Coordinated Fast Frequency Response from Electric Vehicles, Data Centers, and Battery Energy Storage Systems

📄 arXiv: 2512.14136v1 📥 PDF

作者: Xiaojie Tao, Rajit Gadh

分类: eess.SY

发布日期: 2025-12-16

💡 一句话要点

提出一种协同控制框架，聚合电动汽车、数据中心和储能系统，实现快速频率响应。

🎯 匹配领域: 支柱四：生成式动作 (Generative Motion)

关键词: 快速频率响应 电动汽车 数据中心 电池储能系统 协同控制 电网稳定性 可再生能源 分层控制

📋 核心要点

  1. 现代电网可再生能源占比高，惯性降低，需要分布式资源提供快速频率响应，但多种资源协同潜力未被充分挖掘。
  2. 提出分层协同控制框架，聚合电动汽车、数据中心和储能系统，根据响应速度和容量动态分配快速频率响应。
  3. 在IEEE 39节点系统上的案例研究表明，该框架能显著提升频率稳定性，降低频率变化率，加速频率恢复。

📝 摘要（中文）

随着可再生能源渗透率的提高，现代电网的系统惯性显著降低，对来自分布式和非传统资源的快速频率响应(FFR)的需求日益增加。虽然电动汽车(EV)、数据中心和电池储能系统(BESS)都已证明具有提供亚秒级有功功率支持的能力，但尚未系统地评估它们组合的频率响应潜力。本文提出了一种协同控制框架，该框架聚合这些异构资源以提供快速、稳定和可靠的FFR。开发了电动汽车车队、数据中心UPS和工作负载调制以及BESS的动态模型，明确捕捉了它们的响应时间、功率限制和运行约束。引入了一种分层控制架构，其中上层协调器根据响应速度和可用容量在资源之间动态分配FFR，下层控制器实现实际的功率响应。基于IEEE 39节点测试系统的案例研究表明，与单资源FFR相比，协同的EV-DC-BESS框架可将频率最低点提高高达0.2 Hz，降低RoCoF，并加速频率恢复。结果证实，协同协调显著增强了电网稳定性，尤其是在低惯性场景中。这项工作突出了多资源聚合对于可再生能源主导电网未来频率调节市场的价值。

🔬 方法详解

问题定义：论文旨在解决高可再生能源渗透率下，电网惯性降低，频率稳定性面临挑战的问题。现有方法通常依赖单一资源提供频率响应，未能充分利用电动汽车、数据中心和储能系统等多种分布式资源的协同潜力，导致响应速度慢、稳定性差，且资源利用率不高。

核心思路：论文的核心思路是通过协同控制，将电动汽车、数据中心和储能系统等异构资源聚合起来，形成一个统一的快速频率响应系统。通过动态分配不同资源的响应任务，充分发挥各自的优势，实现更快速、更稳定、更可靠的频率响应。

技术框架：该框架采用分层控制架构。上层协调器负责动态分配FFR任务，根据各资源的响应速度、可用容量和运行约束进行优化分配。下层控制器负责执行上层协调器的指令，实现实际的功率响应。具体包括：1) 建立电动汽车车队、数据中心UPS和工作负载调制以及BESS的动态模型，捕捉其响应特性；2) 设计上层协调器的优化算法，实现FFR任务的动态分配；3) 设计下层控制器的控制策略，保证功率响应的准确性和稳定性。

关键创新：论文的关键创新在于提出了一个协同控制框架，能够将多种异构资源聚合起来，提供快速频率响应。与传统的单一资源频率响应方法相比，该框架能够更有效地利用分布式资源，提高响应速度和稳定性。此外，该框架还考虑了各资源的运行约束，保证了系统的可靠性。

关键设计：论文的关键设计包括：1) 各资源的动态模型，准确描述了其响应特性；2) 上层协调器的优化目标，综合考虑了响应速度、稳定性和资源利用率；3) 下层控制器的控制策略，保证了功率响应的准确性和稳定性。具体参数设置和优化算法细节未在摘要中详细说明。

📊 实验亮点

基于IEEE 39节点测试系统的案例研究表明，与单资源FFR相比，协同的EV-DC-BESS框架可将频率最低点提高高达0.2 Hz，降低RoCoF，并加速频率恢复。结果证实，协同协调显著增强了电网稳定性，尤其是在低惯性场景中。这些结果表明，该协同控制框架能够有效提高电网的频率稳定性。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于高比例可再生能源接入的现代电网，提高电网的频率稳定性和运行可靠性。通过聚合电动汽车、数据中心和储能系统等分布式资源，为电网提供快速频率响应，降低对传统发电机的依赖，促进可再生能源的消纳。未来，该技术可应用于电力市场，实现分布式资源参与频率调节服务的商业化运营。

📄 摘要（原文）

High renewable penetration has significantly reduced system inertia in modern power grids, increasing the need for fast frequency response (FFR) from distributed and non-traditional resources. While electric vehicles (EVs), data centers, and battery energy storage systems (BESS) have each demonstrated the capability to provide sub-second active power support, their combined frequency response potential has not been systematically evaluated. This paper proposes a coordinated control framework that aggregates these heterogeneous resources to provide fast, stable, and reliable FFR. Dynamic models for EV fleets, data center UPS and workload modulation, and BESS are developed, explicitly capturing their response times, power limits, and operational constraints. A hierarchical control architecture is introduced, where an upper-level coordinator dynamically allocates FFR among resources based on response speed and available capacity, and lower-level controllers implement the actual power response. Case studies based on the IEEE 39-bus test system demonstrate that the coordinated EV-DC-BESS framework improves frequency nadir by up to 0.2 Hz, reduces RoCoF, and accelerates frequency recovery compared with single-resource FFR. Results confirm that synergistic coordination significantly enhances grid stability, especially in low-inertia scenarios. This work highlights the value of multi-resource aggregation for future frequency regulation markets in renewable-dominated grids.