[论文解读] Dynamic Virtual Power Plant: A New Concept for Grid Integration of Renewable Energy Sources

Bogdan Marinescu, Oriol Gomis‐Bellmunt+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 31, 2021

Microgrid Control and Optimization参考文献 28被引用 7

一句话总结

本文提出了动态虚拟电厂（DVPP）框架，通过统一分布式可再生能源（RES）的动态控制、经济控制与电网支撑控制，实现可再生能源在电力系统中的集成。该框架结合集中式与分布式控制策略，使可再生能源能够全面参与调频、调压等辅助服务，确保在高比例可再生能源渗透下系统稳定与电网规范合规。

ABSTRACT

The notion of Virtual Power Plant (VPP) has been used many times in last years in power systems and for several reasons. As a general trend, the behavior of a classic synchronous generator is to be emulated for a class of conventional grid components like, e.g., renewable generators or/and power electronic units. Most of the times production of these units is of interest, as it is the case for the new AGC scheme of Spain which, from this point of view, looks like a VPP. However, dynamic aspects are of high importance, especially for increasing the actual rate of penetration of Renewable Energy Sources (RES). Indeed, to go above the actual rate of RES penetration, one should deal with full participation of RES to grid services. For that, we propose here a new concept called Dynamic VPP (DVPP) which fully integrates the dynamic aspects at all levels: locally (for each RES generator), globally (for grid ancillary services and interaction with other neighbor elements of the grid) and economically (for internal optimal dispatch and participation to electricity markets). A DVPP is a set of RES along with a set of control and operation procedures. This means methodologies for: choosing the participating RES, optimal and continuous operation as a whole (especially in case of loss of natural resources - e.g., wind, sun - on a part of the DVPP), regulation (in the dynamic sense) to ensure local objectives for each generator, participation to ancillary services of the DVPP as a unit and to diminish negative effects of interaction with neighbor dynamics elements of the power system, integration in both actual power systems scenarios (with mixed classic and power electronics based generation) and future ones with high degree of RES penetration.

研究动机与目标

• 解决现代电力系统中可再生能源（RES）波动性导致的惯性降低与动态不稳定问题。
• 使可再生能源能够全面参与电网辅助服务（如频率与电压调节），与传统同步发电机同等水平。
• 开发统一的控制与运行框架，协调本地可再生能源行为与全局电网稳定及市场参与。
• 确保在现有混合发电系统与未来低惯性高可再生能源渗透系统中的韧性与可扩展性。
• 提供整合动态建模、控制设计、经济调度与法规对齐的综合解决方案，以支持实际部署。

提出的方法

• 提出DVPP作为可调度与不可调度可再生能源的协调集合，通过统一的控制与运行流程进行管理。
• 采用分层、时间解耦的控制策略，结合集中式与分布式方法，实现多时间尺度的动态管理。
• 利用集中式控制，结合完整系统建模，实现最优协调、鲁棒性与高性能，利用全局测量与全系统动态信息。
• 开发基于本地测量与全局广播信号（如频率）的分布式控制，实现高韧性、可扩展的控制，通信需求最小化。
• 应用动态参与因子，将整体控制需求分解为本地控制器要求，确保满足设备级约束。
• 整合数据驱动与降阶建模技术，处理复杂电力电子接口与不确定的可再生能源行为，支持实际部署。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何动态协调可再生能源，使其提供与同步发电机相当的完整辅助服务？
• RQ2 何种控制架构可在异构可再生能源系统中同时实现集中式性能与分布式韧性？
• RQ3 在高比例可再生能源渗透下，特别是在低惯性系统中，如何确保动态稳定性？
• RQ4 需要何种经济与法规框架，以支持DVPP模型在现实电力系统中的应用？
• RQ5 如何在不干扰现有运行方式的前提下，将DVPP概念整合进现有电网规范与市场机制？

主要发现

• DVPP框架通过协调控制策略，使可再生能源能够全面参与电网辅助服务，包括一次调频与虚拟惯性。
• 集中式控制通过建模所有动态与交互作用，实现全局最优协调，确保鲁棒性与高性能，但存在通信负担与单点故障风险。
• 基于全局频率信号与本地测量的分布式控制，实现高韧性、可扩展的运行，控制器设计满足整体动态规格，同时遵守本地设备约束。
• 动态参与因子可将系统级控制需求分解为本地控制器规格，支持结构化与可扩展的分布式设计。
• DVPP概念适用于现有混合发电系统与未来高可再生能源渗透系统，确保系统稳定与电网规范合规。
• 该框架正在欧盟H2020 POSYTYF项目中开发，成果包括优化的DVPP组合、新型控制器、商业模式、法规建议与稳定性评估方法。