基于主动扰动抑制的去中心化传感器容错控制在直流微电网中的应用

当传感器出错时保持电力稳定

现代住宅、工厂和偏远村落越来越多地由称为直流微电网的小型本地电力网络供电，通常由太阳能电池板和电池提供能量。这些系统承诺提高效率并更容易整合可再生能源，但它们也高度依赖测量电压和电流的小型电子传感器。当这些传感器老化、漂移或失效时，整个微电网可能出现不稳定甚至崩溃。本文探讨了一种新方法，利用一种智能控制策略在传感器出现问题时仍保持直流微电网的稳定与可靠——该策略将故障视为可被吸收的扰动，而不是逐一追踪的问题。

为什么小型电网需要额外关照

低压直流微电网具有吸引力，因为它们天然适配太阳能电池板、电池以及许多已使用直流供电的现代电子设备。与传统交流电网不同，它们避免了无功功率和复杂同步等问题。然而，它们的可靠性依赖于准确的测量。如果电压或电流传感器漂移20–30%，传统控制器可能会“相信”错误的数据并过度反应，导致大的电压下陷、缓慢恢复或在发电机之间传播的振荡。之前提出的容错方法要么假设存在非常精确的数学模型，要么需要额外的软件层先检测并诊断故障再重新配置控制器，从而增加复杂性、成本和延迟。

以不同方式看待故障

作者提出了一种基于主动扰动抑制控制（ADRC）的方法，它对现实世界更宽容。ADRC并不试图对每个细节建模或显式检测每个传感器故障，而是将系统中的所有“不良影响”——传感器误差、参数变化、线路相互作用和负载波动——汇集为一个综合扰动。ADRC的核心是扩展状态观测器，这一数学模块实时估计每个发电机的真实内部状态以及该聚合扰动。然后基于这些估计的反馈规则会即时对抗扰动，使直流母线电压保持接近目标，而无需确切知道发生了什么或问题在哪里。

新控制方法如何被测试

为了验证该方法的实际效果，研究者构建了一个详细的计算机模型：一个孤立运行、沿径向直流母线连接的六台分布式发电机的直流微电网。每台装置包括直流电源（代表太阳能电池板和电池）、直流—直流变换器、滤波器和负载。对于每台发电机，本地ADRC控制器仅使用自身的电压和电流测量，因此没有可能成为单点故障的中央控制器。团队通过人为降级测量信号引入了现实的传感器问题——有时只影响一台发电机，有时两台，有时先后发生，有时同时在两台上造成非常严重的精度损失。这些场景模拟了传感器在多年运行过程中逐渐老化或部分失效的情况。

与既有控制器的比较

将ADRC的性能与两种其他去中心化策略进行了比较：常用的自动整定PI控制器和为鲁棒性专门设计的更先进的吸引椭球方法。在轻度和中度传感器退化下，PI控制器出现了大的电压下陷（通常超过40–50%）、约1–2秒的长稳态时间以及明显在微电网内传播的振荡。基于椭球的方法改善了阻尼并限制了故障传播，但响应更慢且需要更高的控制努力。相比之下，ADRC控制器将电压偏差保持在较小范围内，在大多数情况下恢复时间远低于半秒，并保持基本为零的长期误差，即使在两台发电机同时遭受严重传感器精度丧失且超出竞争方法设计范围的情况下也是如此。

对未来电力系统的意义

通俗地说，这项工作表明，通过嵌入能不断“聆听”干扰并在其扩展前予以抵消的智能，微电网可以对传感器问题更为宽容。由于不依赖显式故障检测、信号分类或控制器切换，基于ADRC的设计在保持实时实现可行性的同时也足够简单，并且可扩展到更大的网络。对于必须整合可再生能源、在偏远地区运行并经受设备老化的未来直流配电系统而言，这一以扰动为中心的控制策略为构建能够在传感器故障中默默度过而用户无感知的电力网络提供了一条有希望的路径。

引用: Mohamad, A.M.I., Ibrahim, A.M. & Bayoumi, E.H.E. Active disturbance rejection-based decentralised sensor fault-tolerant control in DC microgrids. Sci Rep 16, 12468 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-47847-2

关键词: 直流微电网, 容错控制, 传感器故障, 主动扰动抑制控制, 可再生能源系统