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控制与算法 SiC器件 跟网型GFL ★ 5.0

一种基于新型状态增广的韧性设计控制方法,用于容忍虚假数据注入网络攻击的跟网型逆变器资源就地一次控制器

Resilient-by-Design Control for in Situ Primary Controller of Grid-Following Inverter-Based Resources by a Novel State Augmentation to Tolerate False Data Injection Cyberattacks

作者 Mahmood Jamali · Mahdieh S. Sadabadi · Masoud Davari · Subham Sahoo · Frede Blaabjerg
期刊 IEEE Transactions on Power Electronics
出版日期 2024年9月
技术分类 控制与算法
技术标签 SiC器件 跟网型GFL
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 三相并网逆变器 虚假数据注入攻击 弹性矢量电流控制策略 稳定性 辅助控制状态
语言:

中文摘要

摘要:随着部署网络物理系统的现代电网中基于三相跟网型(GFL)逆变器的资源(IBRs)数量不断增加,要求它们具备更高的智能性、多样化的功能和通信能力。然而,由于大量使用数据和通信设备,智能逆变器面临的网络威胁无处不在。本文针对GFL IBRs提出了一种新颖的弹性矢量电流控制策略,以减轻虚假数据注入(FDI)攻击的破坏性影响,同时确保GFL IBRs的稳定性和期望性能。即使有适当的上层控制机制,攻击者仍可利用GFL IBRs主控制中的漏洞,特别是“逆变器输出控制器”。在这种情况下,FDI攻击可操纵发送给脉冲宽度调制器的控制指令,从而对输出功率质量产生不利影响。为此,将辅助控制状态进行扩充并纳入GFL IBRs的状态反馈控制器中,从而提高其抵御FDI攻击的弹性性能。利用李雅普诺夫理论和矩阵特性进行的理论分析严格证明了系统的稳定性,并拓展了控制设计的考虑因素。对比仿真和实验结果表明了所提出控制方案的弹性和有效功能。

English Abstract

With the increasing number of three-phase grid-following (GFL) inverter-based resources (IBRs) in modern power grids deploying cyber-physical systems, they are required to possess more intelligence with diverse functionality and communication capabilities. However, the cyber threats of smart inverters are omnipresent due to the immense usage of data and communication devices. This article proposes a novel resilient vector current control strategy for GFL IBRs to alleviate the destructive impacts of false data injection (FDI) attacks while ensuring the stability and desired performance of GFL IBRs. Even with proper upper-layer control mechanisms in place, attackers can exploit vulnerabilities in GFL IBR's primary control, specifically “inverter output controller.” In such cases, FDI attacks can manipulate the control commands sent to the pulse width modulator, thereby adversely impacting the quality of the output power. To this end, auxiliary control states are augmented and incorporated into the state feedback controller of GFL IBRs, thus enhancing resilient performance against FDI attacks. Theoretical analysis using Lyapunov theory and matrix properties rigorously supports the proof of stability and extends control design considerations. Comparative simulations and experimental results illustrate the resilience and effective functionality of the proposed control scheme.
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项针对跟网型逆变器抗虚假数据注入攻击的弹性控制技术具有重要的战略意义。随着我们在全球范围内部署大量光伏逆变器和储能系统,这些设备日益融入数字化电网的信息物理系统中,网络安全威胁已成为不可忽视的系统性风险。

该论文提出的状态增广向量电流控制策略直击当前智能逆变器的核心痛点。传统的上层防护机制往往忽略了逆变器初级控制层的脆弱性,而攻击者恰恰可以通过篡改PWM控制指令来破坏输出电能质量。这对阳光电源在电站级储能系统和工商业微网解决方案中的应用场景尤为关键,因为这些场景对电能质量和系统稳定性要求极高。

从技术成熟度评估,该方案基于李雅普诺夫理论的稳定性证明和实验验证显示出较强的工程可行性。将辅助控制状态嵌入状态反馈控制器的设计思路,可以较好地融入我们现有的矢量控制架构,不需要对硬件进行大规模改动。这为产品迭代升级提供了可行路径。

然而,实际应用仍面临挑战:首先是计算复杂度增加可能对控制器实时性能提出更高要求;其次是需要建立完善的攻击检测与响应机制来触发弹性控制模式;再者是在大规模逆变器集群中如何协调分布式弹性控制策略。

对阳光电源而言,这项技术代表着从"被动防护"向"主动韧性"的范式转变,是构建下一代安全可信逆变器产品的关键使能技术,应纳入我们智能逆变器和储能系统的中长期研发路线图,特别是在关键基础设施和高安全等级应用场景中优先部署。