Decentralized Safety-Critical Control of Resilient DC Microgrids with Large-Signal Stability Guarantees

📄 arXiv: 2509.03789v1 📥 PDF

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 安全关键控制 分布式控制 控制障碍函数 端口哈密顿系统

📋 核心要点

  1. 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威胁。
  2. 论文提出分布式安全关键控制器（DSCC），结合控制障碍函数和端口哈密顿系统理论，实现安全稳定控制。
  3. 高保真仿真验证了DSCC在各种突发事件下的优势，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流行，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端口哈密顿系统理论，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对安全控制的迫切需求。现有基于下垂控制的方法虽然简单，但缺乏严格的理论保证，并且在应对复杂工况和网络攻击时表现不足。其他高级控制策略虽然在某些方面有所改进，但往往牺牲了可扩展性、鲁棒性或形式化安全保证。因此，如何设计一种既能保证系统稳定，又能确保安全运行，同时具备可扩展性和网络弹性的直流微电网控制器，是本文要解决的核心问题。

核心思路：论文的核心思路是将控制障碍函数（Control Barrier Functions, CBFs）与端口哈密顿系统（Port-Hamiltonian Systems, PHS）理论相结合，设计一种分布式安全关键控制器（DSCC）。CBFs用于确保系统状态始终保持在安全区域内，防止出现电压越限等危险情况。PHS理论则用于保证系统的稳定性，确保系统能够收敛到期望的工作点。通过将两者结合，DSCC能够在保证安全性的同时，实现全局稳定。

技术框架：DSCC的整体架构是分布式的，每个分布式电源（DER）都配备一个本地控制器。每个本地控制器都基于CBF和PHS理论进行设计，并仅依赖于本地测量信息和相邻DER的信息。控制器主要包含以下几个模块：1) 状态估计模块，用于估计本地DER的状态；2) 安全约束计算模块，基于CBF计算安全约束；3) 稳定控制模块，基于PHS理论设计稳定控制器；4) 优化求解模块，将安全约束和稳定控制目标转化为一个优化问题，求解最优控制输入。

关键创新：论文最重要的技术创新在于将CBF和PHS理论以分布式的方式结合，实现了直流微电网的安全关键控制。与传统的集中式控制方法相比，DSCC具有更好的可扩展性和鲁棒性，能够更好地应对网络攻击和组件故障。与传统的基于下垂控制的方法相比，DSCC具有更强的理论保证，能够确保系统在各种工况下的安全运行。

关键设计：DSCC的关键设计包括：1) CBF的选择，需要选择合适的CBF来定义安全区域，并确保CBF的导数满足一定的条件；2) PHS模型的建立，需要建立准确的PHS模型来描述直流微电网的动态特性；3) 优化问题的求解，需要选择合适的优化算法来求解安全约束和稳定控制目标，并确保求解速度满足实时性要求。此外，控制器参数的整定也是一个关键问题，需要根据具体的直流微电网参数进行调整。

📊 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，在各种突发事件下，例如：负载突变、线路故障和网络攻击，DSCC都能够有效地保证直流微电网的电压稳定在安全范围内，并快速恢复到期望的工作点。与传统的下垂控制方法相比，DSCC在安全性和稳定性方面都有显著提升。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于各种直流微电网场景，例如：数据中心、电动汽车充电站、船舶电力系统和偏远地区的离网供电系统。通过提高直流微电网的安全性和可靠性，可以促进分布式能源的广泛应用，并减少对传统电网的依赖。此外，该研究成果还可以为其他类型的电力系统安全控制提供借鉴。

📄 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.