[论文解读] A consensus-based secondary control layer for stable current sharing and voltage balancing in DC microgrids

Michele Tucci, Lexuan Meng+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 11, 2016

Microgrid Control and Optimization参考文献 5被引用 4

一句话总结

本文提出了一种用于直流微电网的基于一致性（consensus-based）二次控制层，通过利用去中心化的初级控制器以及分布式电源单元（DGUs）之间的实时通信，实现了稳定的电流均流和电压均衡。该方法通过仅依赖本地控制器设计（无需全局系统知识）实现了指数稳定性与即插即用能力，经由Simulink/PLECS仿真和3个DGU的硬件实验得到验证。

ABSTRACT

In this paper, we propose a secondary consensus-based control layer for current sharing and voltage balancing in DC microGrids (mGs). To this purpose, we assume that Distributed Generation Units (DGUs) are equipped with decentralized primary controllers guaranteeing voltage stability. This goal can be achieved using, for instance, Plug-and-Play (PnP) regulators. We analyze the behavior of the closed-loop mG by approximating local primary control loops with either unitary gains or first-order transfer functions. Besides proving exponential stability, current sharing, and voltage balancing, we describe how to design secondary controllers in a PnP fashion when DGUs are added or removed. Theoretical results are complemented by simulations, using a 7-DGUs mG implemented in Simulink/PLECS, and experiments on a 3-DGUs mG.

研究动机与目标

• 解决在动态且灵活的拓扑结构下直流微电网中稳定电流均流与电压均衡的挑战。
• 设计一种二次控制层，实现无需全局系统知识或集中协调的即插即用运行。
• 确保在不同DGU配置和线路阻抗变化下，闭环系统的指数稳定性。
• 基于仅本地信息实现本地控制器设计，避免在添加或移除DGU时进行集中计算或重新配置。
• 通过仿真（7个DGU）和实际实验平台上的硬件实现（3个DGU）验证所提方案。

提出的方法

• 该方法采用分层控制结构，先通过去中心化的初级电压调节器确保局部稳定性，随后引入基于一致性的二次控制层。
• 二次控制器使用一致性算法，各DGU通过连接的通信网络交换状态信息，以同步参考电压。
• 控制设计基于将初级控制回路近似为单位增益或一阶传递函数，以支持稳定性分析。
• 采用基于李雅普诺夫（Lyapunov-based）的方法，证明在所提出的控制架构下闭环系统的指数稳定性。
• 二次控制器增益仅基于本地信息设计，实现即插即用功能，且在DGU接入或断开时无需更新其他DGU的控制器。
• 通过从通信网络和电网网络的拉普拉斯矩阵与权重矩阵推导出的系统矩阵Q的特征值分析，验证了理论稳定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 去中心化的二次控制层是否能在不依赖集中式知识的情况下，实现直流微电网中稳定的电流均流与电压均衡？
• RQ2 如何设计二次控制器，使其在DGU被添加或移除时仍能保持稳定性和性能？
• RQ3 当初级控制器被建模为一阶系统时，何种条件可确保闭环系统的指数稳定性？
• RQ4 控制器设计在多大程度上可实现本地化，仅依赖相邻DGU和本地参数的信息？
• RQ5 在实际电力网络拓扑结构和线路阻抗变化下，所提方案的性能如何？

主要发现

• 所提出的基于一致性的二次控制层确保了闭环直流微电网系统的指数稳定性，经由系统矩阵Q的特征值分析得到确认。
• 从7-DGU和3-DGU系统的拉普拉斯矩阵与权重矩阵计算出的矩阵Q的特征值中，包含一个零特征值，其余所有特征值实部均为正，证实了系统稳定性。
• 该方法在负载变化和拓扑结构改变的情况下，实现了所有DGU之间的精确电流均流与电压均衡。
• 即插即用能力得到验证：添加或移除DGU仅需更新受影响单元的本地控制器，无需更新其他所有控制器。
• 在Simulink/PLECS中对7个DGU系统的仿真表明，即使在动态负载变化下，电压调节和按比例的电流均流也保持稳定。
• 在3个DGU的实验平台上进行的硬件实验验证了所提控制方案在真实环境下的可行性与鲁棒性。