[论文解读] Voltage control of DC networks: robustness for unknown ZIP-loads

Michele Cucuzzella, Krishna Chaitanya Kosaraju+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 23, 2019

Microgrid Control and Optimization参考文献 43被引用 11

一句话总结

本文提出了一种新颖的基于无源性的控制方案，用于具有未知ZIP负荷（阻抗、电流和功率分量）的直流微电网，采用混合势函数建立以电压导数为输出端变量的无源性。该方法在所有正电压参考值及任意负荷参数下均能确保鲁棒的电压调节，消除了先前工作中存在的限制性假设。

ABSTRACT

In this paper we propose a new passivity-based control technique for DC power networks comprising the so-called ZIP-loads, i.e., nonlinear loads with the parallel combination of unknown constant impedance (Z), current (I) and power (P) components. More precisely, we propose a novel passifying input and a storage function based on the so-called mixed potential function introduced by Brayton and Moser, leading to a novel passivity property with output port-variable equal to the first time derivative of the voltage. Differently from the existing results in the literature, where restrictive (sufficient) conditions on Z, P and the voltage reference are assumed to be satisfied, we establish a passivity property for every positive voltage reference and every type of load. Consequently, we develop a new decentralized passivity-based control scheme that is robust with respect to the uncertainty affecting the ZIP-loads.

研究动机与目标

• 解决直流微电网中恒功率（P）负荷引起的不稳定性问题，此类负荷表现出负增量阻抗，可能导致电压振荡或崩溃。
• 克服现有基于无源性的控制器对Z、P和电压参考值的无源性所需限制性充分条件的局限性。
• 设计一种对ZIP负荷参数不确定性（包括Z分量缺失）具有鲁棒性的分布式控制方案。
• 即使由于高P负荷贡献导致等效电导变为负值，也能实现向期望参考值的电压调节。
• 建立一种新型无源性特性，其中输出为电压的时间导数，从而实现与负荷组成无关的有效阻尼注入。

提出的方法

• 引入一种新颖的无源化输入，结合滤波电阻的前馈补偿与通过修改系统耗散结构实现的阻尼注入。
• 提出基于Brayton和Moser理论中的混合势函数的存储函数，确保闭环系统以电压导数为输出时具有无源性。
• 对存储函数进行整形，使其在期望平衡点处取得最小值，从而确保电压参考值的渐近稳定性。
• 采用分布式控制架构，使每个节点基于本地测量独立计算其控制输入，提升可扩展性与鲁棒性。
• 在仅需一个温和假设（正电压参考值）的条件下，对所有正电压轨迹建立无源性，无需对Z、P或其比值施加边界限制。
• 证明控制器在传统无源性特性（如平移或Krasovskii型）因负等效电导而失效时仍保持有效性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否为具有未知ZIP负荷的直流网络设计一种基于无源性的控制方案，使其在等效电导变为负值时仍保持有效？
• RQ2 是否可能在不施加对负荷参数或电压参考值的限制性假设下，以电压导数作为输出端变量建立无源性？
• RQ3 如何在具有P负荷的直流网络中有效注入阻尼，以抵消其负增量阻抗？
• RQ4 能否通过分布式控制策略确保电压调节至期望参考值，无论负荷中是否存在Z分量？
• RQ5 在使标准无源性方法失效的负荷参数变化下，所提控制器的性能如何？

主要发现

• 所提控制器对所有正电压参考值及所有ZIP负荷参数组合（包括等效电导为负的情况）均能实现鲁棒的电压调节。
• 闭环系统以电压导数为输出时具有无源性，从而实现与负荷组成无关的有效阻尼注入。
• 在场景1（混合ZIP负荷）中，即使负荷参数变化导致等效电导变为负值（例如，节点1处从0.011 S变为-0.017 S），控制器仍能保持稳定与调节。
• 在场景2（纯P负荷）中，控制器无需任何Z分量即可成功将电压调节至参考值，展现出超越先前方法鲁棒性的能力。
• 仿真结果证实，所提控制器优于现有方案（如[17]），后者在高P负荷条件下变得不稳定，而本控制器表现出稳定的电压收敛。
• 理论分析确认，仅在温和假设下（正电压参考值），无源性特性对所有正电压轨迹均成立，使该方法广泛适用于实际直流微电网。