[论文解读] A Control Architecture for Fast Frequency Regulation with Increasing Penetration of Inverter Based Resources

Jose A. Solano-Castellanos, Hassan Haes Alhelou+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 20, 2026

Frequency Control in Power Systems被引用 0

一句话总结

该论文提出一种两层控制架构，将优化的下垂控制与虚拟同步机（VSM）原件控制结合，并在次级层使用模型预测控制（MPC）以实现快速频率调节，针对高逆变器基资源渗透的电网，在沙特阿拉伯的代表性数据上进行了验证。

ABSTRACT

This paper addresses frequency regulation under operational constraints in interconnected power systems with high penetration of inverter-based renewable generation. A two-layer control architecture is proposed that combines optimized droop and Virtual Synchronous Machine (VSM) primary control with a Model Predictive Control (MPC) secondary layer operating at realistic control-room update rates. Unlike recent proposed approaches, the proposed framework integrates MPC within existing grid control structures, enabling constraint-aware coordination. A reduced-order frequency response model is systematically derived from a high-fidelity grid model using Hankel singular values, and a reduced-order Kalman-Bucy observer enables state and disturbance estimation using only measurable outputs. Validation using representative data from the Kingdom of Saudi Arabia demonstrates effective frequency regulation under realistic operating conditions.

研究动机与目标

• 说明高渗透率的逆变器资源（IBRs）对电力系统快速频率调节的需求。
• 开发一个集成的两层控制架构，利用原边下垂/ VSM 和具约束意识的MPC次级层。
• 从高保真电网模型推导简化的频率响应模型，并设计用于在线状态与扰动估计的简化观测器。
• 在沙特阿拉伯的现实数据上验证该方法，以在实际条件下展示有效性。

提出的方法

• 推导含IBR、同步发电机（SG）及联络线动态的高保真线性连续时间状态空间模型。
• 构造两层控制器：第一层为优化下垂与VSM参数的初级控制器，第二层为在运行约束下的MPC次级控制。
• 引入简化的Kalman–Bucy观测器，以基于可测输出估计状态与扰动。
• 将MPC嵌入现有的电网控制结构中，实现在现实更新速率下的约束感知协调。
• 按区域优化初级控制器参数，通过最小化在频率偏差、RoCoF和控制努力之间权衡的代价函数来实现区域化优化。
• 在离散时间 horizon 上求解MPC优化，对频率、RoCoF、联络线潮流和输入速率施加约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在高IBR渗透的电网中实现频率调节，同时遵守运行约束？
• RQ2 如何在实际更新速率下将MPC与现有的初级控制器（下垂与VSM）集成？
• RQ3 简化观测器是否能实现对高保真电网模型下的状态与扰动的在线估计，从而满足MPC需求？
• RQ4 在沙特阿拉伯，高比例可再生能源渗透对惯性与频率稳定性的影响是什么，控制设计如何缓解？

主要发现

• 提出了一种两层控制框架，将优化的初级下垂/VSM控制与具约束意识的MPC次级层结合。
• 使用Hankel奇异值从高保真电网模型推导出简化的频率响应模型。
• 一种简化的Kalman–Bucy观测器实现仅用可测输出进行状态与扰动估计。
• 基于具有代表性的沙特阿拉伯数据的验证表明，在现实运行条件下也能实现有效的频率调节。
• 该方法将MPC集成到现有的电网控制结构中，并能适应实际控制更新速率（如类似SCADA的时序）。
• 研究强调2030年预计IBR渗透对电网惯性及频率响应的影响，推动所 proposed 的协调策略。