[论文解读] Resilient Secondary Voltage Control of Islanded Microgrids: An ESKBF-Based Distributed Fast Terminal Sliding Mode Control Approach

Pudong Ge, Yue Zhu+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 22, 2020

Microgrid Control and Optimization参考文献 43被引用 75

一句话总结

本文提出了一种基于扩展状态卡尔曼-布奇滤波器（ESKBF）与快速终端滑模（FTSM）控制的分布式二次电压控制方法，用于孤岛微电网，以增强对多种扰动的鲁棒性。通过将参数摄动、测量噪声和外部不确定性统一为一个扩展状态，ESKBF 实现了精确的状态估计，而 FTSM 面则确保了电压一致性在有限时间内快速收敛，显著提升了在即插即用和负载变化场景下的仿真与实验性能。

ABSTRACT

This paper proposes a distributed secondary voltage control method based on extended state Kalman-Bucy filter (ESKBF) and fast terminal sliding mode (FTSM) control for the resilient operation of an islanded microgrid (MG) with inverter-based distributed generations (DGs). To tackle the co-existence of multiple uncertainties, a unified modelling framework is proposed to represent the set of different types of disturbances, including parameter perturbation, measurement noise, and immeasurably external variables, by an extended state method. Kalman-Bucy filter is then applied to accurately estimate the state information of the extended DG model. In addition, based on the accurate estimation, a fast terminal sliding mode (FTSM) surface with terminal attractors is designed to maintain the system stability and accelerate the convergence of consensus tracking, which significantly improves the performance of secondary voltage control under both normal and plug-and-play operation. Finally, case studies are conducted in both MATLAB/Simulink and an experimental testbed to demonstrate the effectiveness of the proposed method.

研究动机与目标

• 解决孤岛微电网中同时存在参数摄动、测量噪声和不可测外部变量等扰动时缺乏统一建模与处理框架的问题。
• 克服集中式二次控制的局限性，如通信延迟、即插即用能力差和故障容错性低等问题。
• 设计一种分布式控制策略，确保在动态即插即用操作下实现快速收敛与鲁棒性。
• 设计一种鲁棒的观测器，能够在无需复杂参数调优的情况下准确估计综合扰动。
• 在基于逆变器的微电网中实现电压调节与无功功率共享的全局一致性稳定，并具备短的调节时间。

提出的方法

• 通过引入一个统一表征参数摄动、测量噪声和外部扰动的扩展状态，建立线性化控制导向模型。
• 实施扩展状态卡尔曼-布奇滤波器（ESKBF），用于估计扩展状态，并将过程噪声与观测噪声视为随机扰动。
• 利用终端吸引子设计非线性快速终端滑模（FTSM）面，以加速收敛并确保有限时间稳定性。
• 开发一种分布式非线性控制协议，通过稀疏通信协调分布式电源（DGs），实现在无集中协调情况下的一致性跟踪。
• 将 ESKBF 的状态估计结果集成到 FTSM 控制律中，以提升在不确定性条件下的鲁棒性与收敛速度。
• 通过 MATLAB/Simulink 仿真和三逆变器实验平台的实时实验验证该框架的有效性。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在孤岛微电网中系统性地建模并估计多种扰动源——包括参数摄动、测量噪声和外部不确定性？
• RQ2 分布式二次电压控制策略是否能在不依赖集中协调的情况下，实现在即插即用操作下的快速、有限时间收敛？
• RQ3 与传统扩展状态观测器相比，基于 ESKBF 的观测器在扰动估计精度方面有多大提升？
• RQ4 与传统滑模控制或线性控制方法相比，FTSM 控制面在提升收敛速度与稳定性方面有何优势？
• RQ5 在负载变化及分布式电源接入/断开事件下，所提方法在维持电压调节与无功功率共享方面的性能如何？

主要发现

• ESKBF 观测器成功实现了对扩展状态的高精度估计，在噪声条件下仍能紧密跟踪真实值，仿真与实验结果均验证了这一点。
• 所提出的 FTSM 控制实现了电压幅值在有限时间内收敛至参考值，其调节时间显著短于传统方法。
• 在四母线系统中，二次控制激活后 0.5 秒内即实现电压调节，负载变化与即插即用事件下均维持 310 V 参考电压。
• 在可扩展的 IEEE 37-母线系统中，所有分布式电源在控制激活后 1 秒内即实现 310 V 电压一致性，即使在 DG4 断开并重新连接后仍保持稳定。
• 实验结果证实了该方法的有效性：控制激活后 2 秒内，所有三台逆变器的电压均同步至 381 V，且在负载切换与电容投切后能快速恢复。
• 在即插即用操作中，ESKBF 展现出优异的鲁棒性，能以极小的延迟与误差准确估计电压及其导数，实时测试结果已验证其性能。