作者与发表信息
本文由Verena Häberle、Ali Tayyebi、Xiuqiang He、Eduardo Prieto-Araujo和Florian Dörfler共同完成。Verena Häberle、Xiuqiang He和Florian Dörfler来自苏黎世联邦理工学院自动控制实验室，Ali Tayyebi同时隶属于苏黎世联邦理工学院与日立能源研究中心，Eduardo Prieto-Araujo来自加泰罗尼亚理工大学CITCEA。该研究发表于*IEEE Transactions on Smart Grid*第15卷第2期，2024年3月出版，2023年9月4日在线发表。
研究背景与目标
未来电力系统中，动态辅助服务必须由非同步的分布式能源资源承担，这带来了巨大挑战：可再生能源的波动性以及设备特定的运行限制。动态虚拟电厂的概念应运而生，它将异构分布式能源资源聚合，以集体提供快速频率和电压控制等动态辅助服务。然而，现有文献中少数几项动态虚拟电厂控制设计方法均依赖于跟网型分布式能源资源的聚合。跟网型方案需要测量公共耦合点的频率和电压幅值作为输入，因此依赖坚强的电网才能稳定运行。在弱电网条件下，其响应性能会恶化甚至失稳，且无法实现孤岛运行或黑启动。
随着未来电力系统越来越多地采用构网型分布式能源资源，本文旨在解决上述问题，提出一种新颖的构网型动态虚拟电厂控制设计方法。构网型分布式能源资源具有电压源行为，不依赖强电网，具备黑启动能力，且在弱电网条件下具有更优的稳定性。本文的研究目标包括三部分：第一，研究异构构网型分布式能源资源的非平凡聚合，建立动态虚拟电厂；第二，将该方法扩展至同时包含跟网型与构网型分布式能源资源的混合型动态虚拟电厂；第三，将动态虚拟电厂控制推广至电网中空间分布的分布式能源资源位置，涵盖不同电压等级和R/X比的输电与配电网络。
研究流程与具体方法
控制设计基于自适应分而治之策略，分为两个步骤：首先通过自适应动态参与因子将期望的总体动态虚拟电厂规格分解，得到每个分布式能源资源的局部期望行为；然后为每个单元设计局部反馈控制器以匹配局部期望行为。
对于频率控制，研究采用Kron约简消除公共耦合点的代数约束，推导互联网络的线性化潮流方程。通过将全互联动态投影到全一向量上，得到系统的惯性中心动力学。在近似相干假设下，推导出聚合的构网型动态虚拟电厂频率动力学，并得到频率控制的聚合条件：各单元局部闭环传递函数逆之和的逆应等于期望的频率控制传递函数。对于电压控制，由于局部电压幅值一般不具有相干行为，因此采用独立设置：所有单元接收公共耦合点电压幅值偏差的公共测量输入，各单元的无功功率输出之和形成聚合无功输出，由此导出电压控制聚合条件。
自适应动态参与因子的选取需满足参与条件（频域中各单元参与因子之和恒等于1），同时兼顾异构分布式能源资源的不同时间尺度和稳态功率容量限制。参与因子分为三类：低通滤波器行为用于可提供慢时间尺度调节的单元，高通滤波器行为用于快速调节单元，带通滤波器行为用于覆盖中间时段的单元。低通滤波器的直流增益根据分布式能源资源的容量限制在线自适应更新，以应对天气依赖型单元的变化。
局部匹配控制采用鲁棒最优的线性参数变化H∞方法实现，以保证设备级稳定性并处理时变直流增益。在混合型动态虚拟电厂扩展中，跟网型单元以反向信号因果关系纳入频率控制架构，其局部匹配条件在测量单元带宽以下才需满足，通过附加滤波器放宽高频段匹配要求。
空间分布式动态虚拟电厂的设计针对位于配电网中不同位置的单元展开。研究考虑了线路阻抗特性，特别是中低压电网中较高的R/X比。传统解耦的有功-频率控制在非感性线路阻抗下导致公共耦合点功率与单元实际注入功率存在偏差。本文采用功率旋转矩阵，定义了旋转有功功率和旋转无功功率，通过线路阻抗的R/X比进行坐标变换，使得互联线路呈现无损特性，从而实现解耦的旋转有功-频率控制。期望的旋转功率控制规格在公共耦合点处呈现耦合的有功-无功-频率关系，区别于单母线情形的解耦规格。在自适应动态参与因子选取中，虽然参与因子针对旋转有功功率设计，但实际有功和无功功率限制需要通过保守选择来满足。
仿真验证基于MATLAB/Simulink中的Simscape Electrical平台，采用IEEE九节点系统的电磁暂态仿真，使用非线性系统和设备模型。分布式能源资源采用统一的三相功率变换器接口，直流侧电流由可控直流电流源供给，以一阶延迟模型模拟一次能源的响应时间。交流侧控制采用多变量线性参数变化H∞状态反馈控制器替代传统级联比例积分控制器。构网型单元通过直接实现期望局部频率控制规格计算dq坐标系的角度参考，而跟网型单元通过锁相环跟踪系统频率。
主要结果与数据支撑
案例一研究了构网型基础动态虚拟电厂替代同步发电机2的场景，包含风电、光伏和电池储能三个单元。仿真结果显示：在28 MW负载增加时，聚合动态虚拟电厂在公共耦合点处准确匹配了期望的同步频率和电压幅值响应，各单元按照所选的参与因子贡献，相干性假设几乎完全满足。在模拟光伏容量下降时，风电和电池的参与因子在线自适应更新以补偿光伏的减少贡献，整体动态虚拟电厂响应几乎不受影响，验证了在线自适应策略的有效性。
案例二研究了混合型动态虚拟电厂在不同构网型占比ε下的性能。蒙特卡洛仿真表明，对于负载扰动，ε值增大导致惯性中心频率的纳迪尔值和频率变化率略低，但差异微小。在同步发电机全部退出运行时，对于较低的ε值，系统频率刚度的丧失导致跟网型单元失去同步，引发与构网型单元的振荡交互；当ε=0时，系统中没有电压源，跟网型单元完全失去同步。这一结果表明构网型单元对于维持弱电网条件下的系统稳定性至关重要。
案例三研究了空间分布式动态虚拟电厂。采用传统有功-频率控制在R/X=1的中压配电网中导致公共耦合点频率响应与期望参考轨迹存在明显偏差。引入旋转功率控制后，在相同负载扰动下频率响应准确匹配期望参考轨迹，且总的有功注入量略小于传统方法。在内部扰动情景中，旋转功率控制同样实现了精确匹配。蒙特卡洛仿真考察了24种不同的非均匀R/X比组合（范围0.4至2），频率响应与均匀R/X=1的情况高度相似，证明了该方法对电网阻抗特性的鲁棒性。
结论与意义
本文提出了新颖的构网型动态虚拟电厂控制方法，研究了异构构网型分布式能源资源的非平凡聚合，并基于自适应分而治之策略实现了期望聚合动态行为的精确匹配。将构网型与跟网型单元结合的混合型方案拓展了动态虚拟电厂的适用范围。空间分布式控制在旋转功率框架下实现了对非感性线路阻抗的补偿，确保了在公共耦合点处准确匹配期望响应。数值案例验证了控制策略的有效性，展示了从高压输电网到低压配电网的跨时空尺度动态辅助服务提供能力。当前研究还在探索多变量鲁棒规格设计以及更大规模电网拓扑下的动态虚拟电厂性能评估。
研究亮点
本研究的核心创新体现在三个层面：在信号因果关系上将动态虚拟电厂的聚合从跟网型拓展到构网型，使系统无需依靠坚强电网即可运行，具备黑启动能力；通过自适应动态参与因子实现异构单元间的动态功率分配，兼顾时间尺度差异与容量限制的在线变化；引入旋转功率控制解决空间分布单元间非感性阻抗的影响，实现耦合的有功-无功-频率控制，适用于高R/X比的配电网环境。这一综合方案为未来高比例可再生能源接入的电力系统动态辅助服务提供了系统化的控制设计框架。