Data-driven Communication and Control Design for Distributed Frequency Regulation with Black-box Inverters
作者: Michael Nestor, Jiaxin Wang, Ning Zhang, Fei Teng
分类: eess.SY
发布日期: 2025-10-20
备注: Preprint submitted to PSCC 2026
💡 一句话要点
针对含黑盒逆变器的分布式频率调节，提出数据驱动的通信与控制协同设计方法
🎯 匹配领域: 支柱四：生成式动作 (Generative Motion)
关键词: 分布式控制 频率调节 数据驱动 通信拓扑 黑盒逆变器 智能电网 电力系统稳定性
📋 核心要点
- 现有频率控制方法难以应对高渗透率、黑盒逆变器带来的挑战，缺乏有效的分布式协调机制。
- 提出一种数据驱动的分布式控制方法，利用逆变器间的点对点通信，无需中央控制器，实现频率调节。
- 该框架支持通信拓扑设计，可在通信需求和控制性能间进行权衡，并在IEEE 39总线系统上验证有效性。
📝 摘要（中文）
随着逆变器资源在电网中渗透率的不断提高，且通常只有黑盒模型可用，这给长期使用的频率控制方法带来了挑战。目前大多数工作采用分散式方法，不通过通信进行在线设备协调。本文考虑了中间时间尺度上二次频率控制中的动态行为和通信。我们开发了一种分布式数据驱动方法，该方法利用逆变器之间的点对点通信，避免了对中央控制中心的需求。为了实现通信网络需求和控制性能之间的权衡，我们提出了一个框架来指导二次频率调节的通信拓扑设计。在设计了代理间信息交换方案之后，我们设计了一个根据通信拓扑构建的控制器，并保证闭环稳定性。在IEEE 39总线系统上的案例研究验证了该框架，并说明了我们的方法实现的通信需求和控制性能之间的权衡。
🔬 方法详解
问题定义：论文旨在解决电力系统中高比例逆变器接入带来的频率稳定问题，尤其是在逆变器模型未知（黑盒）的情况下。传统集中式控制依赖精确模型，难以适应逆变器的大量接入和模型不确定性。现有分散式方法缺乏在线协调，性能受限。
核心思路：论文的核心思路是利用数据驱动的方法，通过逆变器之间的点对点通信，实现分布式的频率调节。通过设计合适的通信拓扑和控制器，在通信开销和控制性能之间取得平衡。避免了对精确逆变器模型的依赖，增强了系统的鲁棒性和可扩展性。
技术框架：整体框架包含两个主要阶段：通信拓扑设计和控制器设计。首先，基于数据分析和系统需求，设计逆变器之间的通信网络拓扑结构。然后，根据通信拓扑，设计分布式控制器，保证闭环系统的稳定性。该框架利用点对点通信，避免了对中央控制器的依赖，实现了完全分布式的控制架构。
关键创新：论文的关键创新在于将数据驱动的方法与通信拓扑设计相结合，为分布式频率调节提供了一种新的解决方案。通过分析逆变器的数据，可以优化通信拓扑，减少通信开销，同时保证控制性能。此外，该方法不需要精确的逆变器模型，适用于实际电力系统中常见的黑盒逆变器。
关键设计：通信拓扑的设计需要考虑网络连通性、通信延迟和带宽限制等因素。控制器设计需要保证闭环系统的稳定性，并实现频率调节的目标。具体的技术细节包括：使用图论方法描述通信拓扑，设计基于观测器的状态反馈控制器，利用Lyapunov稳定性理论证明闭环系统的稳定性。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
在IEEE 39总线系统上的案例研究表明，该方法能够有效地实现频率调节，并在通信需求和控制性能之间取得良好的权衡。通过调整通信拓扑，可以在保证控制性能的前提下，显著降低通信开销。实验结果验证了该框架的有效性和实用性。
🎯 应用场景
该研究成果可应用于智能电网的频率控制、微电网的稳定运行以及分布式能源的管理。通过该方法，可以提高电力系统的稳定性和可靠性，促进可再生能源的接入，降低对传统能源的依赖，具有重要的实际应用价值和广阔的应用前景。
📄 摘要（原文）
The increasing penetration of inverter-based resources into the power grid, with often only black-box models available, challenges long-standing frequency control methods. Most recent works take a decentralized approach without online device coordination via communication. This paper considers both dynamic behavior and communication within secondary frequency control on an intermediate timescale. We develop a distributed data-driven approach that utilizes peer-to-peer communication between inverters to avoid the need for a central control center. To enable a trade off between communication network requirements and control performance, we present a framework to guide communication topology design for secondary frequency regulation. Following design of the inter-agent information exchange scheme, we design a controller that is structured according to the communication topology with a closed-loop stability guarantee. Case studies on the IEEE 39-bus system validate the framework and illustrate the trade-off between communication requirements and control performance that is enabled by our approach.