient DC Microgrids with Large-Signal Stability Guarantees
作者: Muratkhan Abdirash, Xiaofan Cui
分类: eess.SY
发布日期: 2025-09-04
💡 一句话要点
提出分布式安全关键控制器，保障弹性直流微电网大信号稳定性
🎯 匹配领域: 支柱四：生成式动作 (Generative Motion)
关键词: 直流微电网 分布式控制 安全关键控制 控制障碍函数 port-Hamiltonian系统 网络安全 弹性控制
📋 核心要点
- 传统直流微电网控制方法缺乏严格的安全保证，且难以应对日益增长的网络安全威胁。
- 论文提出分布式安全关键控制器（DSCC），结合控制障碍函数和port-Hamiltonian系统理论，实现安全稳定控制。
- 通过高保真仿真验证，DSCC在各种突发情况下均表现出优势，为下一代直流微电网控制提供新思路。
📝 摘要（中文）
随着分布式能源和电力电子接口在直流微电网中日益普及，以及网络威胁的不断增加，迫切需要具有可证明安全性、网络弹性和实用性的主控制器。传统的基于下垂控制的方法因其简单性而仍然普遍，但其设计在很大程度上是经验性的和保守的，缺乏严格的保证。先进的策略改进了某些方面，但通常会牺牲可扩展性、鲁棒性或形式安全性。本文提出了一种分布式安全关键控制器（DSCC），该控制器以完全分散的方式系统地将全局稳定与形式安全保证相结合。利用控制障碍函数和port-Hamiltonian系统理论，DSCC实现了可扩展的安全稳定，同时保留了实时可实现性。高保真开关电路仿真验证了控制器在各种突发事件下的优势。该框架为下一代直流微电网中的弹性、安全关键和可扩展控制铺平了道路。
🔬 方法详解
问题定义：论文旨在解决直流微电网中日益增长的网络安全威胁和分布式能源渗透带来的安全稳定控制问题。现有基于下垂控制的方法缺乏严格的安全性保证，设计保守，难以应对复杂的突发事件。其他先进策略虽然在某些方面有所改进，但往往牺牲了可扩展性、鲁棒性或形式安全性。
核心思路：论文的核心思路是设计一种分布式安全关键控制器（DSCC），该控制器能够以完全分散的方式，在保证全局稳定性的同时，提供形式化的安全保证。通过结合控制障碍函数（Control Barrier Functions, CBFs）和port-Hamiltonian系统理论，确保系统在满足安全约束的前提下，实现稳定运行。
技术框架：DSCC的整体架构是完全分布式的，每个分布式能源单元都配备一个DSCC。每个DSCC利用本地信息和相邻单元的信息，通过控制障碍函数来约束自身的控制行为，从而保证整个系统的安全性。port-Hamiltonian系统理论用于保证系统的稳定性。整个控制过程无需中央协调器，具有良好的可扩展性和鲁棒性。
关键创新：论文最重要的技术创新在于将控制障碍函数和port-Hamiltonian系统理论结合，设计了一种分布式安全关键控制器。与传统的下垂控制相比，DSCC提供了形式化的安全保证，能够应对各种突发事件。与集中式控制相比，DSCC具有更好的可扩展性和鲁棒性。
关键设计：控制障碍函数的设计是DSCC的关键。CBF定义了一个安全集，确保系统的状态始终保持在该集合内。CBF的设计需要考虑系统的动态特性和安全约束。port-Hamiltonian系统理论用于设计控制器，保证系统的稳定性。具体的参数设置需要根据具体的直流微电网拓扑和参数进行调整。论文中使用了高保真开关电路仿真来验证控制器的性能。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
论文通过高保真开关电路仿真验证了DSCC的有效性。仿真结果表明，DSCC能够在各种突发事件下，例如负载突变、线路故障和网络攻击，保证直流微电网的安全稳定运行。与传统的下垂控制相比，DSCC能够提供更强的安全保证和更好的动态性能。具体的性能数据（例如电压偏差、恢复时间等）在论文中进行了详细的展示和分析。
🎯 应用场景
该研究成果可应用于下一代直流微电网的控制，提高其安全性和可靠性，尤其是在分布式能源高渗透率和网络安全威胁日益增加的背景下。该方法可用于构建更具弹性的智能电网，减少停电风险，并促进可再生能源的利用。此外，该方法也可推广到其他电力电子系统和分布式控制系统。
📄 摘要（原文）
The increasing penetration of distributed energy resources and power-electronics interfaces in DC microgrids, coupled with rising cyber threats, necessitates primary controllers that are provably safe, cyber-resilient, and practical. The increasing penetration of distributed energy resources and power-electronics interfaces in DC microgrids, coupled with rising cyber threats, necessitates primary controllers that are provably safe, cyber-resilient, and practical. Conventional droop-based methods remain prevalent due to their simplicity, yet their design is largely empirical and conservative, lacking rigorous guarantees. Advanced strategies improve certain aspects, but often sacrifice scalability, robustness, or formal safety. In this work, we propose a Distributed Safety-Critical Controller (DSCC) that systematically integrates global stabilization with formal safety guarantees in a fully decentralized manner. Leveraging control barrier functions and the port-Hamiltonian system theory, the DSCC achieves scalable safe stabilization while preserving real-time implementability. High-fidelity switched-circuit simulations validate the controller's advantages under various contingencies. This framework paves the way for resilient, safety-critical, and scalable control in next-generation DC microgrids.